ОСНОВЫ БИОХИМИИ ЛЕНИНДЖЕРА - ТОМ 2. БИОЭНЕРГЕТИКА И МЕТАБОЛИЗМ - 2014

ЧАСТЬ II. БИОЭНЕРГЕТИКА И МЕТАБОЛИЗМ

Таким образом, образование в печени гликогена из молочной кислоты, по- видимому, обеспечивает важную связь между метаболизмом в мышцах и в печени. При участии печени гликоген из мышц превращается в доступный сахар крови, а этот сахар в свою очередь превращается в мышечный гликоген. Следовательно, в организме существует замкнутый цикл превращений молекул глюкозы... Было показано, что адреналин ускоряет эти реакции в направлении от гликогена мышц к гликогену печени... В то же время инсулин ускоряет реакции в направлении от глюкозы крови к мышечному гликогену.

К. Ф. Кори и Г. Т. Кори, из статьи в журнале Biological Chemistry, 1929

15. ПРИНЦИПЫ РЕГУЛЯЦИИ МЕТАБОЛИЗМА

Регуляция реакций метаболизма составляет основное содержание исследований в биохимии, и это одна из наиболее замечательных способностей живой клетки. Среди тысяч ферментативных реакций, происходящих в клетке, возможно, нет ни одной, которая в том или ином виде не подвергалась бы регуляции. Хотя в учебниках принято (да это и полезно) подразделять метаболический процесс на отдельные «пути», выполняющие определенные функции в жизнеобеспечении клетки, в самой клетке подобного разделения не существует. Более того, каждый путь, обсуждаемый в этой книге, неразрывно связан со всеми другими клеточными процессами, что показано с помощью многомерной сети реакций (рис. 15-1). Например, в гл. 14 мы обсуждали три возможных пути превращения глюкозо-6-фосфата в клетках печени: участие в гликолизе для накопления АТР, участие в пентозофосфатном пути для получения NADPH и пентозофосфатов, а также гидролиз до глюкозы и фосфата для пополнения запасов глюкозы в крови. Но на самом деле существует ряд других возможных путей превращения глюкозо-6-фосфата; он может, например, использоваться для синтеза других сахаров, таких как глюкозамин, галактоза, галактозамин, фукоза и нейраминовая кислота, участвовать в гликозилировании белков или частично разлагаться, поставляя ацетил-СоА для синтеза жирных кислот и стеринов. Например, бактерия Escherichia coli использует глюкозу для синтеза углеродных скелетов абсолютно всех своих молекул. Когда клетка направляет глюкозо-6-фосфат по одному из путей, это оказывает влияние на все остальные пути, в которых это вещество является предшественником или интермедиатом. Любое изменение в распределении глюкозо-6-фосфата в одном метаболическом пути прямо или косвенно влияет на его участие во всех других путях.

Подобные изменения в распределении метаболитов часто случаются в жизни клетки. Луи Пастер первым описал значительное увеличение потребления глюкозы (более чем в 10 раз) культурой дрожжей при переходе от аэробных условий к анаэробным. Это явление, называемое эффектом Пастера, не сопровождается какими-либо заметными колебаниями концентрации АТР или какого-то другого вещества из сотен интермедиатов и продуктов метаболизма глюкозы. Похожие изменения наблюдаются в клетках скелетных мышц бегуна на спринтерской дистанции. Клетки обладают потрясающей способностью одновременно и экономно осуществлять все эти взаимосвязанные метаболические превращения и получать каждый продукт в строго определенном количестве и в строго определенный момент времени при изменяющихся условиях внешней среды.

Рис. 15-1. Трехмерная сеть реакций метаболизма. Типичная эукариотическая клетка способна к синтезу около 30 000 различных белков, катализирующих тысячи реакций, в которых образуются сотни метаболитов — многие задействованы в нескольких метаболических путях. Иллюстрация взята из базы данных KEGG PATHWAY (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes www.genome.ad.jp/kegg/pathway/map/map0ll00.html). Каждую область можно рассмотреть более подробно, вплоть до уровня отдельных ферментов и интермедиатов.

