ена вещества, действующими в снятом виде на каждом последующем уровне организации живой материи. Характерно, что чем выше уровень регуляции обмена веществ, тем яснее выступает иерархическая, блочная система управления, суть которой сводится к слежению за поступлением сигнала и ответом на него.

Метаболитный уровень регуляции. Слаженность обмена веществ в организме, в значительной мере, определяется концентрацией разнообразных метаболитов—низкомолекулярных соединений, представляющих собой продукты тех или иных химических превращений в биологических объектах или поступающих в них в процессе питания.

Формы регуляции обмена веществ при участии метаболитов крайне многообразны. Простейшая из них сводится к ускорению или замедлению биохимических процессов за счет недостатка или избытка тех соединений, которые являются участниками соответствующих реакций. Так, объем белкового синтеза у гетеротрофов лимитируется поступлением незаменимых аминокислот и интенсивностью синтеза полузаменимых аминокислот. На этом, в частности, базируется микробиологический метод количественного определения содержания аминокислот в белковых гидролизатах и иных средах.

Более сложный характер носит регуляция обмена веществ за счет конкурентных взаимоотношений тех обменных процессов, которые замыкаются на общие метаболиты, относящиеся, как правило, к категории ключевых: пиро-виноградную, щевелевоуксусную и а-кетоглутаровую кислоты, ацетил-КоА, глюкозо-6-фосфат. Многочисленные примеры такого рода приведены в разделе о взаимосвязи обмена веществ в начале этой главы.

Несомненно, велика роль в регуляции обменных процессов ряда низкомолекулярных соединений, относящихся к разряду биологически активных,— витаминов, антивитаминов, коферментов, гормонов, антигормонов, вторичных посредников и др.

Метаболиты, взаимодействуя с ферментами, способны активировать или ингибировать их активность; примером первого рода является неоднократно упоминавшееся активирование протеинкиназ при действии на них цАМФ; не меньшую роль в регуляции обмена веществ играет другой вторичный посредник—цГМФ, активирующий фосфолипазу А2 и С, а также участвующий в биосинтезе простагландинов из арахидоновой кислоты. Источником новой группы вторичных посредников, как показано недавно, являются фосфоинози-тиды (см. с. 384):

473

ch2-0—co-r

Гормональный сигнал

сн - о - со - r'

Серотонии

Ацетилхолии

Гистамин

сн2-о—Р

Брвднкинин Вазопрсссин Экдиэон

он он

н

ch2-0- co-r

сн— о- со—к" +

о

сн2-он

ho-p-oh

о

он

но

р-он

II о

Диацил-глицерин СДАЛ

Инозит-1,4^ *трифосфат

Гормональный сигнал воспринимается рецептором, передающим его G-белку, который активирует фосфолипазу С. И диацилглицерин, и инозит-1,4,5-трифосфат являются вторичными посредниками, передающими гормональный сигнал далее: первый—протеинкиназе С (М = 67—83 кДа, активируется Са2+, переносит фосфат с АТФ на радикалы серина и треонина, насчитывает не менее 7 форм — а, рг, рп, у, 6, е, Q, фосфорилирующей около 20 ферментов и ряд белков (белки цитоскелета, белки-рецепторы и др.), а второй—в эндоплазматический ретикулум, из которого высвобождается Са2+, возбуждающий активность Са2+/кальмодулин-зависимой протеинки-назы, тоже обеспечивающей фосфорилирование функционально значимых белков (рис. 139). К числу вторичных посредников относится также оксид азота (NO)—мощный фактор гомеостаза. Он образуется в различных клетках и тканях, в том числе и в тромбоцитах человека> из L-аргинина за счет окисления азота аминогруппы гуанидиновой группировки последнего под действием Ь-аргинин->Ю-синтазы. Она существует в трех формах, две из которых являются конституивными, а одна—индуцибельной, причем в индукцию экспрессии гена последней вовлекаются липополисахариды и ядерный белковый фактор. Возникший так оксид азота активирует гуанилатцик-лазу, что приводит к повышению концентрации цГМФ, функции которого в регуляции обмена веществ отмечены выше (см. предьщущую стр.). Кроме того, непосредственно сам оксид азота является нейротрансмиттером и ци-тотоксическим агентом.

Примером второго рода является ретроингибирование (ингибирование по принципу обратной связи) активности фермента, стоящего в начале многоступенчатого превращения субстрата конечным продуктом реакции, что детально разработано при изучении регуляции биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов (см. с. 239):-

Аспарагиновая кислота

К арбам и л- Дигидро- Оротовая Оротидин- Уридин-

Карбамил -траисфераза

474

|§3 Гормон 1

Рис. 139. Фосфоинозитидный путь регуляции обмена веществ (пояснения в тексте)

Явления такого же порядка происходят во многих других случаях ал-лостерического изменения активности ферментов. Вместе с тем метаболиты могут быть и изостерическими (конкурентными) ингибиторами ферментов (см. с. 112). Высказано предположение, что метаболоны (см. с. 355) регулируются сигналами, передаваемыми через вторичные посредники; так, например, считают, что гликолитический метаболой регулируется потоком ионов Са, поступающих в микрокомпартменты клетки, где он локализован. Наконец, метаболиты являются индукторами и корепрессорами в системах, действующих на оперонном уровне регуляции обмена веществ.

