III. Механизмы регуляции количества ферментов

Количество фермента в клетке зависит от скорости его синтеза и распада, процессов необходимых для обновления фермента. Синтез и распад ферментов регулируется независимо. Наиболее изучен механизм регуляции синтеза ферментов на уровне транскрипции, который осуществляется определенными метаболитами, гормонами и рядом биологически активных веществ.

Индукция – запуск синтеза ферментов под действием специфических низкомолекулярных соединений – индукторов. Например, у бактерий ферменты синтезируются только при наличии для них субстратов, которые являются для этих ферментов индукторами (у E. coli лактоза индуктор β-галактозидазы).

Индуцируемые ферменты – ферменты, концентрация, которых зависит от добавления индукторов (органоспецифические ферменты).

Конститутивные ферменты – ферменты, концентрация которых постоянна и не регулируется индукторами (ферменты гликолиза, синтеза РНК и т.д.).

Базовый уровень – концентрация фермента при отсутствии индуктора. При индукции базовый уровень фермента может быть превышен от 2 до 1000 раз.

Репрессия – остановка синтеза фермента под действием репрессора (точнее корепрессора).

Дерепрессия – возобновление синтеза ферментов или после удаления из среды репрессора или при истощении 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, регуляция этого процесса мало изучена.

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 – 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.