Биохимия человека Том 1 - Марри Р. 1993

Структура и функции белков и ферментов
Ферменты: регуляция активности
Регуляция метаболизма

Гомеостаз

Представление о гомеостатической регуляции внутренней среды было введено Клодом Бернаром в конце XIX в. Эта способность животного поддерживать постоянным состав внутриклеточной среды означает, что все необходимые ферментативные реакции протекают со скоростями, соответствующими изменениям внутренней среды организма и его окружения. Клетку или организм можно считать больными, если они неадекватно реагируют на внутреннее или внешнее воздействие. Чтобы понять механизмы гомеостаза нормальных клеток и выяснить молекулярные основы различных заболеваний, важно представить, от каких факторов зависят скорости ферментативных реакций.

Все химические реакции, в том числе и ферментативные, до некоторой степени обратимы¹. Однако внутри живых клеток такой обратимости может и не быть, поскольку продукты реакции быстро удаляются в результате других ферментативных реакций. Поток метаболитов в живых клетках можно уподобить течению воды по водопроводной трубе. Хотя вода может течь по трубе в обе стороны, на практике она течет всегда в одном направлении. Поток метаболитов в клетках тоже в основном является однонаправленным. Истинное равновесие, совершенно нехарактерное для живых существ, устанавливается лишь после гибели клеток. Живая клетка — это динамическая стационарная система, в которой поддерживается однонаправленный поток метаболитов (рис. 10.1). В зрелых клетках средние концентрации метаболитов в течение длительного периода времени остаются примерно постоянными². Гибкость стационарной системы обеспечивается всевозможными подстроечными и компенсационными процессами, с помощью которых организм поддерживает постоянство внутренней среды, несмотря на разнообразие диеты, различия в количестве потребляемой жидкости и поступающих минеральных веществ, объеме выполняемой работы и температуре окружающей среды.

Общая картина регуляции метаболизма

Для нормального функционирования организма должна осуществляться точная регуляция потока метаболитов по анаболическим и катаболическим путям. Все сопутствующие химические процессы должны протекать со скоростями, отвечающими требованиям организма как целого в условиях окружающей среды. Генерация АТР, синтез макромолекул, транспорт, секреция, реабсорбция в почечных канальцах должны чутко реагировать на самые небольшие изменения в окружении, в котором находится клетка, орган, животное. Эти процессы должны быть скоординированы и отвечать на изменения во внешней среде (например, на поступление питательных веществ или их удаление), а также на периодически происходящие внутриклеточные события (например, репликацию ДНК). До недавнего времени детали регуляции на молекулярном уровне изучались только на бактериях; у этих организмов отсутствуют сложные системы гормонального и нервного контроля и молекулярные процессы можно исследовать генетическими методами. Однако сейчас мы имеем возможность всесторонне изучать механизмы регуляции на молекулярном уровне и в животных клетках.

¹ Легко обратимая реакция характеризуется малым по асболютной величине ∆G. Реакции с большим отрицательным ∆G для большинства биохимических систем могут считаться практически необратимыми.

² При этом, однако, наблюдаются кратковременные колебания концентраций метаболитов и содержания ферментов, которые имеют важное физиологическое значение.

Рис. 10.1. Схематическое представление клетки в стационарном состоянии.

Для изучения заболеваний, связанных с нарушениями метаболизма, и для разработки методов их лечения совершенно необходимо иметь представление о регуляторных процессах, осуществляющихся в клетках человека. В то же время регуляция на молекулярном уровне многих метаболических процессов у млекопитающих изучена недостаточно. Ясно, что регуляция метаболизма у млекопитающих существенно отличается от внешне сходных процессов у бактерий. Тем не менее мы все же рассмотрим эти вопросы именно для бактерий, поскольку это позволит нам охарактеризовать общие принципы регуляции, которые сохраняют свое значение и при изучении процессов регуляции у человека.

Способы регуляции работы ферментов

Поток углерода, «проходящий» через ту или иную ферментативную реакцию, можно регулировать, изменяя следующие параметры: 1) абсолютное количество присутствующего фермента; 2) пул реагентов (помимо фермента); 3) каталитическую эффективность фермента. Большинство форм жизни использует все три типа регуляции.