ранспорту субстратов).

2. Взаимодействие с продуктами и другими эффекторами, отличными от субстратов. Ферменты, активность которых регулируется по этому механизму, должны иметь различающиеся по природе активные центры: каталитический (для взаимодействия с субстратом) и регуляторный (для взаимодействия с эффектором). Эти центры обычно размещены на разных субъединицах фермента (или в общем случае — аллостерического белка), причем связывание эффектора с регуляторным центром влияет на конформацию каталитического центра и изменяет сродство к субстрату» которое, как правило, снижается (гетеротропная кооперативность). При этом возможны разные обстоятельства:

а) в анаболических (конструктивных) процессах конечный продукт метаболического пути, накапливаясь выше определенного уровня, подавляет свой биосинтез, ингибируя активность первого (или одного из первых) фермента данного пути («ретро-ингибирование» или feed-back inhibition) (рис. 36а);

б) в катаболических (энергетических) путях метаболизма отрицательными эффекторами часто служат соединения, являющиеся аккумуляторами энергии (АТР, ФЕП и т.д.), а другие компоненты аденилатной системы (ADP, AMP) могут выступать в качестве положительных эффекторов (рис. 366). Таким образом, активность данных ферментов зависит от «энергетического заряда» клетки;

в) амфиболические ферменты (участвующие как в конструктивных, так и в энергетических процессах) могут регулироваться с помощью обоих механизмов (рис. 36в);

г) в разветвленных биосинтетических путях подавление одним из конечных продуктов активности фермента, катализирующего начальные этапы процесса, приводило бы к дефициту других продуктов данного пути. Поэтому необходима особая организация регулятор ных процессов. Существуют две основные возможности.

96

Треонин

Треониндепицмтжм

а-оксобутират

нзолейцин

Ингкбнроынне

а)

Спшулиромике

Фруктозо-6-фосфат + АТР

Фосфофруктоюююа

Л

Фруктозо-1,6-дифосфат + ADP -ФЕП

Интбмромюк

Цитрат

6)

Стикулнроиние Иипсбироышк Изо цитратдс пироге ксн

^ Изоцитрат s »"^ч'* 2-Оксоглутарат / Л Л

Глутамат

V

NADH

АТР-»- ADP

Стнмулиромюк

В)

Эритрозо-4-фосфат + ФЕП

Ингибнромкне

Г)

3 - Дезокси-7-фосфоарабнногептулосонат

I

Тирозин

Триптофан

Фенил аланнн

Рис. 36. Регуляция изолейцином своего биосинтеза по механизму отрицательной обратной связи (а), гликолитического пути отрицательными и положительными эффекторами (б), амфиболического фермента, иэоцитратдегидрогеназы, по типу анаболических ферментов (глутаматом) и катаболических ферментов ADP (в) и разветвленного пути по механизму раздельного ингибирования изоферментов (альдолаз) каждым из конечных продуктов (г)

97

Во-первых, образование изоферментов («изозимов»), катализирующих начальную стадию пути, активность каждого из которых избирательно подавляется только одним из конечных продуктов. Примером может служить биосинтез ароматических аминокислот у Escherichia coli, в котором конечные продукты — тирозин, триптофан и фенилаланин — подавляют каждый активность одной из альдолаз, катализирующих первую реакцию пути (рис. Збг). Во-вторых, использование ферментов, имеющих несколько взаимодействующих регуляторных центров, каждый из которых специфичен только для одного из эффекторов. По отдельности они не оказывают существенного влияния на активность фермента, а при их совместном действии активность подавляется. Это так называемое согласованное, или мультивалентное ингибирование. Например, активность аспартаткиназы у Escherichia coli подавляется только сочетанием лизина, метионина и лейцина (изолейцина). Для глутаминсинтетазы обнаружено восемь кумулятивных эффекторов: аланин, глицин, гйстидин, триптофан, ЦТР, AMP, кар-бамоилфосфат, глюкозамин-6-фосфат.

13.3. Регуляция активности белковых посредников путем

пространственного разобщения и взаимодействия с мембранами

Механизмы первого типа (так называемая компартментация) более распространены у эукариот (см. гл. 2) в связи с локализацией ферментов в субклеточных органеллах: митохондриях, лизосомах и т.д. Однако и в клетках прокариот возможны определенные виды компартментации:

а) часть ферментного аппарата прокариот локализована в пе-риплазматическом пространстве (между цитоплазматической мембраной и клеточной стенкой) (см. гл. 1). Таким образом, создается возможность регуляции активности ферментов путем управления скоростью проникновения в «отсек» субстратов или выхода из него продуктов;

б) ферменты, катализирующие серию последовательных реакций, могут формировать «ансамбль», локализованный либо в цитоплазме (дегидрогеназы сс-кетокислот), либо в цитоплазматической мембране (ферменты дыхательной и фотосинтетической цепей). Продукты, образуемые на предыдущей стадии, «подхватываются» последующим ферментом без освобождения в среду. Для регуляторного действия конечного продукта доступен только последний фермент, но он может передавать эффект на предыдущие ферменты за счет кооперативных взаимодействий (в диссо-

98

циированном состоянии эти ферменты оказываются нечувствительными к эффектору). Существует представление о «метабол о-не», т.е. комплексе ферментов, закрепленных на «подложке» (например, на структурном белке). Каталитические свойства в этом случае проявляются внутри ансамбля, а подложка реагирует на регуляторное действие эффекторов. Например, ни один из ферментов может не реагировать на данный эффектор, но в ансамбле, за счет конформационньгх изменений подложки, они становятся к нему чувствительными.

Важную роль в регуляции активности ферментов может играть их взаимодействие с мембранами. В мембранно-связанном состоянии физико-химические свойства ферментов (например, окислительно-восстановительный потенциал, чувствительность к катионам и др.) изменяются. Это явление называется аллотопия. Гидрофобные взаимодействия мембранных липидов и белков могут переводить последние в неактивное (латентное) состояние, а электростатические взаимодействия, напротив, вызывать активацию белков. В свою очередь, сила электростатического взаимодействия липидов и белков зависит от внутриклеточной концентрации электролитов, а следовательно, от состава среды, окружающей клетку, и от физиологического статуса последней. Таким образом, для регуляции ферментов по этому механизму существуют широкие возможности, хотя конкретные механизмы в силу трудно преодолимых методических препятствий пока изучены мало.

Суммируем рассмотренные регуляторные механизмы (табл. 8).

Таблица 8. Основные способы регуляции процессов метаболизма и природа эффекторов

Тип процесса Биосинтез белков Активность белков Индукция Репрессия Катаб. репрессия Аттеню-ация Гомотроп. кооперат. Гетеротр. кооперат.

Энергетический Да, субстрат, аналог (+) Нет Да, более выгодн. субстрат Нет Да, субстраты (+), (-) Да, АТР (-) AMP, ADP <+)

Конструктивный Нет Да, конечные продукты (-) Нет Да,конечные продукты (-) Нет Да, конечные продукты (-)

Амфибо-лический Иногда Иногда Иногда Иногда