Получение мутантов, устойчивых к аналогам метаболитов, часто используют в селекции продуцентов аминокислот, нуклеотидов и витаминов.

В некоторых случаях связывание определенных соединений с аллостерическим центром приводит не к подавлению активности фермента, а к ее увеличению. Например, активность аспартаттранскарбамоилазы (АТКазы), которая катализирует первую реакцию биосинтеза пиримидинов, подавляется одним из конечных продуктов этого биосинтетического пути — цитидинтрифосфатом (ЦТФ) и активируется аденозинтрифосфатом (АТФ). Это, кстати, обеспечивает координацию синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов.

Для общего обозначения регуляторных молекул, которые ингибируют или активируют аллостерические ферменты, используют термин аллостерические эффекторы. Поскольку аллостерические эффекторы не должны обладать структурным сходством с субстратом фермента, метаболиты, образуемые в одном пути биосинтеза, могут запускать или тормозить биосинтез различных неродственных метаболитов. Тем самым обеспечивается координация различных метаболических процессов.

Итак, при аллостерической регуляции активность фермента изменяется в результате конформационных изменений его структуры, индуцированных присоединением небольшой молекулы эффектора. Этот переход аллостерического фермента из одного состояния в другое не сопровождается образованием ковалентной химической связи. В последние годы стало известно о важной роли еще одного способа регуляции метаболизма: изменения активности ферментов в результате ковалентной модификации их структуры. В некоторых случаях активная и неактивная формы фермента различаются числом содержащихся в них аминокислотных остатков. Переход из одной формы в другую осуществляется в результате ограниченного протеолиза. Это высокоспецифический необратимый процесс, который может инициировать физиологическую функцию путем превращения белка-предшественника в его активную форму. С другой стороны, ограниченный протеолиз может служить механизмом, обеспечивающим прекращение какой-либо биологической активности.

Активные и неактивные формы фермента могут различаться также наличием или отсутствием каких-либо химических групп, ковалентно связанных с белком. Взаимный переход фермента из одной формы в другую достигается путем фосфорилирования — дефосфорилирования (ферменты метаболизма гликогена эукариотических клеток), аденилирования—деаденилирования (глутаминсинтетаза Е. coli), ацетилирования — деацетилирования (цитратлиаза Rhodopseudomonas). Обычно ферменты, ката-лизируюшие ковалентную модификацию, сами аллостерически регулируются поэтому ковалентную модификацию можно рассматривать как одно из проявлений аллостерической регуляции.

Индукция и репрессия синтеза ферментов

Некоторые ферменты образуются постоянно и независимо от состава питательной среды. Примером таких конститутивных ферментов являются ферменты гликолиза, превращающие глюкозу в пируват.

Другие ферменты, адаптивные, или индуцибельные, образуются только тогда, когда их субстраты (или структурные аналоги субстратов) присутствуют в среде. Так, клетки Е. coll, растущие на среде с глюкозой, содержат только следовые количества ферментов метаболизма лактозы и многих других субстратов, которые они способны усваивать. Однако если те же клетки перенести в среду, содержащую в качестве единственного источника углерода лактозу, то уже через 1—2 мин можно зафиксировать повышение активности β-галактозидазы. Этот фермент гидролизует лактозу на D-галактозу и D-глюкозу. В течение последующего непродолжительного промежутка времени активность β-галактозидазы увеличивается в 1000 раз по сравнению с исходным уровнем.

Индукция фермента — это относительное увеличение скорости синтеза фермента в ответ на появление химического соединения — индуктора.

Аналоги субстратов часто являются превосходными индукторами, не будучи субстратами для индуцируемых ферментов. С другой стороны, некоторые субстраты не могут быть индукторами; иногда индуктором является продукт реакции, катализируемой индуцируемым ферментом. В частности, лактоза, прежде чем выступить в роли индуктора, сначала должна превратиться под действием β-галактозидазы в свой изомер — аллолактозу.

В 1953 г. впервые было обнаружено, что образование трипто-фансинтетазы, которая катализирует последний этап биосинтеза триптофана, специфически подавляется, если бактерии получают экзогенный триптофан. В последующие годы были получены многочисленные данные, свидетельствующие о том, что добавление в ростовую среду соединения, которое является конечным продуктом какого-либо биосинтетического пути, наряду с подавлением активности первого фермента этого пути вызывает замедление или остановку синтеза всех ферментов соответствующего пути. Это явление, прямо противоположное индукции, называется репрессией ферментов или, точнее, координированной репрессией ферментов. Ферменты, синтез которых подавляется конечным продуктом, могут быть дерепрессированы, т. е. скорость их синтеза может быть увеличена, если внутриклеточная концентрация конечного продукта падает до очень низкого уровня.

Механизмы индукции и репрессии предохраняют клетку от напрасной траты аминокислот и энергии на образование ненужных в данных условиях ферментов, однако, когда появляется необходимость, эти ферменты могут быстро синтезироваться.

С помощью репрессии регулируется синтез аминокислот,- пуринов, пиримидинов, витаминов и других первичных метаболитов. Следовательно, регуляция биосинтетических путей по принципу обратной связи осуществляется двумя способами: с помощью ретроингибирования и репрессии.

Ретроингибирование, следовательно, можно рассматривать как способ быстрого и тонкого регулирования биосинтеза малых молекул, тогда как репрессия осуществляет более медленное и грубое регулирование, главным образом с целью экономии синтеза белка. Оба эти механизма при совместном действии дополняют друг друга, обеспечивая максимальную экономию всех клеточных ресурсов.

Дата добавления: 2015-07-07