РЕГУЛЯЦИЯ МЕТАБОЛИЧЕСКИХ ПУТЕЙ

Топик к лекции
РЕГУЛЯЦИЯ МЕТАБОЛИЧЕСКИХ ПУТЕЙ
Регуляция по типу обратной связи
В реальности организм человека существует, постоянно подвергаясь
воздействию самых разнообразных и изменчивых внешних факторов. Они
могут меняться во времени как закономерным, так и случайным образом.
Главный механизм клетки организма как самоорганизующейся системы,
способствует поддержанию определенных величин в физиологически
допустимых границах под воздействием внешних факторов. Само свойство
клетки поддерживать постоянство внутренней среды на генетически
заданном уровне называется гомеостазом. Гомеостаз реализуется за счет
использования механизма обратной связи.
Когда происходит изменение в переменных, наблюдаются два
основных типа обратной связи:
Положительная обратная связь
Тип обратной связи, при котором изменение выходного сигнала
системы приводит к такому изменению входного сигнала, которое
способствует
дальнейшему
отклонению
выходного
сигнала
от
первоначального значения.
Положительная
обратная
связь
наблюдается,
когда
метаболит-
предшественник активирует стадию, контролирующую его дальнейшее
превращение. Она оказывает дестабилизирующий эффект, поэтому не
приводит к гомеостазу. Положительная обратная связь реже встречается в
естественных системах, но также имеет своё применение.
Например, в
нервах пороговый электрический потенциал вызывает генерацию намного
большего потенциала действия.
Отрицательная обратная связь
Тип обратной связи, при котором входной сигнал системы изменяется
таким образом, чтобы противодействовать изменению выходного сигнала.
Отрицательная обратная связь в живых системах
ООС используется живыми системами разных уровней организации:
Отрицательная обратная связь широко используется живыми системами
разных уровней организации — от клетки до экосистем — для поддержания
гомеостаза. Например, в клетках на принципе отрицательной обратной связи
основаны многие механизмы регуляции работы генов (см. лактозный
оперон), а также регуляция работы ферментов (ингибирование конечным
продуктом метаболического пути). В организме на этом же принципе
основана система гипоталамо-гипофизарной регуляции функций, а также
многие
механизмы
параметры
нервной
гомеостаза
регуляции,
(терморегуляция,
поддерживающие
отдельные
поддержание
постоянной
концентрации диоксида углерода и глюкозы в крови и др.). В популяциях
отрицательные обратные связи (например, обратная зависимость между
плотностью популяции и плодовитостью особей) обеспечивают гомеостаз
численности.
Регуляция трансляции по типу обратной связи – репрессия синтеза
фермента треонил- т РНК-синтетазы бактерии
Типичный механизм трансляционной репрессии состоит в том, что
специальный белок, называемый репрессором, специфически связывается с
участком мРНК, перекрывающимся, как правило, с участком связывания
рибосомной
связываемый
частицы
при
инициации
белок-репрессор
мешает
трансляции.
связываться
Таким
образом,
инициирующей
рибосомной частице и тем самым либо уменьшает скорость инициации,
либо полностью блокирует её.
Часто в месте связывания белка-репрессора имеется не очень
стабильная двуспиральная структура – шпилька, которая легко расплетается
инициирующей
рибосомой.
Белок-репрессор
стабилизирует
шпильку,
превращая её в плохо преодолимый барьер для инициирующей рибосомы.
В научной
литературе описано много случаев, когда репрессором
является сам белок, кодируемый данной мРНК. Другими словами, мРНК
репрессируется своим же продуктом. В результате получается регуляция по
типу обратной связи: производство избыточного количества белка на данной
мРНК приводит к связыванию этого белка с инициаторным участком своей
мРНК и, таким образом, к репрессии собственного синтеза. Пример
регуляции трансляции по типу обратной связи – репрессия синтеза
фермента треонил- т РНК-синтетазы бактерии избыточным количеством
этого фермента, связывающегося с инициаторным участком своей мРНК.
