Регуляция метаболизма

Для обеспечения высокой экономичности биохимических процессов в клетке в процессе эволюции образовалось множество эффективных механизмов регуляции метаболизма. Это прежде всего касается ферментных белков, их синтеза и функционирования.

Выделяют следующие виды внутриклеточной регуляции:

1) регуляция метаболитами: при постоянном количестве ферментов и соотношении их активностей изменяется концентрация промежуточных продуктов метаболизма, что определяет тот или иной путь обмена, например, регуляцию дыхания.

2) ферментная регуляция: осуществляется путем изменения активности ферментов без изменения их количеств, при этом на молекулы ферментов действуют регулирующие факторы. Каталитическая активность может увеличиваться под влиянием положительного эффектора – активатора или уменьшаться под действием отрицательного эффектора – ингибитора. Ферменты, занимающие ключевые позиции в биосинтезе, в большинстве случаев являются регуляторными. У регуляторных ферментов кроме каталитических центров, предназначенных для связывания субстрата, есть аллостерические центры – места связывания активаторов и ингибиторов. Если конечный продукт того или иного метаболического пути начинает накапливаться в клетке в количествах, превышающих ее потребности, он может действовать как аллостерический ингибитор, что приводит к ингибированию активного фермента. В результате уменьшается или даже приостанавливается дальнейшее образование самого конечного продукта (ингибирование конечным продуктом или ретроингибирование). Механизм аллостерического ингибирования состоит в том, что конечный продукт связывается с регуляторным (аллостерическим) центром фермента. В результате происходит изменение структуры белка. Оно передается активному центру, влияя, таким образом, на каталитическую активность фермента.

3) генная регуляция: происходит изменение количества ферментов, при этом регулирующие факторы влияют на биосинтез или распад ферментов. В клетках микроорганизмов многие ферменты синтезируются непрерывно вне зависимости от субстрата – конститутивные ферменты (участвуют в обменных процессах). Другие ферменты образуются только в присутствии определенных веществ – индукторов. Примером индуцебельных ферментов являются гидролазы, амилазы, целлюлазы. Образование ферментов, участвующих в биосинтезе, регулируется посредством репрессии. Индуктор взаимодействует в клетке с репрессором, инактивирует его, в результате включается генетический аппарат клетки и начинается синтез фермента. Процесс подавления синтеза фермента называется репрессией. В зависимости от природы репрессора выделяют два типа репрессии:

- репрессия конечным продуктом биосинтеза: ферменты определенного биосинтетического пути не синтезируются, если его конечный продукт присутствует в среде;

- катаболитная репрессия: если в питательной среде присутствуют два вещества, микроорганизм в большинстве случаев использует то, которое обеспечивает более быстрый рост, при этом образование ферментов, расщепляющих второе вещество, репрессируется.

Репрессия и индукция являются специфическими механизмами регуляции синтеза ферментов. Они имеют молекулярную основу и связаны с генетическим аппаратом клетки. Регуляция осуществляется на ДНК, на уровне транскрипции и образования мРНК.

Синтез всех ферментов кодируется набором рядом расположенных функционально взаимосвязанных генов – опероном. Все гены оперона индуцируются или репрессируются одновременно одним и тем же субстратом. Согласно модели французских ученых Жакоба и Моно, предложенной для объяснения механизма регуляции синтеза ферментов, в состав оперона входят два типа генов: структурные (управляют синтезом определенных ферментов) и регуляторные (управляют работой первых). Также имеется ген-оператор, который запускает работу структурных генов. Ген-оператор через ген-регулятор связан с белком-репрессором. Репрессор имеет два активных центра: один обладает сродством к гену-оператору и в свободном состоянии прочно связывается с ним, другой – к индуктору. Когда нет индуктора, оператор закрыт репрессором и фермент не образуется.

Перечисленные выше механизмы регуляции метаболизма в клетке действуют взаимосвязано и дополняют друг друга. Регуляторные механизмы обеспечивают координацию метаболических процессов, предотвращают избыточное образование ферментов, а также промежуточных и конечных продуктов, позволяют клетке экономно и целенаправленно использовать питательные вещества.