Активированные метаболиты

Метаболизм. Ферменты

Активированные метаболиты

Многие коферменты (см. сс. 108-111) предназначены для активации менее реакционноспособных молекул или групп. Активация заключается в образовании из соответствующей группы реакционноспособного промежуточного соединения, которое может переноситься в экзоэргической реакции на другую молекулу (см. с. 126). В качестве примера прежде всего следует упомянуть кофермент А, который связывает и тем самым активирует остатки жирных кислот благодаря образованию тиолсложноэфирной связи (см. сс. 58 и 110).

АТФ и другие нуклеозидтрифосфатные коферменты могут переносить не только фосфатные остатки, но и участвовать также в реакциях активации. Здесь рассмотрены метаболиты или группы, которые активируются при обмене веществ, связанном с нуклеозидами или нуклеотидами. В дальнейшем такая активация будет продемонстрирована на примере метаболизма сложных углеводов и липидов.

А. Активированный метаболит

1. Уридиндифосфат-глюкоза [УДФ-глюкоза (UDP-глюкоза)]

Встраивание остатков глюкозы в полимер, такой, как гликоген или крахмал, является эндоэргическим процессом. Активация глюкозы происходит в несколько стадий, при которых на один остаток глюкозы расходуются две молекулы АТФ. После фосфорилирования свободной глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфата и изомеризации в глюкозо-1-фосфат (а) по реакции с УТФ (UTP) (б) образуется УДФ-глюкоза, у которой аномерная ОН-группа при атоме С1 углевода связана с фосфатом, Эта «богатая энергией» связь (ацеталь-фосфат) делает возможным экзоэргический перенос остатков глюкозы на гликоген (в, см. сс. 122, 158) или другие акцепторы.

2. Цитидиндифосфат-холин [ЦДФ-холин (CDP-холин)]

По аналогичному принципу активируется аминоспирт холин для встраивания его в фосфолипид (см. с. 172). Холин прежде всего фосфорилируется АТФ в холинфосфат (а), который с отщеплением от ЦТФ дифосфата переходит в ЦДФ-холин. В отличие от схемы на рис. 1, из ЦДФ-холина переносится не холин, а холинфосфат, который образует с диацилглицерином фосфатидилхолин (лецитин).

3. Фосфоаденозинфосфосульфат [ФАФС (PAPS)]

Сульфат-группы в различных биомолекулах проявляют себя как сильные полярные группы, например, в глюкозаминогликанах (см. с. 336) и конъюгатах стероидных гормонов с ксенобиотиками (см. с. 308). При синтезе «активированного сульфата» (ФАФС) АТФ реагирует прежде всего с неорганическим сульфатом с образованием аденозинфосфосульфата (АФС) (а) — промежуточного соединения, содержащего уже «богатый энергией» смешанный ангидрид фосфорной и серной кислот. На втором этапе фосфорилируется 3'-ОН-группа АФС в АТФ-зависимой реакции. После переноса сульфатного остатка на ОН-группу (в) побочным продуктом является аденозин-3',5'-дифосфат.

4. S-Аденозилметионин (SAM)

В обмене веществ перенос C1-групп осуществляется прежде всего коферментом тетрагидрофолатом [ТГФ (THF)], способным связывать такие группы в различных стадиях окисления (см. срис. 111, 406). Кроме того, во многих реакциях метилирования принимает участие "активированный метил" в форме S-аденозилметионина (SAM). Так, SAM участвует в превращении норадреналина в адреналин (см. с. 342), в инактивации норадреналина (путем метилирования фенольной ОН-группы) (см. с. 308), а также в образовании активной формы цитостатика 6-меркаптопурина (см. с. 388).