http://window.edu.ru/window_catalog/files/r20542/0005_002.pdf
Регуляция синтеза холестерина
Рис. 2. Центральный фрагмент генной сети биосинтеза холестерина в клетке
(регуляция по механизму отрицательной обратной связи)
http://www.bionet.nsc.ru/chair/cib/cib.php?f=ib&p=ib16
Ключевую роль в функционировании генных сетей, обеспечивающих
гомеостаз, играют регуляторные контуры с отрицательными обратными
связями,
поддерживающие
контролируемый
параметр
X
вблизи
определенного уровня X0 (рис. 8 г) На рисунке показан центральный
фрагмент генной сети, обеспечивающей биосинтез холестерина и
постоянство его концентрации в клетках. Обозначения таковы.
9 Центральный круг - ядро,
9 периферия - цитоплазма,
9 внешняя полоса - мембрана клетки;
9 гены - прямоугольники,
9 белки - круги,
9 метаболиты - синие квадраты;
9 реакции и регуляторные события - стрелки.
Путь биосинтеза холестерина из ацетил-коэнзима А контролируется по
механизму отрицательной обратной связи. Центральный регулятор генов,
кодирующих ферменты этого пути, транскрипционный фактор SREBP,
активирующий транскрипцию кассеты этих генов и тем самым усиливающий
продукцию холестерола. Фактор SREBP образуется из предшественника
preSREBP под действием стерол-зависимой протеазы. При повышении уровня
холестерола активность протеазы подавляется, что снижает скорость
образования фактора SREBP и его концентрацию. Тем самым снижается
активность генов, кодирующих ферменты этого пути, и уровень холестерола
нормализуется. Так работает отрицательная обратная связь, контролирующая
концентрацию холестерина. Всего эта генная сеть включает несколько сотен
генов.
Аллостерическая регуляция
Во многих строго биосинтетических реакциях основным типом
регуляции скорости многоступенчатого ферментативного процесса является
ингибирование по принципу обратной связи.
Это означает, что конечный продукт биосинтетической цепи
подавляет активность фермента, катализирующего первую стадию
синтеза, которая является ключевой для данной цепи реакции.
Поскольку конечный продукт структурно отличается от субстрата, он
связывается с аллостерическим (некаталитическим) центром молекулы
фермента, вызывая ингибирование всей цепи синтетической реакции.
Предположим, что в клетках осуществляется многоступенчатый
биосинтетический
процесс,
собственным ферментом:
каждая
стадия
которого
катализируется
Скорость подобной суммарной последовательности реакций в значительной
степени определяется концентрацией конечного продукта Р, накопление
которого выше допустимого уровня оказывает мощное ингибирующее
действие на первую стадию процесса и соответственно на фермент E1.
Впервые существование подобного механизма контроля активности
ферментов метаболитами было обнаружено у Е.coli при исследовании
синтеза изолейцина и ЦТФ. Оказалось, что изолейцин, являющийся
конечным продуктом синтеза, избирательно подавляет активность треониндегидратазы, катализирующей первую стадию последовательного процесса
превращения треонина в изолейцин, насчитывающего пять ферментативных
реакций:
Аналогично ЦТФ как конечный продукт биосинтетического пути
оказывает
ингибирующий
эффект
на
первый
фермент
(аспартаткарбамоилтрансферазу), регулируя тем самым свой собственный
синтез. Этот тип ингибирования получил название ингибирования по
принципу обратной связи, или ретроингибирования. Существование его
доказано во всех живых организмах. В настоящее время он рассматривается
как один из ведущих типов регуляции активности ферментов и клеточного
метаболизма в целом.
Рис. 4. Взаимодействие аллостерического фермента с субстратом и
эффекторами (схема).