В этой главе мы проиллюстрируем основные принципы регуляции метаболизма на примере метаболизма глюкозы. Мы начнем с рассмотрения общей роли регуляции в достижении метаболического гомеостаза и познакомимся с теорией контроля метаболизма, на основе которой можно проводить количественный анализ сложных метаболических процессов. Далее мы остановимся на особенностях регуляции отдельных ферментов метаболизма глюкозы и рассмотрим каталитическую активность ферментов, участвующих в гликолизе и глюконеогенезе, описанных в гл. 14. Обсудим также каталитические и регуляторные свойства ферментов, участвующих в синтезе и разрушении гликогена, одного из наиболее изученных примеров регуляции метаболизма. Выбрав для иллюстрации принципов метаболической регуляции метаболизм углеводов, мы искусственно отделили его от метаболизма жирных кислот. На самом деле эти два процесса в клетке очень тесно связаны, как мы увидим в гл. 23.

15.1. Регуляция метаболических путей

Реакции катаболизма в метаболизме гликогена обеспечивают энергию, необходимую для преодоления «сил» энтропии, а реакции анаболизма приводят к образованию исходных молекул для биосинтеза и запасанию метаболической энергии. Эти процессы настолько важны для жизнедеятельности клеток, что в ходе эволюции возникли очень сложные регуляторные механизмы, обеспечивающие передвижение метаболитов по правильным путям, в нужном направлении и с необходимой скоростью с тем, чтобы полностью удовлетворять текущие нужды клетки или организма; при изменении внешних условий корректируется скорость превращений метаболитов в соответствующих метаболических путях.

Внешние же условия действительно меняются, иногда довольно сильно. При большой физической нагрузке потребность мышц в АТР может вырасти за считанные секунды в сотни раз. Доступность кислорода может снизиться из-за гипоксии (ухудшения доставки кислорода к тканям) или ишемии (уменьшения кровотока к тканям). Соотношение углеводов, жиров и белков в пище различается, и богатые энергией питательные вещества поступают в организм нерегулярно, в результате чего между приемами пищи и при голодании возникает необходимость коррекции происходящих метаболических процессов. Огромные количества энергии и молекул требуются для биосинтеза, например, при заживлении ран.

Клетки и организмы существуют в динамическом стационарном состоянии

Богатые энергией молекулы, такие как глюкоза, поглощаются клеткой, а отходы метаболизма, например, СO₂, покидают ее, но при этом масса и состав клетки, отдельного органа или взрослого животного практически не меняются во времени; клетки и организмы существуют в динамическом стационарном состоянии, но никак не в равновесии с окружающей средой. Субстрат для каждой реакции метаболического пути поступает от предыдущей реакции с такой же скоростью, с какой он далее превращается в продукт. Другими словами, хотя скорость (v) потока вещества (или просто — поток) на данной стадии метаболизма может быть высокой и сильно изменяться, концентрация субстрата [S] остается постоянной. Для двухстадийной реакции

при v₁ = v₂ концентрация [S] постоянна. Например, изменение скорости поступления глюкозы из различных источников в кровь компенсируется изменением v₂ всасывания глюкозы из крови в ткани, таким образом, концентрация глюкозы [S] в крови поддерживается около 5 мМ. Это гомеостаз на молекулярном уровне. У человека нарушение механизмов гомеостаза часто бывает причиной заболеваний. Например, при сахарном диабете регуляция концентрации глюкозы в крови нарушена из-за недостатка инсулина или нечувствительности к нему, что и влечет за собой пагубные последствия для здоровья.

Когда внешние воздействия не ограничиваются просто временным влиянием или когда клетка одного типа превращается в клетку другого типа, регулирование состава клетки и метаболизма может оказаться более значительным и потребовать заметных и продолжительных изменений в распределении энергии и исходных веществ для синтеза, чтобы аккуратно осуществить этот переход. Представьте себе, например, процесс дифференцировки стволовой клетки костного мозга в эритроцит. Исходная клетка содержит ядро, митохондрии и мало или вовсе не содержит гемоглобина, в то время как в полностью дифференцированном эритроците гемоглобина огромное количество, но ни ядра, ни митохондрий нет. Состав этой клетки постоянно изменялся в ответ на приходящие извне сигналы, и соответственно менялся и метаболизм. Дифференцировка клеток требует точной регуляции концентраций клеточных белков.

