загрузка...
 
ПРОСТЕЙШАЯ ФЕРМЕНТНАЯ СИСТЕМА
Повернутись до змісту

ПРОСТЕЙШАЯ ФЕРМЕНТНАЯ СИСТЕМА

Минимальный состав ферментной системы — сам фермент (Е), его субстрат (обозначим его символом А) и продукт преобразования этого субстрата (В):

Обычно кинетика такой реакции описывается уравнением Михаэлиса-Ментен и соответствующей ему кинетической кривой. Характер этой кривой (см. рис. 4-11) показывает, что фермент как бы сопротивляется как повышению концентрации субстрата, так и его полному истощению. Действительно, усиленное образование субстрата (или приток в клетку) неизбежно ведет к повышению скорости его утилизации. т.е., вызывает противодействие его накоплению. При остановке выработки (или доставки) субстрата концентрация этого метаболита в клетке постепенно уменьшается, но соответственно замедляется и скорость его превращений; в конечном счете, субстрат утилизируется все медленнее, но никогда не исчезает полностью. В итоге даже при больших колебаниях интенсивности появления метаболита концентрация его в клетке автоматически поддерживается на уровне, более или менее близком значению Км.

На этот механизм кинетического типа могут «наслаиваться» аллостерические эффекты. Например, нередко субстрат является аллосте- рическим ингибитором своего фермента. Тогда наблюдается эффект торможения избытком субстрата, и кинетическая кривая приобретает куполообразный характер (рис. 4-15). Это означает, что после достижения некоторого

Рис. 4-15. Эффект угнетения фермента высокими концентрациями субстрата.

уровня концентрации субстрата дальнейшее ее нарастание сопровождается все большим замедлением реакции. Концентрация субстрата, при которой скорость реакции достигает максимума (пик кривой на рис. 4-15), называется оптимальной. Очевидно, такой способ саморегуляции выработан для тех ситуаций, когда чрезмерное накопление продукта реакции более нежелательно, чем избыток субстрата.

Аналогичный куполообразный характер кинетическая кривая приобретает и тогда, когда аплостерическим ингибитором фермента является не субстрат, а продукт реакции. Такая система тоже эффективно сопротивляется чрезмерному накоплению продукта реакции. Но здесь эффект «защиты от избытка продукта» достигается более прямым путем, т.е., аплостерическим влиянием самого продукта. Этот вариант обладает тем преимуществом, что угнетения фермента не наступает даже при высоких концентрациях субстрата, если образующийся продукт достаточно быстро утилизируется последующими реакциями. Иными словами, такая система реагирует не просто на скорость образования продукта, а на баланс реакций его возникновения и дальнейшего преобразования.

Иные соотношения наблюдаются, если субстрат является аллостерическим активатором своего фермента. Тогда кинетическая кривая приобретает 8-образный вид, т.е., имеет

перегиба (рис. 4-16). Это означает, что с прибавлением субстрата скорость реакции возрастает поначалу плавно, в соответствии с кинетикой Михаэлиса-Ментен. Однако на каком-то этапе начинает проявляться активирующий эффект, в результате чего все более значительным становится прирост скорости реакции в ответ на увеличение концентрации субстрата. Это выражается первым перегибом на кинетической кривой и последующим более крутым наклоном ее. После достижения наибольшей крутизны (максимального эффекта активации) плавно наступает второй перегиб кинетической кривой, означающий переход ее в форму, характерную для заключительного отрезка обычной кривой Михаэлиса-Ментен. Таким образом, в целом система весьма успешно сопротивляется как накоплению субстрата, так и его чрезмерному истощению. В диапазоне между

Рис. 4-16. Аллостерическая активация фермента субстратом.

перегибами фермент гораздо энергичнее обычного реагирует на малейшие изменения концентрации субстрата. Это позволяет стабилизировать ее гораздо эффективнее и в более узком интервале (между двумя перегибами), чем в отсутствие аллостерической активации субстратом (ср. рис. 4-11).

Наконец, аллостерическим активатором своего фермента может оказаться не субстрат, а продукт реакции. В таком случае с увеличением концентрации субстрата скорость реакции возрастает сначала постепенно, а по мере достаточного накопления продукта начинает сказываться его активирующее воздействие на фермент. Этот эффект не безграничен, а потому кинетическая кривая в целом имеет такой же характер, как и при активации фермента субстратом (см. рис. 4-16).