Оперонный уровень регуляции. Опероном называется упорядоченная компактная совокупность цистронов (вместе со знаками начала и конца), считываемая как единое целое в процессе синтеза мРНК на ДНК. В случае моноцист-ронного оперона на нем синтезируется мРНК, предназначенная для биосинтеза в рибосомальном аппарате клетки одного единственного белка, в случае полицистронного (до полутора десятков цистронов)—ряд мРНК, на которых рибосомальным путем создается семейство различных белков (чаще всего ферментов), необходимых для осуществления многостадийного биохимического процесса в клетке. Первичное представление о моноцистронном оперо-не, равно как и о знаках начала и конца его считывания, дает рис. 87 на с. 259.

Сейчас ясно, что на уровне оперона регулируется главным образом объем биосинтеза ферментов за счет изменения количества молекул мРНК, возникающих в процессе транскрипции. Это оказывает решающее влияние на ход обменных процессов, мощными двигателями которых являются ферменты. Вместе с тем нельзя упускать из виду и то обстоятельство, что на уровне оперона регулируется синтез мРНК для новообразования гистонов, негисто-новых и рибосомальных белков, а также ряда других протеинов, не обладающих каталитической активностью, но являющихся регуляторами метаболи-

475

Индукция

Оперон

Ген- Структурные гены

Индуктор

Репрессия

Корепрессор

Рис. 140. Модель оперона

ческой активности генома, деятельности трансляционного аппарата клетки и других фундаментальных процессов обмена веществ.

Если рассмотреть несколько детальнее регуляцию на оперонном уровне объема биосинтеза ферментов в клетке, то вырисовываются два пути: индукция и репрессия. Сущность и того и другого ясна из рассмотрения рис. 140. Биосинтез фермента может быть индуцирован низкомолекулярным метаболитом—индуктором, который, соединяясь с репрессорным белком (он запрещает транскрипцию), освобождает зону оператора (знак начала оперона), что сопровождается присоединением РНК-полимеразы и началом синтеза про-мРНК, а затем, после ее посттранскрипционной модификации,—фермента.

Ферменты, биосинтез которых регулируется этим путем, называются ин-дуцибельными. К ним относятся Р-галактозидаза, рибулокиназа, тирозиназа, аспарагиназа и многие другие. Добавление индуктора (как правило, субстрата индуцибельного фермента) резко повышает объем синтеза фермента. Например, при добавлении Р-галактозида (лактоза) в культуральную среду кишечной палочки у последней синтез Р-галактозидазы возрастает в 10000 раз.

476

В отличие от этого ферменты, биосинтез которых стопорится под влиянием низкомолекулярного метаболита—корепрессора (рис. 140) (переводит репрес-сорный белок, не способный в норме оккупировать зону оператора, в активное состояние), называются репрессибельными. К их числу принадлежат орнитин-карбамилтрансфераза (ее корепрессор—аргинин), глутаминсинтетаза, уреаза (их корепрессор—NH4) и ряд других.

В последнее время показано, что индукция и репрессия могут быть генерализованными, т. е. контролироваться не каким-либо одним конкретным индуктором или корепрессором, а целой группой сходных с тем и другим соединений. Накапливаются также сведения о том, что один-единственный эффектор (например, ppGpp—3'-пирофосфо-гуанозин-5'-дифосфат) может индуцировать биосинтез целого семейства ферментов (например, ферментов биосинтеза гистидина и ряда других аминокислот). Поэтому проблема индукции и репрессии биосинтеза ферментов достаточно сложна, особенно в отношении индукции синтеза ферментов, не свойственных данному организму (например, ферменты детоксикации инсектицидов у насекомых).

Конечно, только индукцией и репрессией синтеза ферментов не исчерпывается регуляция обмена веществ на уровне генетического аппарата клетки. Как репликация самой ДНК, так и синтез на ней в качестве матрицы разнообразных РНК, в том числе и мРНК, что, в значительной мере, предопределяет ход обмена веществ в клетке, зависит от множества других событий. Среди них—метилирование ДНК; фосфорилирование и ацетилирование гистонов и негистоновых белков, входящих в состав хроматина; взаимодействие с хроматином гормон-рецепторных комплексов; аденилирование белков, участвующих в деятельности репликационного аппарата и др. Все они связаны с изменением метаболической активности генома, регуляцией его функций в целом.

Клеточный уровень регуляции. К регуляторным процессам на уровне клетки относятся: ядерно-цитоплазменные отношения; посттранскрипционная и посттрансляционная модификация макромолекул; транспорт веществ через мембраны субклеточных частиц и мембраны эндоплазматической сети; макромоле-кулярные (белок-белковые, белково-нуклеиновые, углеводно-белковые и липид-белковые) взаимодействия и др. Все они носят фундаментальный характер в регуляции обмена веществ.

