III. Механизмы регуляции количества ферментов

Количество ферментов в клетке зависит от скорости их синтеза и распада.

Синтез ферментов регулируется индукторами и репрессорами. В качестве индукторов и репрессоров выступают некоторые метаболиты, гормоны и биологически активные вещества.

Индукторы, это вещества которые запускают синтез ферментов. Процесс запуска синтеза ферментов называется индукцией.

Например, у бактерий ферменты синтезируются только при наличии для них субстратов, которые являются для этих ферментов индукторами (у E. coli лактоза индуктор β-галактозидазы).

Не все ферменты чувствительны к индукторам. Ферменты, концентрация, которых зависит от добавления индукторов, называются индуцируемыми ферментами (органоспецифические ферменты). Ферменты, концентрация которых постоянна и не регулируется индукторами, называются конститутивными ферментами (ферменты гликолиза, синтеза РНК и т.д.).

Для индуцируемых ферментов выделяют понятие базовый уровень, это концентрация фермента при отсутствии индуктора. При индукции базовый уровень фермента может быть превышен от 2 до 1000 раз.

Репрессорами (точнее корепрессорами) называют вещества, которые останавливают синтез ферментов. Процесс остановки синтеза ферментов называется репрессией.

Дерепрессией – называется процесс возобновления синтеза ферментов после удаления из среды репрессора или истощения его запасов.

Часто один индуктор или репрессор регулируют синтез сразу нескольких ферментов участвующих в одном метаболическом пути. Гены этих ферментов собраны в оперон.

Оперон – участок молекулы ДНК, который содержит информацию о группе функционально взаимосвязанных структурных генов и регуляторную зону, промотор, контролирующую транскрипцию этих генов. Индукция и репрессия синтеза ферментов оперона называется координированной.

Координированная индукция – все ферменты, кодируемые генами оперона, индуцируются одним индуктором.

Координированная репрессия – остановка синтеза ферментов оперона одним репрессором.

В промоторе оперона имеется участок оператор, необходимый для присоединения репрессора. Репрессор синтезируется с гена-регулятора.

1). Индукция оперона. Репрессор присоединяется к оператору и препятствует присоединению к промотору РНК-полимеразы – транскрипции мРНК нет. Индуктор, присоединяясь к репрессору, вызывает отделение последнего от оператора, РНК-полимераза присоединяется к промотору и начинается транскрипция мРНК с оперона. С этой мРНК синтезируются сразу несколько ферментов.

рисунок

2). Репрессия оперона. Репрессор не присоединяется к оператору самостоятельно. Присоединение к оператору репрессора происходит только в комплексе с корепрессором. Комплекс репрессор-корепрессор присоединяясь к оператору, препятствует присоединению РНК-полимеразы к промотору, что блокирует транскрипцию мРНК с оперона и синтез ферментов.

рисунок

Катаболическая репрессия – более выгодный субстрат окисления ингибирует ферменты окисления менее выгодного субстрата.

Распад ферментов идет под действием гидролитических ферментов. Они активно атакуют ферменты, структура которых подверглась модификации (например, денатурации) под действием различных неблагоприятных факторов.

Клеточная сигнализация

В многоклеточных организмах поддержание гомеостаза обеспечивают 3 системы:

1). нервная, 2). гуморальная, 3). иммунная.

Регуляторные системы функционируют с участием сигнальных молекул.

Сигнальные молекулы – это органические вещества, которые переносят информацию.

К сигнальным молекулам относятся гормоны, нейромедиаторы, факторы роста, цитокины и эйкозаноиды.

ЦНС для передачи сигнала использует нейромедиаторы, гуморальная система – гормоны, иммунная - цитокины.

Гормоны, это сигнальные молекулы беспроводного системного действия.

Отличием истинных гормонов от других сигнальных молекул, является то, что они синтезируются в специализированных эндокринных клетках, транспортируются кровью и действуют дистантно на ткани мишени.

Гормоны по строению делятся: на

белковые (гормоны гипоталамуса, гипофиза),

производные аминокислот (тиреоидные, катехоламины)

и стероидные (половые, кортикоиды).

Пептидные гормоны и катехоламины растворимы в воде, они регулируют преимущественно каталитическую активность ферментов.

Стероидные и тиреоидные гормоны водонерастворимы, они регулируют преимущественно количество ферментов.

Гормоны влияют на активность и количество ферментов в клетке не напрямую, а через каскадные системы (аденилатциклазную, гуанилатциклазную, инозитолтрифосфатную, RAS и т.д.), состоящие из:

1. рецепторов;

2. регуляторных белков (G-белки, IRS, Shc, STAT и т.д.).

3. вторичных посредников, (messenger - посыльный) (Са²⁺, цАМФ, цГМФ, ДАГ, ИТФ);

4. ферментов (аденилатциклаза, фосфолипаза С, фосфодиэстераза, протеинкиназы А, С, G, фосфопротеинфосфотаза);

Необходимость каскадных систем связана с тем, что, во-первых, водорастворимые гормоны не проходят клеточную мембрану, во-вторых, эти системы обеспечивают усиление первичного сигнала гормонов в миллионы раз. В результате даже одна молекула гормона способна активировать миллионы ферментов и вызвать метаболический эффект.

Водонерастворимые гормоны самостоятельно проходят клеточные мембраны и реализуют свой эффект с участием цитоплазматических и ядерных рецепторов.

Рецепторы

Рецепторы - это белки, встроенные в клеточную мембрану или находящиеся внутри клетки, которые, взаимодействуя с сигнальными молекулами, меняют активность регуляторных белков.

По локализации рецепторы делятся на: 1) цитоплазматические; 2) ядерные; 3) мембранные.

По эффекту рецепторы делятся на: активаторные (активируют каскадные системы) и ингибиторные (блокируют каскадные системы).