Регуляция скоростей биохимических процессов

На уровне химических реакций и клеток процессы жизнедеятельности имеют сложные механизмы саморегуляции. Саморегуляция обеспечивает устойчивость хи­мической системы при изменении внешних условий. Саморегуляция биохимических реакций осуществляется по общему кибернетическому принципу — с помощью прямой и обратной связи. Основное назначение механизмов регуляции — поддержание концентраций различных ве­ществ в клетках на уровне, определяемом потребностя­ми клеток.

Стационарное состояние. Стационарным состоянием реакции

 

называется такое состояние, при котором субстрат поступает с точно такой же скоростью, с какой он

112

 

 

используется в реакции. Как уже отмечалось в главах 1 и 2, свойство саморегуляции присуще самим химическим реакциям в стационарном состоянии в соответствии с принципом Ле-Шателье — Брауна. При изменении  внешних условий (температуры, давления, концентрации веществ и пр.) скорость реакции изменяется таким образом, чтобы по возможности устранить эффект этого изменения условий. Так, при чрезмерном увеличении концентрации продукта возрастает скорость обратной реакции, что препятствует дальнейшему росту концент­рации продукта. Наоборот, при уменьшении концентра­ции продукта (при интенсивном его использовании) в соответствии с законом действующих масс скорость об­ратной реакции понижается и выход конечных продук­тов реакции увеличивается.

Большое значение в регулировании химических ре­акций имеет проницаемость клеточных и цитоплазматических мембран. Изменение проницаемости и, следова­тельно, скорости поступления и выведения вещества эквивалентно изменению скорости какой-либо стадии превращения вещества внутри клетки, что может выз­вать переход системы на другой стационарный уровень. Изменение активности ферментов. Поскольку боль­шинство биохимических реакций катализируется фер­ментами, то наиболее эффективные механизмы регуля­ции скоростей этих реакций заключаются в изменении активности, а также концентрации ферментов.

Если имеется последовательная реакция, то между конечной и начальной стадиями этой реакции может устанавливаться обратная связь. Она заключается в том, что продукты реакции влияют на активность фер­ментов первых стадий превращения (рис. 17). Обрат­ная связь может быть положительной и отрицательной. При положительной обратной связи продукт реакции усиливает активность ферментов в первых стадиях превращения. В данном случае продукт реакции является активатором ферментов. К этому же типу можно отнести и аутокаталитические реакции, в которых продукт реакции сам является катализатором. При данном типе регулирования за счет положительной обратной связи реакции сильно ускоряется и за короткий промежуток времени достигается максимальная ее скорость.

Явление отрицательной обратной связи в химических превращениях, открытое Умбаргером в 1961 г., заклю-

Медицинская биофизика

113

 

Рис. 17. Схема регулирования скорости реакции путем изменения

активности ферментов. Ф₁, Ф₂, Ф₃ — ферменты.

чается в том, что продукты реакции подавляют актив­ность ферментов начальных стадий. В данном случае продукты реакции являются ингрибиторами ферментов. Различают два вида ингибирования — аллостерическое и конкурентное. Аллостерическое ингибирование заключается в том, что молекула ингибитора присоединяется к ферменту на участке, не являющимся активным центром для субстрата. В результате этого изменяется трехмер­ная структура фермента; активный центр, предназна­ченный для субстрата, деформируется и утрачивает ка­талитическую способность. Конкурентное ингибирование при реакции заключается в присоединении молекулы ингибитора к активному центру фермента, предназначен­ному для субстрата, что приводит к инактивации фер­мента. Обычно ингибирование конечным продуктом про­текает по типу аллостерического ингибирования, так как конкурентное ингибирование в данном случае является невозможным, поскольку продукт реакции — ингиби­тор — структурно отличается от субстрата. Ингибирова­ние ферментов продуктами реакции препятствует обра­зованию избытка метаболитов. Отрицательная обратная связь стабилизирует реакцию, поддерживая выход про­дуктов на определенном уровне.

Общая теория аллостерической регуляции ферментативного действия была разработана Моно, Шанже и Жакобом в 1963 г. Они показали, что в общем случае регуляторный фермент имеет три активных центра: к первому присоединяется субстрат, ко второму — аллостерический ингибитор, к третьему — аллостерический активатор. При этом второй и третий центры могут быть представлены одной и той же структурой.

Индукция и репрессия синтеза ферментов. Явления индукции и репрессии синтеза ферментов были открыты Жакобом и Моно у бактерий. Затем эти представления были распространены и на другие организмы.

114

Рис. 18. Общая схема индукции и репрессии синтеза ферментов

(объяснения в тексте).

