Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 2 - Д. Мецлер 1980

Ферменты: белковые катализаторы клеток
Регуляция ферментативной активности
Ключевые ферменты

Контроль метаболизма осуществляется в основном при помощи механизмов, регулирующих локализацию, количество и каталитическую активность ферментов [41, 66]¹⁾. В данном разделе мы вкратце рассмотрим эти механизмы контроля и приведем необходимую терминологию и обозначения, которые будут использоваться далее в книге. Многие из обсуждаемых механизмов контроля суммированы на рис. 6-15.

¹⁾ См. также Cohen Р. (1976). Control of enzyme activity, London, Chapman and Hall; Scrutton M. C., Schramm V. L. (1977). Molecular aspects of medicine, 1, N 4, Modulation of enzymic activity, Oxford, Pergamon Press, pp. 283—366. — Прим. пepeв.

Проблема выяснения принципов контроля метаболизма упростится, если мы сосредоточим свое внимание на ферментах, которые при данных условиях катализируют лимитирующие стадии, — ключевых²⁾ ферментах. Ключевыми часто являются ферменты, катализирующие- а) реакции, которые определяют скорость дыхания клетки, б) реакции, с которых начинаются превращения субстрата в условиях, когда не происходит накопления последующих промежуточных соединений метаболического пути, и в) реакции, на уровне которых происходит ветвление метаболических путей. Обычно в роли стадии, определяющей суммарную скорость процесса, выступает первая стадия специфического пути биосинтеза соединения (часто называемая пусковой стадией). Подобные реакции сопровождаются, как правило, сильным уменьшением свободной энергии и должны строго контролироваться клетками. В то же время ферменты, катализирующие промежуточные реакции, могут не регулироваться и действовать в равновесных или близких к ним условиях.

²⁾ Автор использует термин «задающие темп» (pacemaker) ферменты. Мы сочли целесообразным заменить этот термин эквивалентным, в данном контексте термином «ключевые ферменты». — Прим. перев.

Если условия в клетке изменяются, то лимитирующая реакция может перестать быть таковой. Например, концентрация метаболита может понизиться до такого уровня, что суммарная скорость процесса будет определяться скоростью его образования в результате предшествующей реакции. Так, в ходе метаболизма глюкозы в нашем организме образуются быстро превращающиеся один в другой фосфорные эфиры — глюкозо-6-фосфат и фруктозо-6-фосфат. Ключевым ферментом метаболизма глюкозы часто является фосфофруктокиназа [гл. 11, разд. Е,4, схема (13-91), стадия б], катализирующая дальнейший метаболизм фруктозо-6-фосфата. Однако при достаточно интенсивном метаболизме лимитирующей может стать стадия образования глюкозо-6-фосфата из глюкозы (стадия а, катализируемая гексокиназой; см. приведенную ниже схему).

РИС. 6-15. Некоторые механизмы контроля метаболических реакций. На всех приведенных в книге рисунках модуляция активности фермента аллостерическими эффекторами, а также модуляция активности генов (транскрипция и трансляция) обозначается пунктирными линиями, отходящими от соответствующего метаболита. Линии заканчиваются знаком минус в случае ингибирования и дерепрессии и знаком плюс в случае активации и депрессии. Кружки соответствуют прямому действию на ферменты, а квадратики — репрессии или индукции синтеза ферментов. (Подобная схема представлена в работе [66а].)

Некоторые катаболические процессы зависят от ADP. Однако при высокой интенсивности метаболизма концентрация ADP может сильно уменьшиться из-за почти полного его фосфорилирования с образованием АТР. В этих условиях лимитирующими в соответствующих последовательностях реакций могут стать реакции, использующие ADP. Снижение уровня реагента способно привести также к полному изменению картины метаболизма. Так, если дрожжи лишены кислорода, то происходит накопление восстановленного кофермента NADH, который восстанавливает пировиноградную кислоту до молочной (гл. 7, разд. А, 6), т. е. наблюдается переход от окислительного метаболизма к брожению.

В заключение можно сказать, что идея ключевых ферментов является весьма ценной, однако следует иметь в виду, что в зависимости от условий в роли ключевых могут выступать различные ферменты. Важно также отдавать себе отчет в том, что скорости реакций часто определяются скоростью диффузии того или иного соединения через мембрану. Следовательно, процессы транспорта через мембраны также могут быть лимитирующими стадиями метаболизма.