В ходе эволюции возник замечательный набор регуляторных механизмов, позволяющих поддерживать гомеостаз на уровне молекул, клеток и целых организмов. Значение регуляции метаболизма для организма отражается в относительном количестве генов, кодирующих элементы регуляторного аппарата: у человека около 4000 генов (около 12% всех генов) кодируют регуляторные белки, в том числе разнообразные рецепторы, регуляторы экспрессии генов и около 500 различных протеинкиназ! Регуляторные механизмы действуют в разном временном диапазоне (от секунд до суток) и отличаются по чувствительности к изменениям внешней среды. Во многих случаях эти механизмы перекрываются: один и тот же фермент может быть объектом регуляции в нескольких регуляторных механизмах.

Регулируется не только количество ферментов, но и их каталитическая активность

Интенсивность ферментативного процесса может регулироваться как путем изменения количества ферментов, так и путем модуляции каталитической активности присутствующих молекул фермента. Подобные превращения происходят во временном диапазоне от нескольких миллисекунд до нескольких часов и служат ответом на внутриклеточный или внешний сигнал. Очень быстрые аллостерические изменения ферментативной активности обычно инициируются на месте путем изменения локальной концентрации небольших молекул субстрата данного метаболического пути (в реакциях гликолиза — глюкозы), продукта пути (АТР при гликолизе) или ключевого метаболита или кофактора (такого, как NADH), что связано с метаболической способностью клетки. Вторичные мессенджеры (такие, как циклический АМР и Са²⁺), образующиеся внутри клеток в ответ на внеклеточные сигналы (гормоны, цитокины и т. п.), также опосредуют аллостерическую регуляцию, но несколько медленнее влияя на механизмы передачи сигнала (см. гл. 12).

Внеклеточные сигналы (рис. 15-2, Ф) могут быть гормональными (инсулин или адреналин), нейрональными (ацетилхолин) или передаваться с помощью факторов роста или цитокинов. Количество данного фермента в клетке определяется соотношением между скоростями его синтеза и деградации. Скорость синтеза регулируется путем активации (в ответ на какой-то внешний сигнал) фактора транскрипции (рис. 15-2, (D; подробности см. в гл. 28). Факторы транскрипции — это ядерные белки, которые после активации связываются со специфическими участками ДНК (респонсивными элементами) вблизи области промотора гена (точки начала транскрипции) и активируют или подавляют транскрипцию данного гена, что приводит к увеличению или уменьшению продукции соответствующего белка. Активация фактора транскрипции часто происходит в результате его связывания со специфическим лигандом, а иногда бывает вызвана его фосфорилированием или дефосфорилированием. Каждый ген контролируется одним или несколькими респонсивными элементами, которые распознаются специфическими факторами транскрипции. Некоторые гены содержат несколько респонсивных элементов и, следовательно, контролируются несколькими различными факторами транскрипции, реагирующими на несколько различных сигналов. Группы генов, кодирующих белки, действие которых взаимосвязано, как в случае ферментов гликолиза или глюконеогенеза, часто содержат респонсивные элементы с одинаковой последовательностью, так что один и тот же сигнал, действующий через определенный фактор транскрипции, включает или выключает всю группу генов одновременно. В разд. 15.3 обсуждается регуляция метаболизма углеводов под действием специфических факторов транскрипции.

Устойчивость молекул мРНК к рибонуклеа- зам (рис. 15-2, (D) может быть различной, так что количество мРНК данного вида в клетке — функция скоростей ее синтеза и деградации (гл. 26). Наконец, скорость трансляции мРНК на рибосомах (рис. 15-2, (4)) также регулируется и зависит от нескольких факторов, описанных подробно в гл. 27.

Рис. 15-2. Факторы, влияющие на активность ферментов. Общая активность фермента может меняться из-за изменения числа молекул данного (количества) фермента в клетке, его эффективной активности в определенном клеточном отделе ((1)-(6)) или модуляции активности существующих молекул фермента как подробно описано в тексте. Активность конкретного фермента определяется сочетанием этих факторов.

Обратите внимание, что увеличение продукции мРНК в n раз не всегда означает n-кратное увеличение синтеза соответствующего белка.