СИСТЕМА ДВУХ ФЕРМЕНТОВ ДЛЯ ОДНОГО СУБСТРАТА

Если один и тот же субстрат А может превращаться в два разных продукта (В и С), то, естественно, катализировать эти реакции должны разные ферменты (Е( и Е2):

В общем случае кинетические константы ферментов Е1 и Е2 будут разными. Следовательно, не совпадут и соответствующие им кинетические кривые. Они могут оказаться, например, такими, какие показаны на рис. 4-17. Тогда в диапазоне малых концентраций субстрата А будет преобладать первая реакция, т.е., образование продукта В. По мере увеличения [А] доля превращения его в вещество С будет нарастать. Когда концентрация субстрата достигнет значения N (соответствующего точке пересечения кривых), скорости обеих реакций сравняются: половина реагирующих молекул будет преврашаться в продукт В, другая — в продукт С. Если концентрация субстрата станет и далее нарастать, то его превращение в С будет становиться все более преобладающим.

Такая система особенно важна в тех случаях, когда нежелательно накопление не только продукта В, но и субстрата А. Решение проблемы природа нашла в том, чтобы направлять избыток субстрата на образование вещества, безопасного даже в больших количествах (продукт С на рис. 4-17). Поэтому путь превращения А в С стали называть резервным путем метаболизма, а не просто одним из альтернативных направлений. Хотя нередко такая «резервная» возможность выступает в более весомой роли, а именно — как способ накопления запасных питательных веществ (гликоген, жиры и другие).

Рис. 4-17. Графики зависимости скорости превращения субстрата А в продукт В {ферментом Е,) или в продукт С (ферментом Ег) [в приведенном примере кинетические константы для и Е2 составляют соответственно:

Км - 4 и 50 мМ, Х/щах - 30 и 80 мкмоль/мин].

Описанный механизм кинетического типа нередко дополняется аллостерическими влияниями. Они могут сделать более надежной защиту от чрезмерного повышения концентраций и субстрата, и продукта В. Такой эффект достигается, если, например, продукт В является аллостерическим активатором фермента Е2 либо ингибитором «своего» фермента Е1. Оба варианта ведут к повышению эффективности переключения метаболизма на альтернативный путь (образование продукта С). Более того, может оказаться сдвинутым положение точки «переключения», — например, в сторону более низких концентраций субстрата, чем значение N на рис. 4-17. Тогда переход на резервный путь станет наступать раньше, а концентрация продукта В будет лимитироваться строже.

ИЗОФЕРМЕНТЫ

Нередко бывает и так, что одну и ту же реакцию катализируют два разных фермента:

В

Такие ферменты стали называть изоферментами. Следует подчеркнуть, что это — не изомеры в обычном для химии понимании, а разные молекулярные формы одного и того же фермента. Обычно они несколько различаются по аминокислотному составу. Этих небольших отклонений достаточно для появления различий и в ИЭТ, и в оптимуме pH, и в спектре субстратной избирательности. Как правило, разными оказываются и кинетические константы в отношении одного и того же субстрата. Поэтому кинетические кривые для него могут различаться так же значительно, как и в примере, приведенном на рис. 4-17.

Суть изложенного не меняется от того, что нередко изоферменты различаются не аминокислотным составом, а соотношением субъединиц разного типа. Так, креатинкиназа скелетных мышц состоит из двух субъединиц типа М (от англ. muscle - мышца). Ее изофермент, содержащийся в мозгу, построен тоже из двух субъединиц, но несколько других - типа В (от англ. brain - мозг); он обладает гораздо большей подвижностью при электрофорезе (этот изофермент обнаружен также в яичниках, молочной и предстательной железах). Наконец, третий изофермент - креатинкиназа MB - содержит субъединицы разного типа (и потому обладает промежуточной электрофоретической подвижностью). Этот изофермент типичен для клеток миокарда. Он практически отсутствует в плазме (и сыворотке) крови здоровых людей, но обнаруживается в первые часы после острого инфаркта миокарда (что используется в диагностических целях).

Для лактатдегидрогеназы (ЛДГ) обнаружено 5 изоформ. Их принято обозначать цифрами - от ЛДГ-1 до ЛДГ-5 (по результатам электрофореза). Все они построены из 4 субъединиц двух типов — Н и М. В миокарде и эритроцитах преобладает ЛДГ-1, .состоящая из субъединиц типа Н (Н4), а в скелетной мышце - ЛДГ-5, построенная только из субъединиц типа М (М4). Остальные изоферменты (Н3М1, Н2М2 и Н1М3), обладающие промежуточной электрофоретической подвижностью, встречаются в самых разных тканях, причем, в разнообразных соотношениях. Например, печеночные клетки, наряду с ЛДГ-5, содержат значительное количество ЛДГ-4.

