Микробиология - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
Поскольку практически все реакции в клетке катализируются ферментами, регуляция метаболизма сводится к регуляции интенсивности ферментативных реакций. Скорость последних может регулироваться двумя основными способами: путем изменения .количества ферментов и/или изменения их активности, т. е. степени использования их каталитического потенциала.
Регуляция активности ферментов
Факторы, регулирующие активность ферментов, разнообразны по своей природе (рис. 33). Физические факторы (температура, давление, •свет, магнитное поле, электрические импульсы) оказывают менее специфическое действие, чем химические. В свою очередь действие последних также может быть разделено на несколько типов. Одни из химических веществ связываются с активным центром фермента, например субстраты, кофакторы, конкурентные ингибиторы, что приводит к изменению ферментативной активности. Другие — взаимодействуют со специальными участками на поверхности молекулы определенного типа ферментов, не имеющими непосредственного отношения к центрам каталитической активности, но тем не менее приводящими к ее изменению.
Наконец, активность некоторых ферментов регулируется путем химической модификации их молекулы, в основе которой лежит кова-.лентное обратимое связывание с ферментом определенной группировки, что приводит к изменению его ферментативной активности. У прокариот известны две ферментные системы, активность которых регулируется таким путем. Глутаминсинтетаза Е. coli, катализирующая синтез глутамина, существует в двух формах, различающихся присутствием в одной из них остатка адениловой кислоты. Присоединение
109
Я о
о tr*
а з я s
H О-. H *й й о S ?
О Я
M о
О
факторы, влияющие на активность фермента
Связывание с
* регуляторным
• центром
- (Алдсстерическая регуляция)
Связывание с ? каталитическим центром
Ковалентная модификация
физические факторы
3
? Транскрипция
• Трансляция
• Сборка фермента
- Разрушение фермента
фермент А--Б
(Субстрат) (Продукт) -
Рис. 33. Схематическое изображение регуляторных воздействий на уровень клеточных метаболитов (продуктов)
его с помощью ковалентной связи, катализируемое соответствующим модифицирующим ферментом, приводит к образованию менее активной аденилированной формы глутаминсинтетазы:
+ АМФ
Этапы, на которых осущестляется воздействие на количество фермента в клетке
глутаминсинтетаза
(активная форма)
модифицирующий фермент
глутаминсинтетаза+ + АМФ
•АМФ
(неактивная форма)
Удаление адениловой группы, ведущее к возникновению деаденили» рованной формы фермента, резко повышает его каталитическую активность. Аналогичный механизм регулирования активности фермента1 путем присоединения и удаления остатка уксусной кислоты (ацетили-рование — деацетилирование) обнаружен для цитратлиазы у фото-синтезирующей бактерии Rhodopseudomonas gelatinosa. В этом случае-активна ацетилированная форма фермента.
Наиболее быстрым, точным и тонким механизмом регуляции активности ферментов является регуляция, которой подвергается определенный тип ферментов, получивших название аллостерических. Эти ферменты, как правило, занимают ключевые позиции в обмене веществ, располагаясь в «стратегических» пунктах клеточного мета-болизма; — в начале метаболических путей или в местах разветвлений,, где расходятся или сходятся несколько путей. Аллостерические фер
110
сменты «чувствуют» потребность клетки в конечных продуктах данного метаболического пути, и, если продукта синтезируется, например, ^больше, чем необходимо, он обычно ингибирует активность первого фермента своего биосинтетического пути. Термин «аллостерическое ингибирование» был введен в 1961 г. Ж. Моно и Ф. Жакобом, чтобы -подчеркнуть особенность данного типа регуляции, заключающуюся в том, что ингибитор, взаимодействующий с ферментом, структурно отличается от его субстрата.
Аллостерические ферменты — белки с высокой молекулярной массой, состоящие из нескольких субъединиц одного или разного типа. В первом случае каждая субъединица содержит каталитический и регуляторный (аллостерический) центры. Во втором!—один субъединицы обладают каталитической активностью, другие выполняют регулятор-ную функцию. Таким образом, каталитический и регуляторный центры в молекуле аллостерического фермента пространственно разобщены, но функционально они тесно взаимосвязаны. Каталитическая активность аллостерического фермента меняется в результате связывания ••с его регуляторным центром определенных метаболитов, называемых эффекторами, реже модуляторами, или модификаторами. Кроме конечных продуктов данного пути, эффекторами могут быть субстраты -ферментов, а также некоторые конечные продукты родственных метаболических путей. Если действие эффектора приводит к понижению каталитической активности фермента, такой эффектор называется отрицательным, или ингибитором. Положительным называют эффектор, .действие которого повышает каталитическую активность фермента. !Положительным эффектором, или активатором, чаще всего бывает ^субстрат данного регуляторного фермента.
Вещества, действующие на аллостерические ферменты в качестве эффекторов, по своим химическим свойствам часто совершенно не «сходны с субстратами, продуктами или кофакторами регулируемых ими ферментативных реакций. Однако на поверхности аллостерических ^ферментов имеются участки, обладающие сродством к эффекторам: это аллостерические центры. Вероятно, вначале эти белки выполняли только каталитическую функцию. Способность подвергаться регуляции возникла позднее. Нетрудно представить, что это свойство намного [увеличило эффективность функционирования таких ферментов.
