Главная / Молекулы и клетки / Регуляция биохимических реакций

Регуляция биохимических реакций

Клетка — это фабрика, а ферменты — машины. Производство на этих фабриках регулируется двумя системами обратной связи: одна из них регулирует синтез ферментов. а другая — их активность. В статье описаны модели этих двух систем

Ж. П. Шанжё

Аналогия между живым организмом и машиной простирается очень далеко на всех изучаемых уровнях. Конечно, живые организмы — это машины, обладающие совершенно особыми свойствами: они способны к самовоспроизведению и могут приспосабливаться к окружающей среде. Тем не менее все их функции подчиняются, по-видимому, законам физики. Организм можно уподобить заводу-автомату. Его многочисленные и разнообразные структуры действуют координированно, количественно реагируя на поступающие команды или сигналы; другими словами, организм представляет собой саморегулирующуюся систему, то есть регуляция осуществляется автоматически — с помощью цепей обратной связи.

На физиологическом уровне все эти принципы поведения живых организмов известны уже давно. Так, например, при повышенных нагрузках ткани нуждаются в дополнительном притоке кислорода — и сердце начинает биться чаще, быстрее накачивая кровь.

В ответ на повышение содержания сахара в крови поджелудочная железа более интенсивно вырабатывает инсулин. Аналогичные системы найдены в настоящее время и в живой клетке.

Как показали последние достижения молекулярной биологии, клетку можно представить себе как микроскопический химический агрегат, различные «узлы» которого взаимосвязаны и регулируются системами обратной связи, по существу, такими же, какие действуют в цепях автоматического управления, создаваемых инженерами. В этой статье мы рассмотрим экспериментальные данные и гипотезы, исходящие из того, что клетка — это саморегулирующееся устройство.

Клетку можно сравнить с полностью автоматизированной химической фабрикой, предназначенной для того, чтобы наиболее экономно использовать отпущенную ей энергию. С помощью ряда реакций (своего рода фабричных цехов) клетка производит разнообразные изделия, например белки; на это и уходит основная часть энергии. Сами по себе управляющие устройства, которые регулируют производство, потребляют очень мало энергии. Обычно эти управляющие системы состоят из подвижных молекул низкомолекулярных соединений, «сигналов», а также из крупных молекул, играющих роль «рецепторов».


«Молекулы и клетки», под ред. Г.М.Франка


Репрессия и индукция ферментов

Репрессия и индукция ферментов это, в сущности, две стороны одной медали. В случае репрессии молекула репрессора, соединяясь с молекулой химического регулятора, активируется и блокирует образование фермента. В случае же индукции связывание молекулы индуктора с молекулой репрессора инактивирует репрессор, что позволяет клетке синтезировать фермент. Клетки мутантных штаммов, утративших механизм репрессии, не нуждаются в индукторе; они и…


Система регуляции биосинтеза L-изолейцина у Е. coli

Система регуляции биосинтеза L-изолейцина у Е. coli — это только один из примеров подобной регуляции в живой клетке. Как показали исследования последних лет, аналогичные системы обратной связи регулируют также образование в клетке других аминокислот, витаминов и прочих важных соединений, в том числе пуриновых и пиримидиновых оснований — предшественников ДНК. Во всех рассмотренных нами случаях регуляция…


Биологические катализаторы

Основные машины фабрики-клетки — это биологические катализаторы, или ферменты. Все продукты (например, специфический белок) синтезируются в несколько стадий, каждую из которых катализирует особый фермент. Любой из этих синтезов регулируется в клетке, по-видимому, двумя способами. Во-первых, может изменяться число машин (то есть молекул фермента), действующих на каком-то этапе синтеза; во-вторых, клетка способна влиять на их производительность.…


Способность мутантных штаммов

Оказалось, что у одних мутантных штаммов утрачена способность подавлять активность L-треониндезаминазы в присутствии избытка L-изолейцина, тогда как другие, в результате совершенно другой мутации, независимой от первой, утратили способность прекращать синтез всего набора ферментов биосинтеза L-изолейцина. Эти две мутации локализованы в разных участках бактериальной хромосомы. Следовательно, описанные регуляторные механизмы совершенно не связаны друг с другом. Рассмотрим…


Модели основных механизмов клеточной адаптации ферментов

Недавно Моно и Жакоб разработали модели некоторых основных механизмов клеточной адаптации ферментов для обоих случаев, то есть для репрессии и индукции. Прежде всего Моно и Жакоб выяснили, что в результате единичной мутации клетки Е. coli утрачивают способность регулировать синтез лактазы под действием лактозы: оказалось, что такие мутантные клетки синтезируют лактазу как в отсутствие лактозы, так…


Образование инициатора

Подобно репрессору, инициатор образуется под контролем гена-регулятора репликации. Перед началом деления клетки инициатор получает приказы от клеточной мембраны и, активируя репликатор, вызывает удвоение ДНК (репликатор — это генетическая структура, аналогичная оператору в синтезе ферментов). Мы еще очень мало знаем о природе сигнала, получаемого инициатором, и о деталях механизма, пускаемого им в ход. Тем не менее…


Синтез нуклеиновой кислоты

Рассмотрим, к примеру, синтез нуклеиновой кислоты. Она образуется из пуриновых и пиримидиновых оснований, соединяющихся в определенных соотношениях. Пурины и пиримидины образуются в разных «цехах». В целях экономии они должны выпускаться в таком же примерно соотношении, в каком они будут использоваться (смотрите рисунок ниже). Нуклеотиды аденозинтрифосфат (АТФ) и цитидинтрифосфат (ЦТФ)   Нуклеотиды аденозинтрифосфат (АТФ) и цитидинтрифосфат…


Связь молекул субстрата с новыми центрами связывания фермента

По мере возрастания концентрации субстрата его молекулы соединяются все с новыми и новыми центрами связывания фермента. Поскольку число молекул фермента ограниченно, при достаточно высокой концентрации субстрата почти все его центры связывания оказываются занятыми. Тогда скорость реакции становится постоянной, а кривая, описывающая взаимодействие фермента с субстратом, приобретает вид гиперболы. Оказалось, что регулируемые ферменты не подчиняются этому…


Синтез белков при низком содержании треонина в клетке

При очень низком содержании треонина в клетке синтез белков происходить не может. Синтезировать изолейцин (конечный продукт цепи, в начале которой находится треониндезаминаза) в отсутствие треонина было бы напрасной тратой энергии; вот почему экономная система клеточной регуляции выключает синтез изолейцина. Только тогда, когда концентрация треонина в клетке достигнет по крайней мере порогового значения, треониндезаминаза вновь становится…


Полученная информация в случае регулируемых ферментов

В случае регулируемых ферментов полученная информация содержит инструкции, согласно которым фермент либо катализирует, либо, наоборот, не катализирует определенную реакцию — превращение специфического субстрата в специфический продукт. Однако молекула, несущая информацию, зачастую не обладает никаким структурным сходством ни с субстратом, ни с продуктом реакции! Как же в таком случае она может способствовать или мешать проявлению специфической…