Специфические механизмы регуляции активности ферментов у микроорганизмов. Регуляция путей биосинтеза и промежуточного обмена

Регуляция анаболических путей метаболизма микробной клетки осуществляется аллостерически по механизму гетеротропной кооперативности. Мишенью ингибирования конечным продуктом (или продуктами) того или иного биосинтетического пути является фермент, осуществляющий первую реакцию данного пути. В этом случае ни конечный продукт ни интермедиаты, участвующие в его образовании, не могут накапливаться в клетке. Если это избыточное образование и накопление происходит, то в результате торможения первого фермента деятельность всей цепи замедляется.

При посредстве такой регуляции скорость образования метаболических интермедиатов влияет на скорость функционирования катаболических путей. Благодаря этому контролируется первичная скорость поступления углерода во все биосинтетические последовательности реакций и общая скорость синтеза АТФ. Ферменты, играющие роль в конструктивном и энергетическом метаболизме (амфиболические ферменты), могут регулироваться одновременно с помощью гомотропропной и гетеротропной кооперативности.

Аллостерическая регуляция - один из типов регуляции активности фермента. Этот тип регуляции представляет собой эффект, наблюдаемый в тех случаях, когда небольшие молекулы (эффекторы), связываясь с ферментом не в области активного центра, изменяют скорость реакции. Подобная регуляция может быть гомотропной, когда молекула субстрата, взаимодействуя с ферментом, изменяет его сродство к молекулам того же субстрата, и гетеротропной, когда сродство к субстрату изменяется при взаимодействии фермента с молекулой, не похожей на молекулы субстрата. Гомотропные и гетеротропные эффекторы могут быть активаторами или ингибиторами.

Аллостерический активатор, действующий на фермент, описываемый симметричной моделью, будет связываться предпочтительно с R -конформером, стабилизируя это состояние. В результате активатор будет увеличивать начальную концентрацию R -конформеров по сравнению с концентрацией T -конформеров и, следовательно, увеличивать сродство фермента к своему субстрату (положительная кооперативность).

Аллостерический ингибитор, наоборот, предпочтительно связывает и стабилизирует фермент, находящийся в T -состоянии, вызывая таким образом уменьшение сродства фермента к своему субстрату (отрицательная кооперативность).

В целом роль аллостерических эффекторов заключается в том, чтобы либо расширить (в случае ингибитора), либо сузить (в случае активатора) диапазон концентраций субстрата, в котором фермент способен увеличивать скорость реакции.

Кроме того, отрицательное воздействие конечных продуктов может сочетаться с активацией фермента субстратом или его предшественником. Например, активность НАД⁺-зависимой изоцитратдегидрогеназы у Е. coli стимулируется АДФ и цитратом, но подавляется а-кетоглутаратом и глутаматом.

В разветвленных метаболических путях подавление активности фермента, катализирующего начальные стадии процесса, одним из конечных продуктов приводило бы к дефициту остальных конечных продуктов. Для особой организации регуляторных механизмов в таких путях существуют две основные возможности:

первая - образование нескольких аналогичных ферментов, катализирующих одну и ту же стадию процесса, но регулируемых избирательно только одним из конечных продуктов (изоферменты);

Примером такой реакции может служить синтез 2-ацетиллактат. Эта реакция, с одной стороны, участвует в анаэробном сбраживании глюкозы с образованием ацетоина (катаболизм); с другой стороны, с нее начинается путь синтеза валина (анаболизм). Таким образом, 2-ацетиллактат является общим промежуточным продуктом разветвленной цепи реакций.

Клетки могут синтезировать два изофункциональных фермента. Один из них образуется только в том случае, если во время брожения снизилось значение рН и конечным продуктом является нейтральный ацетоин. Другой фермент синтезируется в нейтральной и слабощелочной среде; он имеет высокий оптимум рН и подвержен аллостерическому подавлению валином.

Как видно из этого примера, взаимовлияние двух путей обмена может исключаться в результате образования изоферментов (изоэнзимов), активность одного из которых обычно строго регулируется, тогда как другой не подвергается регуляции того же типа.

вторая - наличие в молекуле фермента пространственно обособленных, но взаимодействующих центров связывания каждого из эффекторов, в результате чего последние не оказывают порознь существенного влияния на активность фермента, а при совместном присутствии подавляют эту активность (согласованное, или мультивалентное ингибирование). Например,активность аспартаткиназы Е. coli подавляется лизином только в сочетании с метионином, лейцином или изолейцином.

В разветвленных биосинтетических путях существует несколько типоврегуляции для ферментов, функционирующих на расходящихся или параллельных путях метаболизма.

Например, имеется какая-то гипотетическая последовательность реакций, в которой А превращается в Е, G и Н, то первый этап, А à В, будет подавляться и в случае накопления лишь одного конечного продукта (например Н).

Однако это вызывает также снижение синтеза двух других продуктов - G и Е. Подобные проблемы, возникающиепри регуляции разветвленных путей биосинтеза, разные организмы, разрешили по-разному.

1. Первый этап катализируется несколькими изоэнзимами, каждый из которых регулируется особым конечным продуктом.