SAM образуется при разрушении белка из аминокислоты метионина, на которую перекосится аденозильный остаток молекулы АТФ (см. рис. 403). После переноса активированной метильной группы побочным продуктом реакции является S-аденозилгомоцистеин, который может превращаться в две стадии в метионин. При отщеплении остатка аденозина возникает небелковая аминокислота гомоцистеин, на который с помощью N5-метил-ТГФ снова переносится метильная группа (см. с. 106). Кроме того, гомоцистеин может расходоваться также на образование пропионил-КоА (см. c. 403).

Метаболизм. Регуляция

Промежуточный метаболизм

В каждой клетке протекают сотни химических реакций, совокупность которых носит название обмен веществ (метаболизм). Участвующие в обмене веществ химические соединения называются метаболитами. Вне клетки почти все эти превращения протекали бы очень медленно и не направленно. Упорядоченные последовательности химических реакций, проходящие с высокой продуктивностью, так называемые метаболические пути, возможны только благодаря присутствию в клетке специфических ферментов (см.с. 94).

А. Промежуточный метаболизм: общие сведения

Ряд основных метаболических путей является общим для большинства клеток и организмов. Эти пути, в результате которых осуществляются синтез, разрушение и взаимопревращение наиболее важных метаболитов, а также накопление химической энергии, называются промежуточным метаболизмом. Здесь приводится сильно упрощенная схема этих процессов.

Живые клетки постоянно нуждаются в органических и неорганических веществах, а также в химической энергии, которую они получают преимущественно из АТФ (АТР) (см. ниже). По способу удовлетворении этих потребностей организмы подразделяются на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные организмы, к которым принадлежат растения и многие микроорганизмы, могут синтезировать органические молекулы из неорганических предшественников (CO2), к примеру, за счет фотосинтеза (см. с. 130).

Гетеротрофы, например животные и грибы, зависят от получения органических веществ с пищей. Так как большая часть этих питательных веществ (белки, углеводы, нуклеиновые кислоты и липиды) не могут утилизироваться непосредственно, они сначала разрушаются до более мелких фрагментов катаболическим путем (на схеме красные стрелки). Возникающие метаболиты (в совокупности их называют иногда «пулом метаболитов») затем катаболизируются с высвобождением свободной энергии или используются в анаболических путях (голубые стрелки) для синтеза более сложных молекул. Из многочисленных метаболитов здесь представлены только три наиболее важных представителя - пируват, ацетил-КоА и глицерин. Эти три соединения являются связующим звеном между метаболизмом белков, углеводов и липидов. К метаболическому пулу принадлежат также промежуточные метаболиты цитратного цикла (6). Этот циклический путь играет как катаболическую, гак и анаболическую роль, т. е. является амфиболическим (см. с. 140). Конечными продуктами разрушения органических веществ у животных являются диоксид углерода (CO2), вода (H2O) и аммиак (NH3). Аммиак превращается в мочевину и в такой форме выводится из организма (см. с. 184).

Наиболее важной формой запасания химической энергии в клетках является аденозинтрифосфат (АТФ, см. с. 124). На образование АТФ должна расходоваться энергия, т. е. реакция является эндоэргической. В то же время при расщеплении АТФ на АДФ и фосфат высвобождается свободная энергия. За счет экзоэргического гидролиза АТФ обеспечивает энергетическое сопряжение (см. с. 22) для осуществления энергозависимых (эндоэргических) процессов. Энергозависимыми являются, например, большинство анаболических путей, а также процессы движения и переноса.

Наиболее важный путь синтеза АТФ -окислительное фосфорилирование (см. с. 142). В этом процессе электроны переносятся с восстановленных коферментов, возникающих в процессах катаболизма, на атом кислорода. Такие экзоэргические процессы катаболизма косвенным образом используются для синтеза АТФ. Большинство организмов могут в анаэробных условиях, т. е. в отсутствие кислорода, получать АТФ за счет гликолиза (3). Этот менее эффективный способ синтеза АТФ называют брожением (см. с. 148).