Если изоферменты распределены по клеткам разного типа, то они обеспечивают специфику метаболизма своих клеток (или особенности метаболических процессов в тех субклеточных структурах, где они локализованы).

Если же разные изоферменты находятся в одной и той же клетке, то их кинетические кривые становятся неразличимыми, ибо и субстрат для них один и тот же, и продукт тоже. Общий итог зависимости скорости реакции от концентрации субстрата таков, как будто индивидуальные кинетические кривые, суммируясь, слились в единую, более сложную. Она характеризуется двумя крутыми подъемами (в диапазоне Км каждого из изоферментов) с более пологим участком между ними (особенно явным он становится при очень большом различии между величинами Км)- Такой тандем изоферментов природа «изобрела» для ситуаций, когда клетке приходится работать в условиях колоссально широкого диапазона колебаний притока субстрата. Описанная система успешно перерабатывает субстрат и при довольно малых, и при чрезвычайно высоких концентрациях субстрата.

Наиболее яркий пример сочетания двух изоферментов представляют печеночные клетки. В них, как и во всех других клетках, есть фермент гексокиназа. Она катализирует первую реакцию утилизации глюкозы, превращая ее (за счет АТФ) в глюкозо-6-фосфат. Сродство гексокиназы к глюкозе очень велико: значение Км составляет около 0,01 мМ. Это примерно в 500 раз меньше реальной концентрации глюкозы в клетках. Отсюда следует, что гексокиназа любых клеток (пока они живы) всегда работает СО свойственной ей Углах, т.е., на пределе своих возможностей.

Однако, в печеночных клетках (и только в них!) есть еще один фермент, катализирующий ту же реакцию, - глюкокиназа. Фактически он является изоферментом гексокиназы (во времена их открытия еще не было понятия об изоферментах, поэтому и названия этих киназ оказались разными). Глюкокиназа отличается по ряду свойств, в том числе — по спектру субстратной специфичности в отношении разных моносахаридов. Однако самое важное отличие заключается в несравненно меньшем сродстве к субстрату: значение Км для глюкозы на три порядка выше и достигает 20 мМ! Это более чем в 4 раза превышает обычную концентрацию глюкозы в клетках. Поэтому в обычных условиях глюкокиназа работает не более чем на 1/8 (12%) от своих максимальных возможностей (а собственные потребности гепатоцитов удовлетворяются в основном гексокиназой).

Рис. 4-18. Схема неразветвленной мультиферментной системы.

На первый план роль глюкокиназы выступает в период пищеварения, когда с током крови в печень поступают очень большие количества глюкозы (а гексокиназа не может усилить свою работу, всегда исполняемую на уровне ^тах)- Если концентрация глюкозы в крови воротной вены (и, следовательно, в гепатоцитах) возрастет в 4 раза, достигнув значения Км для глюкокиназы (20 мМ), — даже в этих условиях глюкокиназа будет работать лишь вполовину от свойственной ей Упад. И у нее останется значительный резерв мощности на случай еще большего поступления глюкозы в печень. Перерабатываемый при этом избыток глюкозы гепатоциты превращают в основном в гликоген, который откладывается в них про запас (резервный путь метаболизма!). По мере завершения пищеварения (снижения содержания глюкозы в крови воротной вены) работа глюкокиназы соответственно замедляется, — и так до нового приема пищи.

Таким образом, благодаря наличию такого изофермента, как глюкокиназа, печень не только оказывается в готовности к резким перепадам концентрации глюкозы в крови воротной вены, но и задерживает (в виде гликогена) основную массу всасываемой в кишечнике глюкозы, предотвращая ее прорыв в общий кровоток.

Пример глюкокиназы примечателен демонстрацией того, что в живых системах есть и такие резервы мощности, которые не требуют усиления функции уже работающего механизма, а сводятся к вовлечению в общий труд новых исполнителей, находящихся обычно как бы в дремлющем» состоянии. И — самое главное — это включение резервного механизма происходит не по какой-то специальной команде, а совершенно автоматически, в силу природных свойств и «обычных», и добавочных» исполнителей.



загрузка...