Ингибирование по типу обратной связи в метаболических системах

Рассмотрим, как могла бы вести себя система, изображенная на рис. 1.1, в отсутствие и в присутствии экзогенного источника некоторого метаболита, например Предположим, что — это аминокислота, а наша система — бактерия, скажем Escherichia coli. Если аминокислота присутствует в культуральной среде, то она будет транспортироваться через бактериальную мембрану и поступать во внутренний пул аминокислот, обозначенный доступный для активации и включения в белок. Так как метаболические реакции термодинамически обратимы (константы скорости для прямой и обратной реакций не равны нулю), аминокислота может превращаться в и т. д. Единственным результатом присутствия в системе является сдвиг стационарного состояния. Все переменные будут по-прежнему присутствовать в системе, но значения стационарных концентраций будут выше тех, которые были в отсутствие

После открытия Ледербергом в 1946 г. пола у бактерий для изучения метаболизма бактерий стали доступны генетические методы анализа и начался период интенсивных и чрезвычайно плодотворных исследований в этой области. К 1955 г. было обнаружено, что у мутантных штаммов бактерий с внутренним блокированием цепи биосинтеза, обусловленным присутствием дефектного фермента, накапливались промежуточные продукты стадий метаболизма, предшествующих блоку (Roberts et al., 1955). Например, если бы мутантным был фермент, катализирующий реакцию

так что , то мы бы увидели, что предшественники присутствуют в относительно больших количествах. Бактерии, конечно, не способны расти в отсутствие экзогенных аминокислот. Это хорошо согласуется с нашей схемой, если только предположить, что реакция от является экзергонической (выделяющей свободную энергию), так что равновесие сдвинуто в сторону накопления промежуточных продуктов, приводящих к образованию конечного продукта цепи. Однако затем было показано, что если конечный продукт подается извне, то предшественники исчезают, а бактерии приобретают способность к

росту (Novick, Szilard, 1954). Это расходится с нашей схемой, так как при присутствие или отсутствие в клетках не должно было бы сказываться на Было решено, что конечный продукт обладает специфическим действием на фермент, катализирующий первую стадию — реакцию превращения

Прямое подтверждение это получило в 1956 г., когда Умбаргер показал, что треониндезаминаза, первый фермент из пяти в метаболической цепи от треонина к изолейцину, сильно и специфически ингибируется -изолейцином, конечным продуктом цепи. Он назвал это явление ингибированием конечным продуктом. В этом же году Пейте и Парди (Yates, Pardee, 1956) сообщили о специфическом ингибировании цитидинтрифосфатом аспартаткарбамоилтрансферазы, первого фермента в цепи реакций от аспартата к пиримидинам. Интересно отметить, что прямые реакции в обоих этих примерах энергозависимы, что делает их физиологически необратимыми (т. е. существенно необратимыми при физиологических временных масштабах и условиях). Выведение конечного продукта из метаболического пути происходит либо с помощью включения его в макромолекулы (белок или нуклеиновую кислоту для соответствующих ферментов), либо за счет деградации, что дает, следовательно, однонаправленный поток вдоль пути биосинтеза. Именно это свойство однонаправленности обеспечивает возможность управления скоростью потока одним ферментом. Экзергоничность первой стадии делает ее термодинамически эффективным местом управления. К тому же заключению приводит логика метаболизма, так как если имеется другой источник конечного продукта (например, питательная среда), то не потребуется ни одного из интермедиатов этого пути метаболизма, поскольку они нужны только для производства конечного продукта. Благодаря обнаружению организмов, которые, по нашим представлениям, ведут себя и логично, и эффективно, мы можем считать, что поняли по крайней мере один из их существенных принципов организации. Интересно, к чему ведет невыполнение этого принципа. Рассмотрим, что случилось бы, если бы, например, лактатдегидрогеназа (ЛДГ) ингибировалась лактатом, продуктом восстановления пирувата в реакции с НАД-Н. Эта реакция физиологически обратима, что дает возможность при некоторых условиях (таких, как сильная мышечная активность) накапливать лактат, а затем, когда позволят условия, окислять его. Поскольку для лактата не существует другого пути превращения, кроме как через пируват, то ингибирование лактатом ЛДГ привело бы к образованию пула «пойманного» продукта и к значительным физиологическим расстройствам. Таким образом, мы видим, что для существования физиологически обратимых стадий имеются

веские причины и что обратимость несовместима с управлением, обеспечивающим наличие клапанов в однонаправленных путях.

Имеются, конечно, метаболические пути, в которых поток может течь в любом из двух направлений в согласии с физиологическими потребностями. Классическим примером такой системы является гликолиз—глюконеогенез. Можно было бы предположить, что в этом случае никакой регуляции не происходит и что закон действующих масс задает скорость общего потока просто в соответствии с концентрацией метаболитов на любом конце пути. При этом система работала бы неким присущим ей, довольно инертным способом, но ясно, что это было бы очень неэффективно. Вот почему некоторые из стадий, например, гликолиза по необходимости экзергонические [в частности, катализируемое фосфофруктокиназой фосфорилирование фруктозо-6-фосфата (Ф6Ф) с помощью АТФ с образованием фруктозо-1,6-дифосфата (ФДФ)]. Обращение этой реакции только с помощью закона действующих масс потребовало бы накопления очень большого количества ФДФ, что нарушило бы pH и осмотическое давление внутри клетки, а также привело бы к концентрированию большей части энергии в одном компоненте системы. Поэтому требуется другая стратегия, лишенная этих недостатков; она состоит в превращении ФДФ по другому пути. Клетки для этого используют другой путь от ФДФ до Ф6Ф, на котором происходит гидролиз, и, таким образом, данная стадия снова является экзергонической. Катализирует превращение фермент фосфатаза. Таким образом, представляется, что потеря свободной энергии при гидролизе ФДФ, высвобождающем неорганический фосфат вместо АТФ, как это обычно имеет место другой реакции, является платой за то, чтобы достигнуть эффективной обратимости этой стадии в последовательности реакций. Ферменты фосфофруктокиназа и фосфатаза в этом случае становятся потенциальными участками метаболического управления с помощью такого процесса, как ингибирование конечным продуктом, и позже мы в этом убедимся. Таким образом, регуляция может происходить и в обратимой последовательности метаболических стадий, но она осуществляется согласно тем же принципам, что и регуляция необратимой или неразветвленной систем, таких, как рассмотренные выше пути биосинтеза, включающие треониндезаминазу или аспартаткарбамоилтрансферазу.