а - активный комплекс; б - неактивный комплекс; 1 - активный центр; 2 аллостерический центр; 3 - субстрат; 4 - положительный эффектор; 5 отрицательный эффектор
Подобные типы ингибирования конечным продуктом и активирования
первым
продуктом
свойственны
аллостерическим
(регуляторным)
ферментам, когда эффектор, модулятор, структурно отличаясь от субстрата,
связывается в особом (аллостерическом) центре молекулы фермента,
пространственно удаленном от активного центра. Следует, однако, иметь в
виду, что модуляторами аллостерических ферментов могут быть как
активаторы, так и ингибиторы. Часто оказывается, что сам субстрат
оказывает активирующий эффект. Ферменты, для которых и субстрат, и
модулятор
представлены
идентичными
структурами,
носят
название
гомотропных в отличие от гетеротропных ферментов, для которых
модулятор имеет отличную от субстрата структуру. Взаимопревращение
активного и неактивного аллостерических ферментов в упрощенной форме, а
также конформационные изменения, наблюдаемые при присоединении
субстрата
и
отрицательного
эффекторов,
эффектора
представлены
к
на
рис.
аллостерическому
4.
Присоединение
центру
вызывает
значительные
изменения
конфигурации
активного
центра
молекулы
фермента, в результате чего фермент теряет сродство к своему субстрату
(образование неактивного комплекса).
Аллостерические взаимодействия проявляются в характере кривых
зависимости начальной скорости реакции от концентрации субстрата или
эффектора, в частности в S-образности этих кривых (отклонение от
гиперболической
кривой
Михаэлиса-Ментен).
S-образный
характер
зависимости v от [ S ] в присутствии модулятора обусловлен эффектом
кооперативности. Это означает, что связывание одной молекулы субстрата
облегчает связывание второй молекулы в активном центре, способствуя тем
самым увеличению скорости реакции. Кроме того, для аллостерических
регуляторных ферментов характерна нелинейная зависимость скорости
реакции от концентрации субстрата.
Для разветвленных путей биосинтеза
Рис 5. Схема регуляции разветвленных биосинтетических путей:I —
регуляция первого фермента несколькими конечными продуктами; II —
регуляция конечными продуктами изоферментов. Стрелками обозначены
ферменты: параллельными стрелками — изоферменты; жирными стрелками
—
ингибирование
конечными
продуктами
первого
фермента
или
изоферментов. А — исходный субстрат; Б — промежуточный метаболит; В,
Г, Д — конечные продукты
http://evolution.powernet.ru/library/micro/08.html
Для разветвленных путей биосинтеза (а к таким относится большинство
биосинтетических путей) механизмы регуляции усложняются, так как от
активности первого фермента зависит биосинтез нескольких конечных
продуктов. Очевидно следующее: механизмы регулирования в этом случае
должны быть видоизменены таким образом, чтобы перепроизводство одного
конечного продукта не приводило к прекращению синтеза других связанных
с ним конечных продуктов. Выработалось несколько механизмов контроля
по
принципу
обратной
связи
применительно
к
разветвленным
биосинтетическим путям. Они садятся к тому, что в этом случае в
регулировании принимают участие нее конечные продукты этих путей. Если
первый этап биосинтетического пути катализируется одним ферментом, на
поверхности молекулы этого фермента имеются различные регуляторные
центры, с каждым из которых связывается один из конечных продуктов,
выполняющих функцию эффектора (рис. 5, I). Некоторые аллостерические
ферменты
существуют
в
виде
нескольких
молекулярных
форм
(изоферментов). Изоферменты катализируют одну и ту же реакцию, но
обладают разными регуляторными свойствами. Это связано с тем, что
изоферменты
имеют
одинаковые
каталитические,
но
разные
регуляторныецентры. Каждый изофермент кодируется отдельным геном.
Существование изоферментов позволяет конечным продуктам независимо
друг от друга ингибировать активность определенного изофермента, так как
каждый изофермент индивидуально контролируется "своим" конечным
продуктом (рис. 5, II).
Регуляция гормональной системы'
В системе гормональной регуляции постоянный уровень, в
частности, кортикостероидов поддерживается благодаря такому
механизму. Гипофиз отслеживает концентрацию данных гормонов
в
крови
и
при
адренкортикотропный
образование
уменьшении
гормон
кортикостероидов
надпочечников,
повышенном
ее
концентрация
уровне
прекращение выработки АКТГ.
(АКТГ).
АКТГ
в
корковом
гормонов
гормонов,
выделяет
в
кровь
стимулирует
веществе
увеличивается.
наоборот,
идет
сигнал
При
на