В окислительном фосфорилировании используется только НАДН (NADH), а химически очень похожий кофермент НАДФН + Н+ (NADPH) служит восстановителем в анаболических путях. НАДФН + Н+ образуется преимущественно в гексозомонофосфатном пути (1, см. с. 154).

Метаболизм. Регуляция

Механизмы регуляции метаболических процессов

А. Основные механизмы регуляции метаболических процессов

Активность всех путей обмена веществ постоянно регулируется, что обеспечивает соответствие синтеза и деградации метаболитов физиологическим потребностям организма. В этом разделе рассматриваются механизмы такой регуляции. Более детально вопросы регуляции клеточного метаболизма представлены на сс. 118-123.

Поток метаболитов в обмене веществ определяется прежде всего активностью ферментов (см. с. 94). Для воздействия на тот или иной путь достаточно регулировать активность фермента, катализирующего наиболее медленную стадию. Такие ферменты, называемые ключевыми ферментами, имеются в большинстве метаболических путей. Активность ключевого фермента регулируется на трех независимых уровнях,

Контроль транскрипции. Контроль за биосинтезом фермента (1) осуществляется на генетическом уровне. Прежде всего речь идет о синтезе соответствующей мРНК (mRNA), а также о транскрипции кодирующего фермент гена, т.е. о регуляции транскрипции (см. с. 120, 242). В этом процессе принимают участие регуляторные белки (RP) (факторы транскрипции), действие которых направлено непосредственно на ДНК. К тому же в генах имеются специальные регуляторные участки — промоторы — и участки связывания регуляторных белков (регуляторные элементы). На эффективность действия этих белков влияют метаболиты или гормоны. Если этот механизм усиливает синтез фермента, говорят об индукции, если же снижает или подавляет — о репрессии. Процессы индукции и репрессии осуществляются лишь в определенный отрезок времени.

Взаимопревращение. Значительно быстрее, чем контроль транскрипции, действует взаимопревращение ключевых ферментов (2). В этом случае фермент присутствует в клетке в неактивной форме. При метаболической потребности по сигналу извне и при посредничестве вторичного мессенджера активирующий фермент (E1) переводит ключевой фермент в каталитически активную форму. Если потребность в этом пути обмена веществ отпадает, инактивирующий фермент (E2) снова переводит ключевой фермент в неактивную форму. Процесс взаимопревращения в большинстве случаев состоит в АТФ-зависимом фосфорилировании ферментных белков протеинкиназой и соответственно дефосфорилировании фосфатазой (см. с. 122). В большинстве случаев более активна фосфорилированная форма фермента, однако встречаются также и противоположные случаи.

Модуляция лигандами. Важным параметром, контролирующим протекание метаболического пути, является потребность в первом реагенте (здесь это метаболит А). Доступность метаболита А возрастает с повышением активности метаболического пути (3), в котором образуется А, и падает с повышением активности других путей (4), в которых А расходуется. Доступность А может быть ограничена в связи с его транспортом в другие отделы клетки.

Часто лимитирующим фактором является также доступность кофермента (5). Если кофермент регенерируется по второму независимому пути, этот путь может лимитировать скорость основной реакции. Таким образом, например, гликолиз и цитратный цикл регулируются доступностью НАД+ (см. с. 148). Так как НАД+ регенерируется в дыхательной цепи, последняя регулирует катаболизм глюкозы и жирных кислот (контроль дыхания, см. с. 146).

Наконец, активность ключевого фермента может регулироваться лигандом (субстратом, конечным продуктом реакции, коферментом, другим эффектором) как аллостерическим эффектором путем связывания его не в самом активном центре, а в другом месте фермента, и вследствие этого изменением ферментативной активности (6, см. с. 118). Ингибирование ключевого фермента часто вызывается конечными продуктами реакции соответствующей метаболической цепи (ингибирование по типу обратной связи) или метаболитом, участвующим в другом пути. Стимулировать активацию фермента может также первый реагент реакционной цепи.

