Ферменты - это белки, каждый из которых способен избирательно катализировать определенную биохимическую реакцию. Каталитическая активность ферментов обусловлена особенностями их структуры, которая определяется преимущественно порядком размещения различных остатков аминокислот в молекуле. работа фермента начинается с создания фермент-субстратного комплекса, является нестабильным и после осуществления реакции распадается на фермент и продукт реакции. С субстратом связывается не весь фермент, а лишь его определенный участок - активный центр, образованный остатками аминокислот, расположенных в пространстве определенным образом. Некоторые из ферментов имеют также регуляторный центр - участок, к которому может присоединяться определенное вещество. После ее присоединения изменяется конформация всей молекулы и размещения реакционных групп в активном центре, изменяет интенсивность его работы.

 

работа ферментов происходит упорядоченно, сериями этапов, называемые метаболическими путями. Поэтому химические процессы в живых организмах протекают с удивительной эффективностью. Во-первых, ненужных продуктов реакций накапливается очень мало, поскольку каждый продукт одной реакции выступает в роли субстрата для следующей, и т. д. Второе преимущество последовательного хода реакций становится понятной, если учесть, что химические реакции могут протекать в любом направлении, т.е. они являются обратными. если каждый продукт отдельной реакции в процессе образования сразу вступает в иную реакцию, то тенденция к оборачиваемости сводится к минимуму. Более того, если возможный конечный метаболит также будет использоваться быстро, это целая серия реакций будет двигаться к завершению. другое преимущество заключается в том, что группы ферментов, участвующих в общих метаболических путях, могут объединяться. Некоторые такие группы были обнаружены в небольших везикулах (мембранных пузырьках) в цитоплазме. другие группы ферментов связаны с мембранами специализированных органелл, таких как митохондрии или хлоропласты.

 

Живые системы имеют механизмы включения и ингибирование активности ферментов. Некоторые ферменты образуются в неактивной форме, а затем при необходимости они активируются - преимущественно другими веществами, их и другие небелковые факторы регуляции ферментативной активности называют кофакторами.

 

Одним из примеров кофакторов является ионы, которые выступают в этой роли для некоторых специфических ферментов. Например, ион магния необходим для большинства ферментативных реакций, в ходе которых осуществляется перенес фосфатных групп между молекулами. другие ионы (например, K +, Na + и др.) выступают в аналогичной роли в других ферментативных реакциях. В некоторых случаях ионы могут способствовать объединению ферментативных белков. Иногда очень важную роль в ферментативных реакциях играют коферменты. Еще на рубеже XIX-XX вв. было установлено, что для нормального питания, кроме солей, белков, жиров и углеводов, нужны еще особые вещества, Ф. Хопкинс назвал дополнительными пищевыми факторами, а Функ в 1911 - витаминами. Это открытие было стимулом для изучения роли этих веществ в процессе метаболизма, для исследования вопроса о том, почему они необходимы для одних организмов и вовсе не нужны другим. только сейчас твердо установлено, что эти вещества необходимы всем живым организмам (значение витаминов для организмов впервые установил русский врач Н. Лунин в 1880 г.). Многие организмы, однако, способны синтезировать все витамины, которые им необходимы, а те организмы, не имеющие приспособления к синтезу витаминов, должны получать их с пищей.

 

Живая клетка - это далекая от равновесия химическая система, ведь приближение живой системы к равновесию означает ее распад и смерть. Продукт каждого фермента обычно быстро расходуется, поскольку используется как субстрат другим ферментом определенного метаболического пути. Еще более важно, что большое количество ферментативных реакций связана с расщеплением АТФ на АДФ и неорганический фосфат. Чтобы это было возможным, пул АТФ, в свою очередь, должна поддерживаться на уровне, далеком от равновесия, так чтобы отношение концентрации АТФ в концентрации продуктов его гидролиза было высоким. Таким образом, пул АТФ играет роль «аккумулятора», поддерживающий постоянный перенос в клетке энергии и атомов по метаболических путях, которые определяются присутствовать ферментами. Одним из наиболее распространенных методов регуляции активности ферментов является регуляция размеров их производства, в частности, генная регуляция.

 

Классической генетикой установлено, что все соматические клетки организма несут один и тот же набор генов, то есть содержат одинаковое число хромосом, несущих одни и те же аллели. И несмотря на это, клетки многоклеточного организма очень разнообразны по строению и функциям. Даже в одной и той же клетки скорость синтеза белковых молекул может варьировать в зависимости от обстоятельств и потребностей. Данные о механизмах, регулирующих активность генов в клетке, было впервые получено при изучении регуляции синтеза ферментов в кишечной палочки (Escherichia coli).

 

В 1961 г. Франсуа Жакоб и Жак Моно провели ряд экспериментов, желая понять природу индукции синтеза ферментов в E. coli. Считают, что в клетках E. coli синтезируется около 800 ферментов. Синтез некоторых из них происходит непрерывно, и их называют конститутивными ферментами, другие образуются только в присутствии определенного индуктора, который может и не быть субстратом определенного фермента. Такие ферменты, примером которых является га-лактозидаза, называют индуцибельной ферментами.

 

E. coli быстро растет в культуральной среде, содержащей глюкозу. При переносе клеток в те же условия, но с лактозой вместо глюкозы, рост начинается не сразу, а после короткой задержки, но потом идет с такой же скоростью, как и при наличии глюкозы. Проведенные исследования показали, что для роста в лактоза-ном среде необходимо наличие двух веществ, E. coli обычно не синтезирует: галактозидазы, что гидролизует лактозу до глюкозы и галактозы, и лактозопермеазы, что делает клетку способной быстро впитывать лактозу из среды. Это может служить примером того, как изменение в условиях среды - замена глюкозы лактозой - индуцирует синтез определенного фермента. Другие эксперименты с E. coli показали, что высокий содержимое в среде аминокислоты триптофана препятствует производству триптофансинтетазы - фермента, необходим для синтеза триптофана клетки. Синтез галактозы-дазы является примером индукции, а затруднение синтеза триптофан-синтетазы - примером репрессии фермента. На основе этих наблюдений Жакоб и Моно предложили механизм, объясняющий индукцию и репрессию - механизм «включения и выключения» генов (за это открытие они получили Нобелевскую премию в 1965 г.).

 

Кроме генетических механизмов, которые изменяют функции клеток, контролируя синтез отдельных ферментов, известен ряд физиологических контролирующих систем, осуществляющих прямую ингибирование путем обратной связи. Это способствует достижению достаточно устойчивой концентрации различных малых молекул в клетке. Регуляторные молекулы такого типа корректируют поток метаболитов определенным метаболическим путем благодаря временному увеличению или уменьшению активности ключевых ферментов. Например, первый фермент в той или иной последовательности реакций обычно ингибируется конечным продуктом этого метаболического пути по принципу отрицательной обратной связи, таким образом, если накапливается много конечного продукта, дальнейшее поступление предшественников к этому метаболического пути автоматически ингибируется.

 

В случае разветвления или пересечения метаболических путей, что происходит довольно часто, является, как правило, несколько точек, в которых осуществляется контроль различными конечными продуктами.

 

Регуляция по принципу обратной связи может срабатывать почти мгновенно и является обратимой, кроме того, определенный конечный продукт может ингибировать ферменты, катализирующие его синтез, и при этом быть активатором ферментов иного метаболического пути.


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+