Образовавшаяся молекула белка существует ограниченное время, а именно, от нескольких минут до многих дней (табл. 15-1). Скорость деградации ферментов (рис. 15-2, (5)) также различна и определяется внутриклеточными условиями. Некоторые белки подвергаются деградации в протеасомах (см. гл. 28) в результате ковалентного связывания с убиквитином (вспомните белок циклин; см. рис. 12-46). Быстрый оборот (синтез с последующей деградацией) сопряжен с большими энергетическими затратами, однако белки с меньшим периодом полужизни (время, за которое остается половина первоначального количества вещества) могут достичь нового стационарного состояния по своему содержанию быстрее белков, время полужизни которых велико, и выигрыш от такой быстрой реакции должен уравновешивать или быть больше энергетических затрат клетки.

Таблица 15-1. Примерное время полужизни белков в органах млекопитающих

Еще один фактор, влияющий на эффективную активность фермента, — это доступность его субстрата (рис. 15-2, (6)). Гексокиназа из мышц не может действовать на глюкозу, пока этот сахар не поступит из крови в клетки мышц, а скорость проникновения глюкозы в клетки зависит от молекул-переносчиков (см. табл. 11-3) в плазматической мембране. Внутри клетки некоторые ферменты и ферментные системы содержатся в различных ограниченных мембраной компартментах; доставка субстратов в эти отделы может быть лимитирующим фактором для фермента.

Благодаря наличию этих нескольких механизмов регуляции ферментативной активности клетки способны существенно изменять набор ферментов в ответ на изменение условий метаболизма. У позвоночных наиболее приспосабливаемым органом является печень; например, замена богатой углеводами пищи на пищу с высоким содержанием липидов влияет на транскрипцию сотен генов и, следовательно, синтез сотен белков. Подобные глобальные изменения в экспрессии генов можно оценить на количественном уровне с помощью ДНК-микрочипов (см. рис. 9-22), позволяющих анализировать весь набор мРНК данного типа клеток или органов (транскриптом), или с помощью двумерного гель-электрофореза (см. рис. 3-21) — метода изучения всех белков данного типа клеток или конкретного органа (протеом). Оба этих метода очень полезны при исследованиях регуляции метаболизма. Изменения протеома часто влекут за собой изменения всего ансамбля низкомолекулярных метаболитов — метаболома.

После того как в результате действия регуляторных механизмов, контролирующих синтез и деградацию белка, в клетке образовалось определенное количество каждого фермента, активность этих ферментов и далее подвержена регуляции: путем изменения концентрации субстратов; путем воздействия аллостерических эффекторов; путем ковалентной модификации; или путем связывания регуляторных белков. Все эти процессы могут изменять активность отдельных молекул фермента (рис. 15-2, (7)-(10)).

Все ферменты чувствительны к концентрации своих субстратов (рис. 15-2, (7)). Вспомните, что в простейшем случае (в условиях кинетики Михаэлиса-Ментен) начальная скорость реакции равна половине максимальной скорости при концентрации субстрата, равной значению К_м (т. е. при полунасыщении фермента субстратом). При уменьшении концентрации субстрата [S] скорость реакции также уменьшается, а при [S] «К_м скорость реакции линейным образом зависит от [S]. Это важно помнить, поскольку внутриклеточная концентрация субстрата часто близка к К_м или ниже этого значения. Например, активность гексокиназы зависит от концентрации глюкозы, а внутриклеточная концентрация глюкозы изменяется с концентрацией глюкозы в крови. Как мы увидим далее, различным формам (изоформам) гексокиназы соответствуют разные К_м, и, следовательно, присутствие различных изоформ гексокиназы зависит от внутриклеточной концентрации глюкозы, что имеет определенное физиологическое значение.

Пример 15-1. Активность переносчика глюкозы

Если для переносчика глюкозы в печени (GLUТ2) Кt (эквивалент К_м) = 40 мМ, определите изменение скорости поступления (потока) глюкозы в гепатоциты при повышении концентрации глюкозы в крови от 3 до 10 мМ.

Решение. Для определения начальной скорости поступления глюкозы используем уравнение 11-1 (т. 1, с. 555).

