Регулфяция метаболизма - Ньюсхолм Э.
Скачать (прямая ссылка):
в. Соединение А образуется в неравновесной реакции (S—^А), которая регулируется таким образом, что концентрация А остается постоянной.
В этом гипотетическом пути соединения X и Y являются кофакторами для реакции А=ё*=В, и, следовательно, общая концентрация кофакторов (X+Y) остается постоянной. Если концентрация X увеличивается, а концентрация Y соответственно уменьшается, то это должно привести к уменьшению концентрации А и увеличению концентрации В (это следует из того, что фермент катализует близкую к равновесию реакцию между всеми компонентами таким образом, что значение К' = = [В] [Y]/[X] [А]). Однако концентрация А поддерживается постоянной за счет реакции S—>А, и, следовательно, скорость прямой реакции А+Х—»-B-f-Y увеличится (из-за увеличения концентрации X), так что концентрация В будет оставаться увеличенной. Это приведет к ускорению превращения В в С и т. д., и скорость всего метаболического пути (от А до Р) будет увеличена. Очевидно, весь метаболический путь является неравновесным из-за реакций S—*-А и Р—ИР', которые играют важную роль в регуляции потока вещества. Тем не менее реакция, ответственная за изменение концентраций регулятора (X и Y), является почти равновесной.
Одним из примеров такого типа равновесного контроля может служить система транспорта электронов и окислительного фосфорилирования в митохондриях. Накапливается все больше и больше данных, свидетельствующих о том, что реакции, протекающие на участке дыхательной цепи между пири-диннуклеотидами и цитохромом с, легко обратимы и, следо-
вательно, по крайней мере в определенных условиях эти реакции должны быть близки к равновесию [17]. Так, гидролиз АТФ в первом пункте сопряжения может быть использован для восстановления НАД+ восстановленным флавопротеидом,
Любой процесс, ведущий к повышению скорости утилизации АТФ, будет привадить к увеличению концентрации АДФ и Фн и к уменьшению концентрации АТФ. Эти изменения концентрации адениннуклеотидов и Фн в результате близкой к равновесию реакции в первом пункте сопряжения будут приводить к уменьшению концентрации НАД-Н и увеличению концентрации ФПВОсст- Последний может стимулировать поток электронов в направлении второго пункта сопряжения и, таким образом, приведет к увеличению потока электронов от НАД-Н к цитохромам. Запас НАД>Н для цепи транспорта электронов обеспечивается за счет функционирования цикла трикарбоновых кислот, который, следовательно, можно рассматривать как аналог реакции S—»-А в описанной выше ги-. потетической схеме. Увеличение скорости утилизации АТФ может специфически стимулировать цикл трикарбоновых кислот, который является неравновесным процессом. В результате по мере увеличения скорости окисления НАД-Н будет увеличиваться скорость восстановления НАД+ до НАД-Н. Таким образом, .несмотря на увеличение потока через метаболический путь, отношение НАД+/НАД-Н останется неизменным.
Поскольку транспорт электронов на уровне второго пункта сопряжения является, как установлено, процессом обратимым, вполне вероятно, что эта реакция близка к равновесию. Следовательно, регуляция потока через эту реакцию может осуществляться также изменением концентраций АТФ, АДФ и Фн. До настоящего времени не была продемонстрирована обратимость транспорта электронов в терминальном участке дыхательной цепи (на уровне третьего пункта сопряжения); постулировано, однако, что и эта реакция является близкой к равновесию [18]. Если все три этапа транспорта электронов, на которых происходит фосфорилирование АДФ, близки к равновесию, это должно обеспечить слаженный механизм регуляции электронтранспортной цепи за счет изменения концентраций АТФ, АДФ и Фн.
Однако, чтобы обеспечить необходимый уровень потока электронов и реальный синтез (т. е. накопление) АТФ, про-
Фн + АДФ АТФ
лесс транспорта электронов (и, следовательно, процесс окислительного фосфорилирования) в целом должен быть неравновесным. Такой неравновесный характер процесса может обеспечиваться поступлением НАД-Н (например, из цикла трикарбоновых кислот), а также за счет терминальной неравновесной реакции в дыхательной цепи — либо фосфори-лирование в третьем пункте сопряжения, либо собственно терминальная стадия переноса электронов (например, цито-хромоксидазная реакция). В последнем случае все три реакции фосфорилирования могут быть близки к равновесию. Какова бы ни была природа последней неравновесной реакции, она должна отвечать условиям реакции Р—*Р' в гипотетическом пути А—нР.
Существуют другие примеры равновесной регуляции, которые исследовались не столь интенсивно, как неравновесные регуляторные системы. В общем равновесный контроль должен играть вспомогательную по отношению к неравновесному контролю роль, т. е. после того, как некий специфический сигнал, действующий по механизму обратной связи, привел к увеличению скорости неравновесной реакции, «поведение» остальной части метаболического пути будет определяться функционированием механизмов равновесного контроля.
Преимущество равновесного контроля состоит в том, что ^близкие к равновесию реакции могут обеспечивать почти 100%-ную эффективность переноса энергии. В случае фосфо-рилировання в дыхательной цепи это означает, что большая часть высвобождаемой в процессе транспорта электронов энергии может быть запасена в форме энергии химической связи молекулы АТФ. Очевидно, суммарный процесс транспорта электронов не может достигать 100%-ной эффективности, так как он должен быть неравновесным. Однако то обстоятельство, что все пункты дыхательной цепи, в которых происходит фосфорилирование, могут быть близки к равновесию, имеет, вероятно, значение для эффективности переноса энергии. Так как в электронтранспортной цепи существуют три пункта фосфорилирования, неравновесный контроль каждого -из этих пунктов должен привести к значительной потере энергии. Если эти три реакции фосфорилирования близки к равновесию, то потеря энергии может происходить только на уровне .неравновесных реакций в начале и конце элёктронтранспорт-«ой цепи (возможно, на уровне генерации НАД-Н и в цито-хромоксидазной реакции). Таким образом, если электрон-транспортная цепь в целом поддерживается далеко от состояния равновесия (за счет начальной и терминальной реакций), то равновесный контроль трех пунктов фосфорилирования может вызвать меньшие потери энергии, чём неравновесный кон-