Ядерно-цитоплазменные отношения сводятся к взаимозависимому контролю синтеза важнейших функционально активных биополимеров. Так, малые белковые субъединицы рибулозо-1,5-дифосфат-карбоксилазы, при посредстве которой осуществляется важнейший процесс акцептирования С02 в растительной клетке (см. с. 360), синтезируются в цитоплазме, а большие субъединицы—в хлоропластах. Биосинтез первых контролируется, следовательно, ядерным аппаратом клетки, вторых—хлоропластным геномом, локализованным в цитоплазме. В целом, из 800—1000 белков, необходимых для функционирования хлоропластов, лишь около 15% кодируется геномом этих клеточных органелл. Кроме рибулозо-1,5-дифосфат-карбоксилазы, при участии двух генетических систем растительной клетки (ядерной и хлоропластной) формируются тилакоидные мембраны, АТФазный и РНК-полимеразный комплексы хлоропластов. Аналогичный ядерно-цитоплазматический контроль характерен также для синтеза белковых субъединиц таких важнейших каталитически активных систем, как протонная АТФаза и цитохромоксидаза, белков внутренней и внешней мембран митохондрий, белков хлоропластных и митохондри-альных рибосом и т. п. Таким образом, только при согласованной деятельности генома ядра и геномов митохондрий, хлоропластов и других субклеточных структур, при согласованной работе белоксинтезирующих систем

477

перечисленных субклеточных частиц возникают сложные белково-ферментные комплексы клетки, обеспечивающие фундаментальные направления обмена веществ.

Посттранскрипционная и посттраисляциониая модификация макромолекул—

второй важнейший регуляторный процесс на клеточном уровне. Возникающие при транскрипции предшественники рибонуклеиновых кислот после ряда преобразований (метилирование, отщепление и присоединение олигонуклеотид-ных фрагментов и т. п.) превращаются в функционально активные РНК. Эти процессы детально изучены при созревании мРНК, рРНК, тРНК (см. гл. VI). В целом они предопределяют интенсивность белкового синтеза в клетке. Однако и белки, образующиеся при рибосомальном синтезе, тоже подвергаются посттрансляционной модификации (метилирование, отщепление пептидных фрагментов, присоединение углеводной составляющей при биосинтезе гликопротеинов и т. п.). В результате из полипептидов-предшественников получаются активные ферменты, гормоны, биологически активные пептиды и др. Естественно, что от уровня посттрансляционной модификации прямо или опосредованно зависят многие обменные процессы в клетке.

В последние годы особое значение придают ковалентной модификации ферментов, так как по этому принципу регулируется активность не менее 100 из них. Кроме фосфорилирования по радикалам серина, треонина и тирозина соответствуюпщми протеинкиназами (см. гл. IX, XII) большая роль принадлежит аденилированию и уридилированию, а также АДФ-рибозилированию ферментов.

Аденилирование и уридилирование, например, детально изучено Е. Стедма-ном у глутаминсинтетазы:

АТФ АДФ + НзР04

V__'°

\с—сн2-сн2-СН— COOH+ NH, > с— сн2- сн,-сн-соон

НО^ I I I

™2 H2N ^

Глутаммномя кислот* Глутамин- Глутамин

синтстаза (М-600 кДа, 12*50 ООО)

Активна в биосинтезе глутамина деаденилированная глутаминсинтетаза; по мере присоединения к каждой из ее 12 субъединиц остатков адениловой кислоты (при этом возможно существование 382 форм фермента) активность ее падает. Аденилирование идет по радикалу тирозина:

478

В свою очередь, аденилилтрансфераза активна лишь в том случае, когда она связана с регуляторным белком, не уридилированным по остатку тирозина; если же регуляторный белок уридилирован (реакция идет аналогично аденилированию, но с УТФ в качестве донора уридилатного остатка), то аденилилтрансфераза ускоряет реакцию деаденилирования глутаминсинтетазы и переводит ее снова в более активное состояние.

В случае АДФ-рибозилирования на гуанидиновый фрагмент радикала аргинина фермента (или H2N-rpynny лизина или аспарагина) переносится остаток АДФ-рибозы из состава НАД+; при этом высвобождается молекула никотинамида. Эту реакцию ускоряет НАД+-аза, обладающая АДФ-рибозил-трансферазной активностью:

К посттрансляционной модификации белков тесно примыкает протеолити-ческая деградация белков, особенно ферментов. Благодаря ей в клетке непрерывно идет противоборство двух процессов—распада ферментов и их синтеза, определяющее в конечном итоге количество того или иного фермента и ход ускоряемой им реакции.

Посттрансляционная модификация является источником возникновения множественных форм ферментов в клетке, как, например, в случае глутаминсинтетазы. Наряду с генетически детерминированными изоферментами они обеспечивают тончайшие нюансы в регуляции обменных процессов, так как каждый из них подобен отдельному инструменту в оркестре, звучание которого составляет симфонию жизни. В последнее время также активно разрабатывают проблему контроля транскрипции ядерного и митохондриального генома продуктами цитоплазмы у животных и растений.

Перенос веществ через мембраны ядра, митохондрий, лизосом, эндоплазматической сети и других субклеточных элементов, равно как и через клеточную оболочку,— один из существенных