При 3 мМ глюкозы

V₀ = V_mах (3 мМ)/(40 мМ + 3 мМ) = V_mах (3 мМ/43 мМ) = 0,07 V_mах При 10 мМ глюкозы

_V0 = V_mах (10 мМ)/(40 мМ + 10 мМ) = V_mах (10 мМ/50 мМ) = 0,20 V_mах

Таким образом, если концентрация глюкозы в крови увеличилась от 3 до 10 мМ, то это значит, что скорость потока глюкозы в гепатоциты повысилась почти в 3 раза (0,20/0,07).

Ферментативная активность может увеличиваться или уменьшаться под действием аллостерических эффекторов (рис. 15-2, (8); см. также рис. 6-34). Под влиянием аллостерических эффекторов кинетика реакции обычно вместо гиперболической становится S-образной, или наоборот (например, см. рис. 15-14, б). В наиболее крутой части S-образной кривой небольшие изменения концентрации субстрата или аллостерического эффектора могут значительно влиять на скорость реакции. Как мы обсуждали в гл. 5 (с. 239, т. 1), для описания поведения аллостерических ферментов пользуются коэффициентом кооперативности Хилла, причем большое значение этого коэффициента означает более высокую кооперативность. Для аллостерического фермента с коэффициентом Хилла, равным 4, трехкратное увеличение концентрации субстрата приводит к увеличению скорости реакции от 0,1 Vm_ах до 0,9 Vmах, тогда как для фермента, не обладающего свойством кооперативности (коэффициент Хилла 1; см. табл. 15-2), для такого же изменения ферментативной активности требуется повышение концентрации субстрата в 81 раз!

Ковалентные модификации уже существующего фермента или другого белка (рис. 15-2, (9)) происходят за секунды-минуты с момента поступления сигнала, как правило, внеклеточного. Самая распространенная модификация — это фосфорилирование-дефосфорилирование (рис. 15-3); до половины всех белков в эукариотической клетке при определенных условиях подвергаются фосфорилированию. Фосфорилирование может изменить электростатические свойства активного центра фермента, сместить ингибирующий участок белка подальше от активного центра, повлиять на взаимодействие данного белка с другими молекулами или вызвать конформационные изменения, приводящие к изменениям Vm_ах и К_м. Для осуществления регуляции необходимо, чтобы после ковалентной модификации клетка могла вернуть белок к его исходному состоянию. Семейство фосфопротеинфосфатаз, некоторые члены которого сами находятся под контролем, катализируют дефосфорилирование белков, которые были фосфорилированы протеинкиназами.

Таблица 15-2. Соотношение между коэффициентом Хилла и влиянием концентрации субстрата на скорость реакции для аллостерических ферментов

Рис. 15-3. Фосфорилирование-дефосфорилирование белка. Протеинкиназы переносят фосфорильную группу от АТР на остатки Ser, Thr или Туr в белке. Протеинфосфатазы удаляют фосфорильную группу в виде P_i.

Наконец, регуляция многих ферментов достигается путем связывания с регуляторными белками (рис. 15-2, (10)). Например, сАМР- зависимая протеинкиназа (РКА; см. рис. 12-6) остается неактивной до тех пор, пока в результате связывания сАМР каталитические и регуляторные субъединицы фермента разделены.

Рассмотренные механизмы влияния на скорость определенной реакции метаболического пути не исключают друг друга. Достаточно часто один и тот же фермент подвергается регуляции на уровне транскрипции, а также путем аллостерических механизмов и ковалентного связывания. Сочетание этих механизмов обеспечивает быструю и эффективную регуляцию в ответ на самые разнообразные изменения в клетке и поступающие сигналы.

Для последующего обсуждения полезно рассмотреть изменения ферментативной активности при выполнении двух различных, но, тем не менее, взаимодополняющих функций. Термином метаболическая регуляция будем обозначать процесс, направленный на поддержание гомеостаза на молекулярном уровне, т. е. поддержание определенных клеточных параметров (таких как концентрации метаболитов) даже при изменении потока метаболитов в данном метаболическом пути. Термином метаболический контрольбудем называть процессы, ведущие к изменению результата метаболического пути во времени в ответ на некоторые внешние сигналы или изменение условий. Следует сказать, однако, что четкую границу между этими двумя понятиями провести не всегда легко.

