Механизмы регулирования функциональной активности ферментов и ферментных систем в клетке

Биомембраны не только представляют собой места локализа­ции многих важнейших ферментов и ферментных систем клет­ки, но и принимают непосредственное участие в их осуществле­нии и регулировании.

1. Трансмембранные ферменты, катализирующие сопряжен­ные реакции на противоположных сторонах мембраны. Они име­ют несколько активных центров, сопряжение между которыми осуществляется с помощью потока электронов, генерирующих трансмембранный электрический потенциал. К ним относятся фотосинтетические реакционные центры растений и бактерий, цитохром С-оксидаза митохондрий, рецепторы, обладающие про- теинкиназной активностью.

2. Трансмембранные ферменты, участвующие в транспорте ве­ществ. Это транспортные АТФазы, охарактеризованные в главе 1.

3. Белки, являющиеся компонентами электронтранспортных цепей. Наиболее типичные ферменты этого класса — компонен­ты дыхательной цепи митохондрий, ферменты системы элект­ронного транспорта микросом, элементы фотосинтетической элек- тронтранспортной цепи в тилакоидах (в частности, различные цитохромы). Остается открытым вопрос об образовании устой­чивых комплексов ферментов названных структур и длительно­сти их жизни.

4. Ферменты, способные использовать мембраносвязанные суб­страты. Это ферменты, участвующие в метаболизме компонентов мембран: фосфолипидов, гликолипидов, стероидов; в процессин­ге мембранных и секреторных белков; их примером являются различные фосфолипазы.

5. Ферменты, использующие водорастворимые субстраты. Так, ацетилхолинэстераза, катализирующая гидролиз ацетилхолина, фиксируется, по-видимому, в постсинапгической мембране с по­мощью ковалентной сшивки с фосфатидилинозитольным глико­липидом.

6. Ферменты, способные образовывать мембраносвязанный комплекс. Мембрана при этом служит своеобразным организу­ющим каркасом, с которым связываются периферические фер­менты с образованием мультиферментного комплекса.

7. Ферменты, совершающие челночные перемещения между цитозолем и мембраной, активность которых модулируется пу­тем связывания с мембраной. Такие ферменты способны взаимо­действовать либо с поверхностью фосфолипидного бислоя, либо со специфическими белковыми рецепторами. К ним следует от­нести пируватоксидазу из Е. соїі, протеинкиназу С, некоторые ферменты каскада свертывания крови.

В целом механизмы регулирования функциональной актив­ности ферментов и ферментных систем клетки подразделяют на две группы (Б. И. Курганов, 1986): регуляторные механизмы, направленные на поддержание концентраций ключевых метабо­литов на постоянном уровне (механизмы поддержания клеточ­ного гомеостаза), и регуляторные механизмы “слежения” (“мо­ниторинга”) за сигналами, поступающими от нервной, гормональ­ной и иммунной систем, реализующиеся с участием вторичных посредников (рис. 19). Механизмы поддержания гомеостаза и “сле­жения” за состоянием биосистем реализуются на различных уров­нях их организации. В частности, механизмы “слежения” зани­мают более высокое положение в иерархической системе уров­ней контроля клеточного метаболизма по сравнению с механиз­мами поддержания гомеостаза.

Для низкомолекулярных катализаторов основными механизма­ми контроля являются механизмы изостерияесісой регуляции, реа­лизующиеся в результате прямого воздействия модификатора. При переходе к высокомолекулярным катализаторам возможность осу­ществления изостерических механизмов сохраняется. Однако в дей­ствии модификаторов изостерического типа (например, конкурент-

Рис. 19. Схема механизмов регулирования активности ферментов и ферментных систем в клетке

ных ингибиторов) появляется аллостерическая составляющая в том случае, если фермент олигомерный и имеет несколько активных центров. Модификатор, связывающийся в районе активного цент­ра, действует как модификатор изостерического типа на уровне субъединицы и при этом может по аллостерическому механизму влиять на функционирование активных центров, локализованных на других субъединицах фермента (т.е.

Механизм аллостерического регулирования процесса функ­ционирования ферментов обеспечивается узнаванием и связыва­нием метаболита-регулятора в аллостерическом центре. В ре­зультате происходит изменение конформационного состояния и каталитических свойств активного центра белковой молекулы. Конечный этап заключается в воздействии по принципу обрат­ной связи на источник возникновения регулирующего сигнала: изменение скорости образования продуктов ферментативной ре­акции, поступающих в цепь последовательных метаболических реакций, приводит к изменению функционирования фермента, продуцирующего метаболит-регулятор.

Адсорбционный механизм регулирования активности фермен­тов и ферментных комплексов реализуется при соблюдении сле­дующих условий:

— существует обратимое равновесие между свободной фор­мой фермента и адсорбированным ферментом;

— каталитические характеристики фермента изменяются при его адсорбции;

— обратимое равновесие между свободной и связанной фор­мами фермента является чувствительным к воздействию кле­точных метаболитов.

Физиологическая важность обратимого связывания фермен­тов субклеточными структурами рассматривается в следующих аспектах:

— адсорбция ферментов может приводить к изменению их каталитических и регуляторных свойств и, следовательно, явля­ется фактором, регулирующим активность ферментов;

— адсорбция ферментов может обеспечивать компартмента- лизацию метаболитов у поверхности, на которой адсорбированы эти ферменты;

— адсорбированные ферменты способны образовывать упо­рядоченные мультиферментные структуры (метаболоны), благо­даря чему появляется возможность регулировать метаболичес­кий процесс как единое целое;

— ферменты, адсорбированные на белковых порах мембран, могут участвовать в активном транспорте метаболитов через мем­брану;

— адсорбированные ферменты более стабильны, чем свобод­ные ферменты. Таким образом, адсорбция может служить фак­тором, снижающим скорость деградации ферментов в клетке.

Рассмотрим адсорбционный механизм регулирования функ­циональной активности ферментов важнейших метаболических путей более подробно, так как он реализуется с участием различ­ных мембранных структур клетки.

2.3.2.