Регулфяция метаболизма - Ньюсхолм Э.
Скачать (прямая ссылка):
г) Стационарное состояние и метаболическая регуляция
В последовательностях реакций, составляющих метаболический путь, суммарная потеря энергии в виде тепла могла бы быть равномерно распределена между всеми индивидуальными реакциями так, что все эти реакции были бы несколько смещены от положения равновесия. Такая ситуация представляется вполне вероятной для любого неравновесного пути. Существует некоторая аналогия с речным потоком, в котором потенциальная энергия воды теряется непрерывно и равномерно вдоль русла реки. Аналогия между стационарным состоянием реки и метаболического пути иллюстрируется на рис. 2.
Для того чтобы контролировать скорость потока воды в реке, следует построить плотины в различных ее участках. Плотина образует водный резервуар, и вытекание воды из такого резервуара можно контролировать, изменяя уровень ворот шлюза. Например, когда ворота опущены, потенциальная энергия воды за плотиной повышается и водный поток устремляется вниз с более высокой скоростью. В последовательности реакций, составляющих метаболический путь, некоторые из реакций могут быть смещены далеко от состояния равновесия, большинство же реакций при этом могут быть
Рис. 2. Поддержание стационарного состояния.
Более высокий по сравнению с уровнем моря уровень воды в резервуаре обеспечивает водой реку, которая соединяет резервуар с морем. Разница уровней воды в резервуаре н море определяет потенциальную энергию водного потока. Эта разница поддерживается за счет испарения морской воды, образования облаков и выпадения осадков над поверхностью резервуара. Поддержание такого стационарного состояния обеспечивается за счет энергии солнечных лучей. Аналогичным способом обеспечивается поддержание стационарного окисления углеводов в живых организмах. Энергия химических связей углеводов высвобождается в процессе их окисления, а фотосинтезирующие организмы ресннтезируют углеводы из С02 и HsO с использованием энергии
солнечных лучей.
Рис. 3. Простая энергетическая диаграмма метаболических путей.
1 — путь находится в равновесии и не происходит потери энергии: вся высвобождаемая в этом пути химическая энергия запасается в высокоэнергетических фосфатных
связях.
2—путь является неравновесным, и потеря энергии осуществляется на двух отдельных этапах. Часть энергия запасается в высокоэнергетическнх фосфатных связях.
3 — путь является неравновесным, и потеря энергии осуществляется на протяжении всего пути. Часть энергии запасается в высокоэнергетических фосфатных связях. 4—-вся доступная химическая энергия пути теряется в виде тепла иа всем протяжении пути.
близки к равновесию (рис. 3). (Следует подчеркнуть, что реакция не может быть в равновесии, если через нее происходит поток вещества, однако она может быть очень близка к положению равновесия.) Такая ситуация возникает не спонтанно. Неравновесные реакции функционируют подобно плотине, ограничивая поток в некоторых участках пути [10]. Следовательно, они играют роль потенциальных пунктов контроля.
В. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ПОДХОДЫ
В ИЗУЧЕНИИ МЕТАБОЛИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
В силу сложности метаболических процессов трудно представить, каким образом удастся когда-нибудь раскрыть механизмы регуляции ферментативной активности. Тем не менее за последние десять лет были сделаны большие успехй в изучении механизмов регуляции метаболизма у высших животных, что было обусловлено развитием более совершенных методов исследования и экспериментальных подходов. Последние основаны на понимании теоретических аспектов энергетики и динамики метаболических путей и представляют собой логический метод исследования регуляции, когда детали биохимии и физиологии пути уже ясны. Описанный ниже подход не исчерпывает всех аспектов регуляции активности ферментов, но представляет собой достаточно широкую основу для рассмотрения регуляции метаболических путей.
Основные принципы, которые детально обсуждались в обзорной статье Ньюсхолма и Джеверса [11], сводятся к следующему:
а. Ферменты, которые играют специфическую роль в регуляции метаболического пути, идентифицируются с помощью определенных критериев.
б. Свойства таких регуляторных ферментов детально исследуются in vitro.
в. На основании этих свойств формулируется теория метаболического контроля.
г. Теория и вытекающие из нее предсказания подвергаются проверке.
Сформулированная s итоге теория модифицируется, расширяется или опровергается соответственно.
Хотя взаимосвязь между пунктами б, в иг при исследовании различных ферментов варьирует, идентификация регуляторного фермента исследуемого пути:—пункт а—при изучении любых метаболических путей является общим этапом, который ставит несколько общих проблем [12].
1. ИДЕНТИФИКАЦИЯ НЕРАВНОВЕСНЫХ РЕАКЦИЙ
Одна из первоочередных проблем метаболического контроля состоит в том, чтобы понять, каким образом могут быть идентифицированы регуляторные ферменты, если исследуемый метаболический путь представляет собой последовательность большого числа промежуточных реакций (например, гликолиз, включающий по крайней мере 1*1 реакций, ведущих к превращению глюкозы в пируват). Рассмотренные выше теоретические принципы были указаны для того, чтобы дать общую информацию для этого экспериментального подхода. Первый этап сводится к классификации промежуточных реакций как близких к равновесию (равновесных) или удаленных далеко от состояния равновесия (неравновесных). Два основных экспериментальных подхода, используемых для идентификации неравновесных реакций, состоят в сравнении величин констант равновесия и отношений действующих масс и измерении максимальных активностей ферментов.