Обычно в клетке регулируются реакции, далекие от состояния равновесия

На некоторых стадиях метаболического пути реакции приближаются к состоянию равновесия (рис. 15-4). Общий поток метаболитов в таких реакциях определяется небольшой разницей между скоростями прямой и обратной реакций, которые при приближении к состоянию равновесия имеют близкие значения. Небольшие изменения концентрации субстрата или продукта реакции могут сильно изменить общую скорость процесса и даже его направление. Идентифицировать эти почти равновесные реакции в клетке мы можем, если будем сравнивать величины отношения действующих масс Q с константой равновесия реакции К'_eq. Вспомните, что для реакции А + В —> С + D Q ⁼ [С][D]/[А][В]. Считается, что, когда Q и К'_eq различаются лишь на 1-2 порядка, реакция близка к равновесию. Например, это наблюдается для шести из 10 реакций гликолиза (табл. 15-3).

Рис. 15-4. Равновесные и неравновесные стадии метаболизма. В клетке стадии (2) и (3) данного пути почти равновесны; скорости их прямых реакций лишь немного превышают скорости обратных реакций, так что общая скорость (10) довольно низкая, а изменение свободной энергии ∆G′ для каждой из этих стадий близко к нулю. Повышение внутриклеточной концентрации метаболитов С или D может изменить направление этих стадий. Стадия (1) в клетке далека от равновесия — скорость прямой реакции намного превосходит скорость обратной реакции. Общая скорость стадии (1) (10) много больше скорости обратной реакции (0,01) и в стационарном состоянии равна скоростям стадий (2) и (3). Стадия (1) характеризуется большим отрицательным значением ∆G′.

Многие реакции в клетке, однако, далеки от равновесия. Например, для реакции гликолиза, катализируемой фосфофруктокиназой-1 (РРК-1), К'_eq ≈ 1000, а для типичной клетки в стационарном состоянии Q = [фруктозо-1,6-бисфосфат][АDР]/ [фруктозо-6-фосфат][АТР]) ≈ 0,1 (табл. 15-3). Именно благодаря тому, что эта реакция так далека от равновесия, во внутриклеточных условиях данный процесс экзергонический и протекает в прямом направлении. Эта реакция далека от равновесия, поскольку при обычных внутриклеточных концентрациях субстрата, продукта и эффектора скорость превращения фруктозо-6- фосфата в фруктозо-1,6-бисфосфат ограничена активностью PFK-1, что регулируется числом молекул PFK-1 и действием эффекторов. Таким образом, скорость прямого процесса совпадает со скоростью общего потока интермедиатов гликолиза в других реакциях данного пути, а скорость обратного потока в реакции с участием PFK-1 практически равна нулю.

Таблица 15-3. Константы равновесия, отношения действующих масс и изменения свободной энергии ферментативных реакций при метаболизме углеводов

* Для простоты считают, что все реакции, для которых ∆G′ <6, близки к равновесию.

Клетка не может допустить, чтобы реакции с большими значениями констант равновесия приближались к равновесию. Если при обычных клеточных концентрациях фруктозо-6-фосфата, АТР и ADP (несколько миллимолей) катализируемая PFK-1 реакция могла бы достигать равновесия, то концентрация фруктозо-1,6-бисфосфата оказалась бы в молярном диапазоне, что привело бы к гибели клетки из-за высокого осмотического давления.

Рассмотрим другой пример. Если в клетке реакция АТР —> ADP + Рi могла бы приблизиться к равновесию, для этой реакции изменение свободной энергии ∆G′ —> 0 (∆Gp; см. пример 13-2, с. 31); в результате АТР утратил бы свой высокий потенциал переносчика фосфатных групп, который так необходим клетке. Поэтому очень важно, чтобы ферменты, катализирующие разложение АТР и другие экзергонические реакции в клетке, были подвержены регуляции, т. е. при изменении метаболических процессов в результате внешних воздействий реакции с участием этих ферментов корректировались таким образом, чтобы концентрация АТР оставалась гораздо выше равновесного уровня. При подобных изменениях метаболизма происходит корректировка активностей ферментов во всех взаимосвязанных метаболических путях, что не позволяет критическим стадиям достичь равновесия. Поэтому неудивительно, что многие ферменты (такие как PFK-1), катализирующие реакции с большим отрицательным изменением свободной энергии, тонко регулируются множеством различных способов. Эта регуляция происходит настолько сложным путем, что при изучении свойств только одного фермента метаболического пути нельзя определить, насколько большое влияние оказывает этот фермент на ход процесса в целом; для этого надо привлечь теорию контроля метаболизма, к которой мы обратимся в разд. 15.2.

