Ферментативная регуляция

Изостерическая регуляция активности ферментов осу­ществляется на уровне их каталитических центров. Реакцион­ная способность и направленность работы каталитического центра прежде всего зависят от количества субстрата (закон действия масс). Интенсивность работы фермента определяется также наличием коферментов (для двухкомпонентных энзи­мов), кофакторов (специфически действующих катионов) и активаторов или ингибиторов, действующих на уровне каталити­ческого центра. Активность тех или других ферментов может быть связана с конкуренцией за общие субстраты и коферменты, что является одним из способов взаимодействия различных метаболических циклов.

Некоторые ферменты, кроме каталитических (изостерических) центров, имеют также аллостерические, т.е. располо­женные в других местах рецепторйые участки, которые служат для связывания аллостерических эффекторов (регуляторов). В качестве эффекторов могут выступать определенные мета­болиты, гормоны или даже молекулы субстрата. В результате присоединения положительно или отрицательно действующего эффектора к аллостерическому центру происходит изменение всей структуры фермента (конформация), что приводит соот­ветственно к активации или торможению функциональной активности каталитического центра.

Важным способом регуляции ферментативной активности является перевод неактивной в активную форму. Это достигается разрушением некоторых ковалентных связей с помощью протеаз, восстанов­лением дисульфидных групп, фосфорилированием протеинкиназами за счет АТР или ассоциацией неактивных субъединиц. Потенциально активные ферменты могут не функционировать из-за их компартментации, например, в лизосомах, причем освобождению лизосомных гидролаз способствуют кислые значения рН, свободнорадикальное окисление мембранных липидов и некоторые жирорастворимые витамины и стероиды. Инактивация ферментов осуществляется путем их связывания специфическими ингибиторами белковой природы, а также разрушения протеиназами.

Генетическая регуляция включает в себя регуляцию на уровне" транскрипции, процессинга и трансляции.

Информация в клетках передается благодаря синтезу РНК на матрице ДНК (транскрипция) и синтезу специализиро­ванных белков. В ходе и после транскрипции или трансляции происходит модификация биополимеров (процессинг), транспортирующихся в места назначения. Специализиро­ванные белковые молекулы в соответствии со своей «структурной» информацией, выполняющие различные функции: каталитические (ферменты), двигательные (сократительные бел­ки), транспортные (насосы и переносчики), рецепторные и др.

Для извлечения в нужный момент необходимой инфор­мации из структур хромосом в клетке существует сложная система регуляции, Для начала транскрипции (инициации транскрипции) нужно активировать акцепторные зоны регуляторных генов. После того, как все участки акцепторной зоны активируются соответствующими эффекторами (фитогормонами и др.) происходит транскрипция. Например, транскрипция рибосомальных генов начинается с З'-конца ДНК. Структурные гены, кодирующие 18S, 5,8 S и 25 S рРНК, разделены спейсерами (прокладками). В гене 25S рРНК наряду с кодирующими участками (экзонами) могут существовать некодирующие участки (интроны). Блоки структурных генов рРНК в ядрышковой ДНК, следуя друг за другом (тандемно), многократно повторяются. Зрелые РНК образуются в ходе процессинга про-рРНК вследствие ее фрагментации и удаления участков, соответ­ствующих спейсерам, а также благодаря сплайсингу, т. е. выре­занию интрона и объединению кодирующих участков РНК. Существует несколько гипотез, объясняющих механизмы постранскрипционной регуляции экспрессии генов мРНК. Согласно гипотезе Э. Дэвидсона и Р. Бриттена (1973, 1979), в ядерной ДНК наряду со структурными генами, коди­рующими синтез различных мРНК, присутствуют интегри­рующие регуляторные гены, содержащие многочисленные повторы. Если в нуклеоплазме в большом количестве появляются транскрипты с определенных регуляторных генов (регуляторные транскрипты), то образуются комплементарные ассоциаты с соответствующими про-мРНК. В результате эти про-мРНК подвергаются быстрому процессингу, и активированные таким образом мРНК начинают функционировать. При этом резко возрастает скорость их считывания с соответствующих структурных генов.

Механизмы трансляции гораздо сложнее процессов транс­крипции. В то время как транскрипцию обеспечивают десятки белков, для осуществления синтезд полипептида необходимы сотни специализированных белков. Только в рибосомах эукариот их 70—100, причем малая и большая рРНК выполняют роль каркаса, на котором осуществляется самосборка этих белков. Интенсивность и направленность трансляции зависят от:

1) концентрации информационных матриц, т. е. специфических мРНК, уровень которых определяется их синтезом, транспор­том, хранением, активацией и распадом; 2) присутствия всех компонентов аппарата трансляции (рибосом, тРНК, амино- 2 2 кислот, ATP, GTP, синтетаз, регуляторных белков); 3) физико-химических условий (рН, ионов). Изменение этих параметров – тоже регуляция.

Мембранная регуляция осуществляется благодаря сдвигам в мембранном транспорте, связыванию или освобождению регуляция ферментов и регуляторных белков и путем изменения активности мембранных ферментов. Все рассмотренные функции мембран — транспортная, осмотическая, энергетическая и др. — одновременно являются и различными сторонами механизма регуляции внутриклеточного обмена веществ. Причем особое значение во всех этих механизмах имеет система мембранных хемо-, фото- и механорецепторов, позволяющих клетке оценивать качественные и количествен­ные изменения во внешней и внутренней среде и в соот­ветствии с этим изменять свойства мембран.

Контактная регуляция активности ферментов имеет место, в частности, в цистернах ЭР и в АГ, где идет достройка и модификация секретируемых белков. Связывание мембранами или освобождение ферментов, как уже отмечалось, также меняет их активность.

Дистанционная мембранная регуляция актив­ности внутриклеточных ферментов осуществляется путем доставки субстратов и коферментов, удаления, продуктов реакции, ионных и кислотно-щелочных сдвигов в компартментах, фосфорилированием ферментов и другими способами. Сдвиги в концентрации кальция выполняют в растительных клетках регуляторную роль. Ионы Са²⁺, взаимодействуя с регуляторным белком кальмдулином, активируют протеинкиназы, фосфорилирующие раз­личные белки, что приводит к изменению их функциональной активности. Са²⁺ специфически необходим для регуляции и таких процессов, как движение цитоплазмы, митоз, секреция.

Мембранная регуляция генной активности на уровне репликации, транскрипции, процессинга и трансля­ции также осуществляется - контактным и дистанционным способами. Причем с появлением у эукариот ядерной оболочки значение мембранной регуляции возросло. На возможность контактной регуляции указывают многочисленные связи хромо­сом эукариот с внутренней мембраной ядер, которые, по- видимому, принимают участие в пространственной организации хромосомного аппарата в нуклеоплазме. Примером контактной регуляции в цитоплазме может служить шероховатый ретикулум, на поверхности мембран которого расположены рибо­сомы.

Поиск по сайту: