ЗАГАЛЬНА МІКРОБІОЛОГІЯ - Т.П. Пирог - 2004

20. РЕГУЛЯЦІЯ МЕТАБОЛІЗМУ

20.4. МЕХАНІЗМИ РЕГУЛЯЦІЇ АКТИВНОСТІ ФЕРМЕНТІВ

20.4.1. Алостерична регуляція

З розглянутого в підрозділі 20.2 процесу ретроінгібування видно, що інгібітори за своєю хімічною природою здебільшого суттєво відрізняються від субстратів відповідних ферментів. Так, карбамоїлфосфат і аспартат, субстрати аспартаткарбамоїлтрансферази, дуже відрізняються від інгібітори цього ферменту — ЦТФ. Тому малоймовірно, що ЦТФ конкурує з субстратами аспартаткарбамоїлтрансферази за активний центр ферменту. Фермент повинен містити спеціальні ділянки для зв’язування інгібіторів. Ж. Моно, Ж.П. Шалге та Ф. Жакоб ввели термія “алостеричні центри” для позначення таких ділянок ферментів. Сполуки, які зв’язуються з цими центрами і змінюють активність ферментів, називаються алостеричними ефекторами, а ферменти, активність яких ці ефектори контролюють, — алостеричними ферментами.

Алостеричні ферменти являють собою олігомери, що складаються з двох, чотирьох, шести чи більше різних субодиниць. Однією з найхарактерніших особливостей алостеричних ферментів є їх незничайні кінетичні характеристики. Для алостеричних ферментів графік залежності швидкості реакції від концентрації субстрату являє собою сигмоїдну криву, а не гіперболу, як для простих ферментів.

Сигмоїдна залежність швидкості ферментативної реакції від концентрації субстрату пояснюється кооперативною взаємодією субстрате і (або) ефекторів з ферментом. За зв’язування негативного ефектора з алостеричним центром ферменту його конформація змінюється так, що зменшується спорідненість активного центру ферменту з субстратом (фермент стає каталітично неактивним). У разі позитивного ефектора конформація ферменту змінюється таким чином, що спорідненість активного центру ферменту з субстратом підвищується (фермент стає каталітично активним).

Алостерична регуляція центральних метаболічних шляхів. Основне призначення катаболічних і центральних метаболічних шляхів — забезпечити клітину енергією та вихідним матеріалом для біосинтезу молекул. Тому цілком закономірно, що для регуляції метаболізму використовуються кінцеві продукти енергетичного обміну та сполуки, які відіграють роль попередників у різних процесах біосинтезу. У таблиці наведені деякі клостеричні ферменти, що каталізують реакції центральних метаболічних шляхів у E. coli, а також їх активатори та інгібітори. Так, збільшення концентрації НАДН у клітинах свідчить про насичення дихального ланцюга відновлювальними еквівалентами і можливості зниження швидкості реакцій циклу трикарбонових кислот. Тому цитратсинтаза і малатдегідрогеном, а також піруватдегідрогеназа інгібуються НАДН .Фосфоенолпіруваткарбоксилаза — один з анаплеротичннх ферментів, що забезпечує клітину С4-дикарбоновими кислотами під час росту на вуглеводах, інгібується аспартатом і малатом. Високий вміст цих кислот свідчить про те, що немає потреби в синтезі С4 -дикарбонових кислот. З другого боку, ацетил-КоА є активатором цього ферменту.

Алостеричні ферменти центральних метаболічних шляхів у Emcherichia colі

Фермент

Інгібітор

Активатор

АДФ-глюкозопірофосфорилаза

АМФ

Гліцеральдегід-3-фосфат, фруктозо-1,6-дифосфат, фосфоенолпіруват

Фруктозодифосфатаза

АМФ

-

Фосфофруктокіназа

Фосфоенолпіруват

АДФ, ГДФ

Піруваткіназа

-

Фруктозо-1,6-дифосфат

Піруватдегідрогеназа

НАДН, ацетил-КоА

Фосфоеналпіруват, АМФ. ГДФ

Фосфоенолпіруваткарбоксилаза

Аспартат, малат

Ацетил-КоА, фруктозо-1,6-дифосфат, ЦТФ

цитратсинтаза

НАДН, 2-оксоглутатарат

 

Малатдегідрогеназа

НАДН

 

Фруктозо-1,6-дифосфат є стратегічно важливим продуктом, на рідні якого перетинаються шляхи гліколізу та синтезу глікогену. З підвищенням концентрації АМФ відбувається інгібування АДФ глюкозо-пірофосфорилази та фруктозодифосфатази — двох ферментів, які беруть участь у синтезі глікогену. Підвищення концентрації фруктозо-1,6-дифосфату позитивно позначається на перебігу гліколізу, оскільки і піруваткіназа, і фосфоенолпіруеаткарбоксилаза активуються фруктозо-1,6-дифосфатом. Якщо немає потреби в подальшому збільшенні гліколітичної активності, ФЕП інгібує фосфофруктокіназу, що сприяє утворенню глікогену.

Енергетичний заряд клітини. Слід зазначити, що аденіннуклеотиди належать до числа важливих ефекторів. АМФ, як і АДФ, утворюється з АТФ у багатьох реакціях. Будь-яке збільшення концентрації цих аденілатів приводить до стимуляції синтезу АТФ. У результаті регуляції процесів синтезу та розпаду АТФ у клітинах живих організмів підтримується стаціонарний енергетичний стан. Згідно а Д. Аткінсоном, цей енергетичний статус може бути охарактеризований за допомогою енергетичного заряду (ЕЗ), який визначається так:

Для систем, що містять тільки АТФ, енергетичний заряд дорівнює 1, а якщо тільки АМФ, — 0. Вимірювання показали, що енергетичний заряд клітин, які ростуть, дорівнює 0,8. Клітини E. соlі гинуть, якщо енергетичний заряд стає меншим за 0,6.

Результати досліджень дають змогу вважати, що алостеричні ферменти активуються або інгібуються тим чи іншим аденілатом і що саме це забезпечує узгоджену регуляцію всього метаболізму клітини. Якщо, наприклад, енергетичний заряд клітини збільшується, то активність катаболічних ферментів знижується, а активність ферментів, які беруть участь у процесах синтезу, збільшується. При зниженні енергетичного заряду спостерігається зворотна картина.