Адениновые нуклеотиды играют особую роль в регуляции метаболизма

Возможно, вторая по важности задача клетки (после защиты от повреждений ДНК) — это поддержание постоянных запасов АТР. Многие АТР- зависимые ферменты имеют К_ммежду 0,1 и 1 мМ, а нормальная концентрация АТР в клетке составляет 5 мМ. Если концентрация АТР была бы значительно ниже, эти ферменты не могли бы достичь насыщения своим субстратом (АТР), в результате чего снизилась бы скорость сотен реакций, происходящих с участием АТР (рис. 15-5). Клетка, вероятно, не смогла бы пережить такого кинетического воздействия на столь большое число реакций.

Кроме того, уменьшение концентрации АТР имеет важные термодинамические последствия. Поскольку при выполнении работы в клетке АТР превращается в ADP или АМР, соотношение [ATP]/[ADP] оказывает глубокое влияние на течение всех реакций, в которых задействованы эти кофакторы. Это же относится и к другим кофакторам— NADH/NAD⁺ и NADPH/NADP⁺.

Рис. 15-5. Влияние концентрации АТР на начальную скорость реакции, катализируемой типичным АТР- зависимым ферментом. На основании этих экспериментальных данных для АТР К_м ≈ 5 мМ. В тканях животных концентрация [АТР] ≈ 5 мМ.

Например, рассмотрим реакцию, катализируемую гексокиназой:

Заметьте, что это выражение верно только в том случае, когда исходные вещества и продукты реакции находятся в равновесных концентрациях, при которых ∆G′ = 0. При любых других концентрациях ∆G′ ≠ 0. Вспомните (гл. 13), что отношение концентраций продуктов реакции к концентрациям субстратов (отношение действующих масс Qопределяет величину и знак ∆G′ и, следовательно, движущую силу (∆G′) реакции:

Поскольку изменение этой движущей силы влияет на все реакции с участием АТР, в процессе эволюции организмы выработали регуляторные механизмы, ответственные за поддержание соотношения [ATP]/[ADP].

Концентрация АМР гораздо чувствительнее к энергетическому состоянию клетки, чем концентрация АТР. Обычно в клетках концентрация АТР (5-10 мМ) гораздо выше, чем концентрация АМР (<0,1 мМ). При расходовании АТР, например при мышечном сокращении, АМР образуется в результате двустадийного процесса. Сначала при гидролизе АТР образуется ADP, а затем в результате действия аденилаткиназы — АМР:

2ADP АМР + АТР

При уменьшении концентрации АТР на 10% относительное увеличение концентрации АМР более значительно, чем для ADP (табл. 15-4). Поэтому неудивительно, что многие регуляторные процессы связаны именно с концентрацией АМР. Важную роль как медиатор регуляции играет AMP-зависимая протеинкиназа, которая при повышении концентрации АМР начинает фосфорилировать ключевые белки, регулируя тем самым их активность. Увеличение [АМР] может быть связано с недостаточным поступлением питательных веществ или с большой физической нагрузкой. Действие АМР-зависимой протеинкиназы (не путайте с сАМР-зависимой протеинкиназой, см. разд. 15.5) усиливает транспорт глюкозы, активирует гликолиз и окисление жирных кислот, но в то же время подавляет такие энергозатратные процессы, как синтез жирных кислот, холестерина и белков (рис. 15-6). В гл. 23 мы подробнее обсудим этот фермент и механизм его действия в указанных процессах.

Таблица 15-4. Относительные изменения концентраций АТР и АМР при расходовании АТР или функциональных групп

Рис. 15-6. Роль AMP-зависимой протеинкиназы (АМРК) в метаболизме жиров и углеводов. Во время физических нагрузок АМРК активируется в ответ на увеличение концентрации АМР или уменьшение концентрации АТР сигналами от симпатической нервной системы (СНС) или гормонов жировой ткани (лептина и адипонектина, подробнее см. гл. 23). Активированная АМРК фосфорилирует ключевые белки и тем самым регулирует метаболизм во многих тканях, подавляя такие энергозатратные процессы, как синтез гликогена, жирных кислот и холестерина; направляет обмен веществ вне печени на использование жирных кислот в качестве топливных молекул; а в печени запускает глюконеогенез для обеспечения мозга глюкозой. В гипоталамусе АМРК стимулирует пищевое поведение так, чтобы организм получил больше питательных веществ.