2. Первый этап катализируется одним ферментом, при этом возможны разные варианты:

а) для ингибирования общего первого этапа все конечные продукты должны присутствовать в избытке;

б) каждый из конечных продуктов действует независимо от остальных (кумулятивное ингибированиё), причем общее торможение может превышать сумму отдельных эффектов (кооперативное ингибирование).

Регуляция синтеза запасных жиров. Запасные вещества накапливаются, как правило, в тех случаях, когда источники углерода и энергий имеются в избытке, но рост клеток невозможен из-за недостатка соединений азота или серы. Сигнал к образованию жиров (жирных кислот) и полисахаридов исходит главным образом от промежуточных продуктов. У дрожжей реакцией, лимитирующей скорость синтеза жирных кислот, является карбоксилирование ацетил-СоА при участии ацетил-СоА-карбоксилазы. Этот фермент занимает первое место на пути биосинтеза жирных кислот с длинной цепью. Ацетил-СоА-карбоксилаза активируется цитратом. Повышение содержания цитрата, способствуя образованию малонил-СоА, тем самым стимулирует синтез жирных кислот с длинной цепью и нейтральных жиров (триглицеридов). Роль отрицательных эффекторов играют при этом СоА-производные пальмитиновой и других жирных кислот. При накоплении СоА-производных происходит ингибирование конечным продуктом.

Регуляция синтеза запасных полисахаридов. Исходным соединением для синтеза запасных полисахаридов (гликогена и крахмала) служит глюкозо-1-фосфат. Он активируется нуклеозидтрифосфатом (NuTP), после чего глюкозильная группа переносится на полиглюкозную цепь. Регуляция у бактерий осуществляется через пирофосфорилазу. У Escherichia coli, Arthrobacter и Rhodospirillum rubrum, AМФ и AДФ действуют как ингибиторы, а предшественники (глюкозо-1-фосфат) - как стимуляторы.

Регуляция центральных метаболических путей промежуточного обмена. Основное назначение катаболических и центральных метаболических путей - обеспечить клетку энергией и исходным материалом для биосинтеза молекул. Следовательно, вполне закономерно, что для регуляции метаболизма используются конечные продукты энергетического обмена и соединения, играющие роль предшественников в различных процессах биосинтеза. В таблице перечислены некоторые аллостерические ферменты, катализирующие реакции центральных метаболических путей в Е. coli, а также их ингибиторы и активаторы.

Данная регуляция осуществляется по аллостерическому механизму с использованием конечных продуктов энергетического обмена и соединений - предшественников в различных процессах биосинтеза.

Так, увеличение концентрации НАДН₂ в клетке сигнализирует о насыщении дыхательной цепи НАДН₂ и необходимости уменьшения скорости реакций цикла трикарбоновых кислот (ингибируются цитрат-синтаза, малатдегидрогеназа и пируватдегидрогеназный комплекс). Цитрат-синтаза ингибируется a-оксоглутаратом, а пируват-дегидрогеназный комплекс - ацетил-СоА. Ферменты, которые ингибируются НАДН₂, встречаются в основном у грамотрицательных бактерий. В клетках грамположительных бактерий цитрат-синтаза (как и в клетках эукариот) ингибируется АТФ.

Фосфоенолпируват-карбоксилаза ингибируется аспартатом и малатом. Высокое содержание этих соединений служит сигналом, что нет необходимости в синтезе С₄-дикарбоновых кислот. С другой стороны, повышение концентрации ацетил-СоА указывает на недостаток С₄-дикарбоновых кислот. Таким образом, ацетил-СоА служит активатором фосфоеноллируват-карбоксилазы. Многие микроорганизмы в качестве анаплеротического фермента вместо фосфоенолпируват-карбоксилазы содержат пируваткарбоксилазу. В большинстве случаев пируваткарбоксилаза также активируется ацетил-СоА.

Фруктозо-1,6-бисфосфат - стратегически важный промежуточный продукт, на уровне которого пересекаются пути гликолиза и образования гликогена. При повышении содержания АМФ происходит ингибирование АДФ глюкозо-пирофосфорилазы и фруктозо-бисфосфатазы - двух ферментов, участвующих в синтезе гликогена. Повышение концентрации фруктозо-1,6-бисфосфата положительно сказывается на протекании гликолиза, поскольку и пируваткиназа, и фосфоенолпируват-карбоксилаза активируются фруктозо-1,6-бисфосфатом. Если нет необходимости в дальнейшем увеличении гликолитической активности клетки, фосфоенолпируват ингибирует фосфофруктокиназу, что способствует образованию гликогена.

Таким образом, в бактериальных клетках ферменты-мишени, контролирующие определенные последовательности реакций, обычно катализируют реакции, необратимые при физиологических условиях. Эти ферменты (фосфофруктокиназа, пируваткиназа и т.д.) определяют скорость всей цепи реакций; поэтому регуляция их активности оказывается очень эффективной.

Антагонистические ферменты, например фосфофруктокиназа и фруктозо-1,6-бисфосфатаэа, функционируют в клетке одновременно. Эти ферменты особенно должны находиться под строгим контролем, иначе будут происходить так называемые пустые циклы (бесполезные циклические превращения), сопровождающиеся гидролизом АТФ. Например, фруктозе-6-фосфат будет фосфорилироваться фосфофруктокиназой, а образующийся фруктозобисфосфат снова гидролизоваться фосфатазой.

Дата добавления: 2014-01-14