Регуляція метаболічних процесів

РЕГУЛЮВАННЯ МЕТАБОЛІЧНИХ ПРОЦЕСІВ

Жива клітина - це відкрита система, яка постійно обмінюється з зовнішнім середовищем речовинами і енергією. У клітку надходять поживні речовини, які використовуються в якості будівельного і енергетичного матеріалу, з клітки виводяться кінцеві продукти метаболізму.

У клітці постійно відбувається велика кількість різноманітних хімічних реакцій, які формують метаболічні шляхи - послідовність перетворення одних сполук в інші. Метаболізм - сукупність всіх метаболічних шляхів, що протікають в організмі.

Виділяють - катаболізм (розпад складних речовин до простих з вивільненням енергії) і анаболізм (синтез складніших речовин з простих речовин).

Всі шляхи узгоджені між собою в часі і просторі. Ця узгодженість протікання метаболічних процесів забезпечується складними механізмами регуляції.

Організація хімічних реакцій в метаболічні шляхи

Оптимальна активність ферментів, що регулюють реакції метаболічного шляху, досягається завдяки певній організації в клітці.

Просторова локалізація ферментів

Більшість ферментів локалізовано всередині клітини, причому ферменти одного метаболічного шляху знаходяться в одному відділі клітини. Поділ метаболічних шляхів важливо для протилежно спрямованих процесів. Наприклад, синтез жирних кислот відбувається в цитоплазмі, а їх розпад в мітохондріях. Якби такого поділу не існувало, то виникали б безглузді з фізіологічної точки зору шляху.

У метаболічних шляхах продукт першої реакції служить субстратом другий і так далі до формування кінцевого продукту. Проміжні продукти одного шляху можуть вивільнятися з послідовних реакцій і використовуватися в інших метаболічних шляхах, тобто всі метаболічні шляхи пов'язані між собою.

Просторова організація ферментів може бути настільки виражена, що продукт реакції не може бути вичленований із метаболічного шляху і обов'язково служить субстратом наступної реакції.

Така організація метаболічного шляху називається Мультиферментний комплексом. Ці комплекси пов'язані з мембранами. Приклад такого комплексу - піруватдегідрогеназний комплекс, під дією якого відбувається окисне декарбоксилювання піровиноградної кислоти.

Структура метаболічних шляхів

Метаболічні шляхи поділяються на 4 типи. Якщо субстрат перетворюється в один продукт, то такий шлях називається лінійним (гліколіз). Найчастіше зустрічаються розгалужені шляхи - коли синтезуються різні продукти залежно від потреби клітини (синтез нуклеотидів). Також існують циклічний (цикл трикарбонових кислот) і спіральний (β-окислення жирних кислот) метаболічні шляхи.

Ферменти знаходяться у всіх клітинах організму. В процесі диференціювання клітин змінюється і їх ферментний склад. Наприклад, фермент аргінази, що бере участь в синтезі сечовини, знаходиться в клітинах печінки. Це так званий органоспецифичность фермент.

Функціонування клітини забезпечується просторової і тимчасової регуляцією метаболічних шляхів. Просторова регуляція пов'язана з локалізацією певних ферментів в різних органелах. В ядрі знаходяться ферменти, пов'язані з синтезом ДНК і РНК, в цитоплазмі - ферменти гліколізу, в лізосомах - гідролітичні ферменти, в мітохондріях - ферменти циклу трикарбонових кислот і ланцюга перенесення електронів.

Принципи регуляції метаболічних шляхів

Всі хімічні реакції в клітині протікають за участю ферментів. Щоб впливати на швидкість протікання метаболічного шляху, досить регулювати кількість або активність ферментів. У кожному метаболічному шляху є ключові ферменти, які регулюють швидкість всього шляху. Ці ферменти називаються регуляторними.

Регуляція швидкості ферментативних реакцій здійснюється на 3 рівнях:

Зміна кількості молекул ферменту

Доступність субстрату і коферменту

Зміна каталітичної активності ферменту

Регуляція кількості молекул ферменту в клітині

У клітці постійно відбувається синтез і розпад білкової молекули ферменту

Регуляція синтезу ферменту може відбуватися на будь-якій стадії формування білкової молекули. Найбільш вивчена регуляція синтезу білкової молекули на рівні транскрипції, яка здійснюється гормонами і біологічно активними молекулами. Розпад ферментів менш вивчений.

Регуляція швидкості ферментативної реакції доступністю субстрату і коферменту

Головним і необхідним параметром, регулюючим швидкість метаболічного шляху, є наявність першого субстрату. Чим вище його концентрація, тим вище швидкість метаболічного шляху.

Іншим параметром є наявність регенерованих коферментів. У реакціях дегідрування коферментом дегідрогеназ служать окислені форми НАД +, ФАД, ФМН, які відновлюються в ході реакції. Щоб коферменти знову брали участь в реакції, необхідно, що вони знову перетворилися в окислених форму.

Регуляція каталітичної активності ферменту

Регуляція за допомогою білок-білкових взаємодій

Регуляція шляхомфосфорилювання / дефосфорилирования ферменту

Ферменти, що мають такий механізм регуляції є, як правило, олігомерними білками. Вони складаються з декількох (не менше 2 х) субодиниць, мають активний і аллостерічеський центри, які знаходяться на різних субодиниць. Приєднання ефектора (клітинного метаболіти) в аллостерічеський центр викликає кооперативні конформаційні зміни всіх протомеров.

Якщо в аллостеріческому центрі зв'язується ефектор (активатор), підвищується зв'язування субстрату в активному центрі та зростає швидкість реакції, яку каталізує цей фермент. Конформаційні перебудови в активному центрі ферменту підвищують або знижують його спорідненість до субстрату.

При збільшенні в клітині концентрації активатора зростає швидкість його зв'язування в аллостеріческому центрі. Змінюється конформація регуляторної субодиниці ферменту, відбуваються кооперативні конформаційні зміни в ферменті, змінюється конформація активного центру ферменту, підвищується спорідненість ферменту до субстрату і швидкість ферментативної реакції. При зниженні концентрації аллостеріческого активатора знижується швидкість зв'язування регуляторного лиганда в аллостеріческому центрі. Змінюється конформація регуляторної субодиниці, відбуваються кооперативні конформаційні зміни в ферменті, змінюється конформація активного центру, знижується спорідненість до субстрату і знижується швидкість реакції.

Якщо ж ефектором є інгібітор, то спорідненість ферменту до субстрату і швидкість перетворення його в продукт знижуються.

Аллостерічеськіє ферменти регулюють швидкість метаболічних шляхів, які представляють собою послідовність взаємопов'язаних реакцій, каталізуються різними ферментами

Речовина S перетворюється в продукт Р в результаті 4 послідовних ферментативних реакцій. Продукт однієї реакції служить субстратом наступної.

Аллостерічеськіє ферменти каталізують:

Необоротні або частково оборотні реакції

Найповільніші, ключові реакції

Реакції в місцях розгалуження метаболічного шляху