Наряду с АТР в клетке в необходимых концентрациях должны присутствовать сотни интермедиатов метаболизма. Например, интермедиаты гликолиза дигидроксиацетонфосфат и 3-фосфоглицерат служат предшественниками триацилглицеринов и серина соответственно. При необходимости скорость гликолиза должна корректироваться таким образом, чтобы обеспечить необходимое количество этих веществ без снижения уровня образования АТР. Эта же закономерность справедлива для других важных кофакторов, таких как NADH и NADPH: изменение отношения их действующих масс (т. е. отношение концентрации восстановленной формы кофактора к концентрации его окисленной формы) оказывает очень сильное влияние на метаболизм.

Конечно, на эволюционное развитие регуляторных механизмов влияли также приоритеты, возникающие в жизнедеятельности целого организма. В головном мозге млекопитающих запасы энергии практически отсутствуют, поэтому деятельность мозга полностью зависит от поступления глюкозы по кровотоку. Когда уровень глюкозы крови уменьшается в 2 раза по сравнению с нормой (4-5 мМ), происходит нарушение мозговой деятельности, а 5-кратное снижение уровня глюкозы крови приводит к состоянию комы и к смерти. Поддерживать уровень глюкозы крови в норме помогают гормоны инсулин и глюкагон, выделяющиеся при повышенном и пониженном содержании глюкозы соответственно; эти гормоны запускают серию метаболических реакций, направленных на нормализацию уровня глюкозы.

Кроме того, в ходе эволюции должно было осуществляться и другое селективное воздействие, приведшее к отбору регуляторных механизмов, направленных на решение вполне определенных задач.

1. Обеспечение максимальной эффективности использования энергии путем предотвращения одновременного протекания реакций противоположно направленных метаболических путей (например, гликолиза и глюконеогенеза).

2. Распределение метаболитов между альтернативными метаболическими путями (такими как гликолиз и пентозофосфатный путь).

3. Выбор наиболее подходящего источника энергии для решения текущих задач организма (глюкоза, жирные кислоты, гликоген или аминокислоты).

4. Остановка путей биосинтеза при накоплении его продуктов.

В последующих главах представлено множество примеров регуляторных механизмов каждого типа.

Краткое содержание раздела 15.1. Регуляция метаболических путей

■ В клетке с активным метаболизмом, находящейся в стационарном состоянии, интермедиаты метаболизма образуются и расходуются с одинаковой скоростью. Если в результате каких-либо воздействий скорость образования или расходования метаболита изменяется, в клетке происходит компенсаторное изменение активностей ферментов, приводящее к восстановлению стационарного состояния.

■ Клетки регулируют свой метаболизм с помощью различных механизмов во временном диапазоне от миллисекунд до нескольких суток, изменяя активность уже существующих ферментов или количество синтезируемых молекул специфического фермента.

■ Различные сигналы могут активировать или инактивировать факторы транскрипции, которые регулируют экспрессию генов в ядре клетки. Изменения в транскриптоме приводят к изменениям в протеоме и, в итоге, в метаболоме клетки или ткани.

■ В многостадийных процессах, таких как гликолиз, некоторые реакции в стационарном состоянии близки к равновесию; скорости этих реакций контролируются концентрацией субстрата и уменьшаются и увеличиваются при ее изменении. Другие реакции далеки от равновесия; обычно они контролируют потоки веществ целиком в данном метаболическом пути.

■ Регуляторные механизмы направлены на поддержание в клетках практически постоянного уровня ключевых метаболитов, таких как АТР и NADH, или глюкозы крови; при изменении потребностей организма используются запасы гликогена.

■ Содержание АТР и АМР отражает энергетический статус клетки; при снижении отношения [АТР]/[АМР] AMP-зависимая протеинкиназа запускает различные клеточные процессы, призванные повысить концентрацию АТР и снизить концентрацию АМР.