4. Типы регуляции

Существуют следующие типы внутриклеточной регуляции:

1. регуляция биосинтеза ферментов (генная регуляция) - связана с изменением количества ферментов, - регулирующие факторы влияют на биосинтез или разрушение ферментов;

2. регуляция активности ферментов (ферментная регуляция) - связана с изменениями активности ферментов без изменения их количеств, - регулирующие факторы воздействуют на ферментные молекулы;

3. регуляция метаболитами, связанная с изменениями концентраций метаболитов (промежуточных продуктов обмена) без изменения количества ферментов и их активности. Этот тип регуляции не всегда выделяют как самостоятельный, относя его к проявлениям двух первых типов. Так, согласование регуляторных механизмов отдельных стадий катаболизма углеводов (например, гликолиза, ЦТК, окислительного фосфорилирования) осуществляется через ключевые продукты - метаболиты (например, АТФ, АДФ, АМФ, Ф_н - как регуляторы дыхательной активности микробных клеток)

В качестве примера регуляции метаболитами можно привести регуляцию дыхательной активности микробных клеток.

Поток электронов через цепь дыхания неразрывно связан с образованием АТФ (сопряжение дыхания и фосфорилирования), и он прервался бы в случае прекращения синтеза АТФ. Так как интенсивность образования АТФ лимитируется имеющимся количеством AДФ, то последнее ограничивает и электронный поток, и интенсивность дыхания.

Реакции, требующие затраты энергий и АТФ, приводят к повышению концентрации AДФ (ATФ  АДФ + Фосфат) и, следовательно, к повышению интенсивности дыхания. Иными словами, усиленное потребление энергии ускоряет, а уменьшенное - замедляет ее выработку (рис.).

Таким образом, дыхание регулируется метаболитами (продуктами обмена) - изменениями их концентрации без изменения количества или активности ферментов.

Количество определенного фермента в клетке может регулироваться на нескольких уровнях: на этапе транскрипции, трансляции, а также в процессе сборки и разрушения ферментного белка. В иерархии регуляторных воздействий наиболее сложный механизм, контролирующий количество ферментов в клетке, связан с процессом транскрипции. Специфические химические сигналы могут инициировать или блокировать транскрипцию определенного участка ДНК в иРНК. В случае индукции образованная иРНК участвует в определенной последовательности реакций, называемой трансляцией, и заканчивающейся синтезом полипептидных цепей. Регуляция белкового синтеза на уровне трансляции может осуществляться на любом из ее этапов, например на этапе инициации, элонгации и др. Не исключена также возможность изменения времени жизни иРНК под воздействием разных эффекторов, в том числе конечных продуктов метаболических путей. Хотя механизмы регуляции синтеза белка на уровне трансляции еще точно не установлены, ясно, что на этом этапе имеются широкие возможности для регуляции скорости синтеза различных белков.

Факторы, регулирующие активность ферментов, разнообразны по своей природе. Физические факторы (температура, давление, свет, магнитное поле, электрические импульсы) оказывают менее специфическое действие, чем химические. В свою очередь действие последних также может быть разделено на несколько типов. Одни химические вещества связываются с активным центром фермента, например субстраты, кофакторы, конкурентные ингибиторы, что приводит к изменению ферментативной активности. Другие вещества взаимодействуют со специальными участками на поверхности молекулы определенного типа фермента, не имеющими непосредственного отношения к центрам каталитической активности, но тем не менее приводящими к ее изменению.

Также активность некоторых ферментов регулируется путем химической модификации их молекулы, в основе которой лежит ковалентно обратимое связывание с ферментом определенной группировки, что приводит к изменению его активности.

Образование катаболических ферментов регулируется путем индукций. С точки зрения экономности клеточного метаболизма выгодно, чтобы ферменты, участвующие в использовании субстрата и включении продуктов его распада в промежуточный обмен, синтезировались лишь в тех случаях, когда данный субстрат имеется в питательной среде. Все другие катаболические ферменты, которые клетка способна синтезировать, не должны образовываться, пока в них нет надобности.

Образование анаболических ферментов регулируется путем репрессии. С точки зрения той же экономии выгодно, чтобы ферменты определенного биосинтетического пути не синтезировались, если его конечный продукт имеется в среде. Поэтому в присутствии такого конечного продукта или при его накоплении снижается скорость синтеза всех ферментов, специфичных для данного биосинтетического пути.

Ферменты, необходимые для синтеза основных структурных компонентов клетки, обычно образуются непрерывно, но их образование подавляется (репрессируется), если конечный продукт имеется в избытке. В таких случаях говорят о репрессии конечным продуктом.

Регуляция на уровне активности ферментов свойственна, как правило, только ключевым ферментам клеточного метаболизма. Каталитическая активность ферментов, участвующих в том или ином пути биосинтеза, может подвергаться изменениям; она может повышаться (под действием положительного эффектора) или снижаться (под действием отрицательного эффектора). При ингибировании конечным продуктом (ретроингибировании) этот продукт подавляет активность первого фермента, участвующего в данной цепи реакций.

Оба типа регуляции - индукция и репрессия, с одной стороны, и изменение активности фермента, с другой - приводят к почти одинаковому результату: они влияют на «пропускную способность» того или иного метаболического пути. Индукция и репрессия действуют медленно, и их можно рассматривать как механизмы грубой регуляции. Изменение активности ключевого фермента проявляется мгновенно; это уже тонкая регуляция.

Аллостерические белки - это особый класс белков, которые участ­вуют в обоих регуляторных механизмах и свойства которых изменяются при связывании некоторых специфических малых молекул - эффекторов; это медиаторы метаболических изменений, управляемых изменениями концен­трации молекул эффекторов. Слово аллостерический означает "другой формы"; оно подразумевает, что эффекторы, регулирующие активность какого-либо аллостерического фермента, отличаются по структуре от его субстрата.

Существует два класса аллостерических белков:

а) аллостерические ферменты, активность которых повышается или понижается при связывании с эффекторами;

б) регуляторные аллостерические белки, лишенные каталитической активности и регулирующие синтез определенных ферментов.