В общих чертах явление индукции синтеза фермен­тов заключается в следующем: когда из внешней среды в клетку попадает какое-то питательное вещество А (рис. 18), то оно действует. на ферментообразующую систему Х_а , продуцирующую фермент Ф _а, который пре­вращает вещество А в вещество В. Вещество В дейст­вует на свою ферментообразующую систему Х _b и инду­цирует синтез фермента Ф _b, превращающего вещество В в вещество С и т. д.

С помощью механизма индукции регулируется концентрация фермента в соответствии с концентрацией субстрата. Если субстрат в клетке отсутствует, то отсутствует и фермент, превращающий данный субстрат в другое вещество. При поступлении субстрата в клетку осуществляется синтез соответствующего фермента в количестве, пропорциональном количеству поступившего субстрата.

Явление репрессии синтеза ферментов заключается в том, что вещества, образующиеся в конечной стадии процесса, репрессируют синтез фермента одной изначальных стадий. Так, вещество М (см. рис. 18) может дей­ствовать на ферментообразующие системы Х_а и Х _b и по­давлять синтез ферментов Ф_а и Ф _b, в результате чего весь процесс превращения прекращается.

Например, аргинин подавляет образование двух ферментов на пути к его синтезу. С помощью механизма репрессии осуществляется прекращение процесса, когда образовалось нужное для потребностей клетки количество вещества.

Вероятно, механизмы индукции и репрессии синтеза ферментов лежат в основе регуляции потока информа­ции от ДНК в клетку, что обусловливает рост, развитие и дифференцировку клеток, а также адаптацию к усло­виям среды.

8*

115

Рассмотренные механизмы регуляции биохимических реакций наблюдаются на молекулярном и клеточном уровнях организации. На уровне целого организма биохимические реакции регулируются эндокринной и нерв­ной системами. Молекулярные механизмы нервной и гормональной регуляции биохимических реакций в настоящее время изучены слабо. Имеются данные, что одна группа гормонов оказывает регулирующие воздейст­вия на клетки путем изменения активности ферментов, другая группа — путем индуцирования синтеза фермен­тов и, наконец, третья группа гормонов изменяет про­ницаемость клеточных и цитоплазматических мембран.

Процесс обмена веществ представляет собой сложную сеть биохимических процессов, которая образована последовательными, параллельными и циклическими ре­акциями. Все эти реакции строго связаны друг с другом, что создает возможность для тонкой адаптации к усло­виям среды. В организме все вещества подвергаются непрерывным изменениям и все они тем или иным обра­зом входят в сеть обмена веществ. В организме нет ни одного вещества, которое бы не входило в обменные процессы (за исключением инертных газов).

Между двумя стадиями химических превращений может существовать несколько путей реакций. Реакции обычно протекают по тому пути, который обеспечивает максимальную скорость превращения веществ в данных условиях. Это положение известно под названием принципа Хиншельвуда. Знание этого принципа имеет боль­шое значение для определения направления химических превращений в сложных сопряженных системах реакций.

Вся сеть биохимических процессов в целом представляет собой открытую систему, в которую из внешней среды постоянно поступают вещества, претерпевают в ней различные химические превращения и удаляются в виде конечных продуктов обмена. По своим основным параметрам сеть биохимических реакций находится в стационарном состоянии. Для каждого вещества про­цессы поступления его в систему, превращения в ней и удаления в виде продуктов обмена взаимно скомпенси­рованы, в результате чего концентрации веществ и ско­рости превращений поддерживаются на постоянном уровне. Это обеспечивается системами регулирования путем взаимного согласования всех констант скоростей химических реакций и констант переноса веществ через

116

клеточные мембраны. При изменении внешних условий сеть биохимических реакций переходит с одного стационарного уровня на другой, что обеспечивается системами регулирования путем изменения кинетических парамет­ров системы.

Эволюция стационарного состояния происходила в направлении изыскания процессов, протекающих с более высокой скоростью, но при сохранении их устойчивости. Именно более высокие скорости процессов отличают высшие организмы от низших. Более высокие скорости процессов позволяют быстрее и лучше адаптироваться к внешней среде и тем самым более успешно вести борь­бу за существование. Повышение скорости реакций в процессе эволюции происходило с помощью ферментов. Но чем выше скорости процессов в системе, тем менее устойчивой и надежной является данная система. Устойчивость и надежность организмов обеспечивалась раз­витием в процессе эволюции систем саморегуляции с обратной связью, поддерживающих гомеостаз. В результате противоречия между скоростью реакций и надежностью систем возникло такое интересное явление: отдельные клетки высших организмов являются менее устойчивыми по отношению к изменению условий среды, чем отдельные клетки низших животных. В то же время высшие организмы в целом устойчивее, чем низшие, к изменению внешних условий, что обусловлено более совершенной системой саморегуляции на уровне целого ор­ганизма у высших животных.