Метаболизм. Регуляция

Аллостерическая регуляция

В качестве примера аллостерической регуляции в этом разделе рассмотрена регуляция аспартат-карбамоилтрансферазы (АКТ-азы) — ключевого фермента биосинтеза пиримидина (см. с. 188). Аллостерические эффекты опосредуются субстратом или ингибиторами и активаторами (аллостерическими эффекторами). Последние связываются со специфическими участками вне активного центра и приводят к конформационным изменениям белка, попутно изменяя его активность.

А. Аспартат-карбамоилтрансфераза: реакция

АКТ-аза катализирует перенос карбамоильного остатка с карбамоилфосфата на аминогруппу L-аспартата. Образующийся N-карбамоил-L-аспартат содержит уже все атомы будущего пиримидинового кольца (см. с. 188). Бактериальная АКТ-аза E. coli ингибируется цитидинтрифосфатом (ЦТФ (CTP)] — конечным продуктом анаболического пути обмена пиримидина, и активируется начальным участником — АТФ (АТР).

Б. Кинетика

В отличие от изостерических (нормальных) ферментов аллостерические ферменты, такие, как АКТ-аза, имеют сигмоидную (S-образную) кривую насыщения субстратом (ср. с гемоглобином, с. 276). В аллостерических системах сродство фермента к субстрату зависит от концентрации субстрата [А]. В этом случае вместо константы Михаэлиса Km (см. с. 98) указывают концентрацию субстрата при половине максимальном скорости ([A] 0,5). Сигмоидный характер кривой описывается коэффициентом Хилла h. Для изостерических ферментов h = 1; при росте сигмоидности возрастает h.

Аллостерические эффекторы в зависимости от природы фермента влияют на максимальную скорость реакции V, концентрацию субстрата [A] 0,5 при скорости реакции, равной половине максимальной, и коэффициент Хилла h. Если изменяется преимущественно V, говорят о «V-системе». Чаще встречаются «К-системы», в которых аллостерические эффекты отражаются только на [A] 0,5 и h.

К К-типу, наряду с гемоглобином, принадлежит и АКТ-аза. Ингибитор ЦТФ вызывает в этом случае смещение кривой вправо с возрастанием [A] 0,5 и h (кривая II). Активатор АТФ, напротив, вызывает смещение влево; он уменьшает как [A] 0,5, так и h (кривая III).

В. R- и Т-состояния

Аллостерические ферменты почти всегда являются олигомерами, состоящими из 2-12 субъединиц. АКТ-аза состоит из 6 каталитических (окрашены в голубой цвет) и 6 регуляторных (окрашены в желтый цвет) субъединиц. Последние связывают аллостерические эффекторы ЦТФ и АТФ. Как и гемоглобин, АКТ-аза может существовать в двух конформациях: менее активном Т-состоянии (от англ. tense — напряженное) и более активном R-состоянии (от англ. relaxed — расслабленное). Субстрат и эффекторы влияют на равновесие между обоими состояниями и тем самым на сигмоидность кривой. С возрастанием концентрации аспартата равновесие смещается к R-форме. АТФ стабилизирует R-состояние путем связывания с регуляторной субъединицей. Напротив, присоединение ЦТФ содействует переходу в Т-состояние. Структурные перестройки между R- и Т-состояниями особенно драматичны в случае АКТ-азы. При Т→R - переходе каталитические субъединицы удаляются друг от друга на 1,2 нм; кроме того, субъединицы поворачиваются вокруг оси симметрии. При этом сами конформации субъединиц меняются незначительно.

Г. Структура димера

Каждая из двух субъединиц АКТ-азы состоит из двух доменов, т. е., независимо построенных структурных фрагментов. N-Концевой домен регуляторной субъединицы (на схеме справа) способствует взаимодействию с ЦТФ или АТФ (зеленого цвета). Zn2+-содержащий второй домен (Zn2+ — светло-голубого цвета) контактирует со смежной каталитической субъединицей. Между обоими доменами каталитической субъединицы расположен активный центр, в котором находятся (см. схему) два аналога, субстрата (красного цвета).

Метаболизм. Регуляция

Контроль транскрипции

А. Функции регуляторных белков

Во всех клетках экспрессия генов (см. с. 234) контролируется регуляторными белками, которые связываются с определенным участком ДНК (DNA) и таким образом стимулируют пли подавляют транскрипцию гена (контроль транскрипции, см. с. 240). Действие регуляторных белков обратимо и, как правило, требует присутствия лиганда. Постоянно открывают все новые и новые регуляторные белки, в настоящее время известна, вероятно, только малая их часть. Несовершенна также их номенклатура. Как для белков, так и для участков ДНК, с которыми они связываются, используются различные наименования в зависимости от принципа действия. Регуляторный белок, который влияет на транскрипцию генов, называют фактором транскрипции. Белок, подавляющий транскрипцию, называют репрессором, а стимулирующий — индуктором. Последовательности ДНК, с которыми связываются регуляторные белки, называются регуляторными элементами. У прокариот регуляторные алименты, которые служат участками связывания РНК-полимеразы, называют промоторами, в то время как для репрессорных участков связывания употребляется название оператор. Регуляторные элементы, связывающие активирующие факторы, называют энхансерами (от англ. enhancer — усилитель), в то время как элементы, связывающие негативные (ингибирующие) факторы, — сайленсерами (от англ. silencer — успокоитель).

Многочисленные известные регуляторные белки можно разделить по механизму действия на четыре группы. Негативная генетическая регуляция, т. е. выключение соответствующих генов, может вызываться репрессорами. Некоторые репрессоры связываются с ДНК только в отсутствие специфического лиганда (1а). Комплекс репрессора с лигандом в этом случае теряет способность к связыванию и оставляет свободным участок промотора для присоединения РНК-полимеразы (1б). Часто свободный от лиганда репрессор не может связываться с ДНК, т. е. транскрипция подавляется только в присутствии лигандов (2а, 2б). Аналогично при позитивной генетической регуляции можно различать два случая. Если связывается только свободный индуктор, транскрипция подавляется соответствующими лигандами (3). Напротив, многие индукторы становятся активными только после образования комплекса с лигандом (4). К этой группе принадлежат, например, стероидные гормоны (см. с. 366).

Б. Лактозный оперон

В качестве примера приведен лактозный оперон бактерии Е. coli (участок ДНК), который подвержен одновременно негативному и позитивному контролю. Оперон содержит структурные гены трех ферментов, которые необходимы для утилизации лактозы, и регуляторные элементы для управления транскрипцией оперона.

Так как лактоза превращается в клетке в глюкозу, экспрессия генов лактозного оперона не имеет смысла, когда глюкоза присутствует в клетке. Действительно гены транскрибируются только в отсутствие глюкозы и в присутствии лактозы (3). Регуляция достигается благодаря взаимодействию двух регуляторных белков. В отсутствие лактозы lac-penpeccop блокирует участок промотора (2). При наличии лактозы она превращается в изомерную аллолактозу, которая связывается с белком-репрессором и тем самым вызывает диссоциацию репрессора и оператора (3). Тем не менее этого недостаточно для транскрипции структурных генов. Для связывания РНК-полимеразы необходим индуктор, белок-активатор катаболитных оперонов (САР от англ. catabolite activator protein), который связывается с ДНК только в комплексе с цАМФ (cAMP). Сигнал голодания возникает только в отсутствие глюкозы.

Взаимодействие комплекса САР-цАМФ с ДНК представлено на рис. 4. Каждая субъединица димерного индуктора (желтого и оранжевого цвета соответственно) связывает молекулу цАМФ (красного цвета). Контакт с ДНК (голубого цвета) опосредуется двумя спиральными участками полипептидной цепи, специфически взаимодействующими с большой бороздкой на ДНК.

Дата добавления: 2015-08-29