3.2. Уровни функциональной организации полиферментных систем

Превращение исходных субстратов клеточного метаболизма, поступающих из окружающей клетку среды, в конечные продукты, выбрасываемые в среду, и в резервные вещества осуществляется через сеть взаимосвязанных ферментативных реакций, имеющую очень сложную функциональную организацию. Эта функциональная организация представляет собой определенный порядок взаимодействия веществ клетки друг с другом на основе стерического (структурного) соответствия микро- и макромолекул. Такое стерическое соответствие лежит в основе специфичности действия ферментов на субстраты, специфичности изо- и аллостерических регуляторных взаимодействий и, наконец, специфичности взаимодействий

Рис. 19. (см. скан) Первичная структура гликолитической системы (а) и схема реакций, обнаруженная Дегани и Холменом [159] при щелочной деградации глюкозо-6-Ф при

белков и нуклеиновых кислот между собой и друг с другом. Эта организация, названная Диксоном [3, с. 467] организацией на основе специфичности, может существовать даже в условиях идеального перемешивания внутриклеточной среды.

Функциональная организация клетки эволюционировала, по-видимому, на протяжении 3 млрд. лет [155—158]. Длительная эволюция создала хорошо различимую иерархию взаимодействий в функциональной организапии метаболизма современных клеток. В этой иерархии мы выделим три иерархические структуры: первичную, вторичную и третичную.

Первичная структура клеточного метаболизма представляет собой скелет метаболизма, образованный взаимодействиями между смежными реакциями через общие промежуточные вещества. Широко известная карта Никольсона «Метаболические пути» представляет собой именно первичную структуру клеточного метаболизма. Изображение первичной структуры гликолиза

показано на рис. 19, а. Как показали Дегаии и Холтен [159], неферментативный гликолиз глюкозо-6-фосфата, наблюдаемый в слабощелочной среде (рН 8,7), проходит по нути (рис. 19, б), сохранившемуся в современных клетках. На этом основании авторы пришли к выводу, что метаболические пути (т. е. первичная структура, по нашей классификации) возникли в ходе эволюции раньше, чем ферменты, катализирующие эти пути.

Вторичная структура, или стехиометрическая, клеточного метаболизма образуется из первичной структуры и взаимодействий между реакциями через общие кофакторы. Вторичная структура — это совокупность всех стехиометрических взаимодействий между реакциями. Альбом Дэгли и Никольсона «Метаболические пути» [160] содержит изображения стехиометрической структуры различных полифермептных систем.

Интересно отметить аналогию между вторичной структурой макромолекул и стехиометрической структурой полиферментных систем: повторяющиеся взаимодействия реакций через общие кофакторы могут вызывать частичную спирализацию вторичной структуры полиферментных систем. Известными примерами этого явления служат спиральные стехиометрические структуры полиферментных систем, участвующих в синтезе и окислении жирных кислот.

На рис. 20 показана вторичная структура гликолитической системы. Как] видно из рисунка, взаимодействия четырех фосфотрансферазных реакций вызывают спирализацию первичной структуры (выделена толстой линией).

Множество ферментативных реакций, связанных общим кофактором, образует ядро реакций. На рис. 20 показаны два ядра, образованных четырьмя фосфотрансферазными и тремя дегидрогеназными реакциями. Благодаря таким ядрам осуществляется очень тесная связь между отдельными частями первичной структуры. Если резко изменить концентрацию глюкозы, то это вызовет следующую цепь событий: изменение скорости гексокиназной реакции изменение отношения [АТФ]/[АДФ] - изменение скоростей всех фосфотрансферазных реакций. Таким образом, нируваткиназная реакция, отстоящая в первичной структуре очень далеко от гексокиназной реакции, получает сигнал об изменении в первой гликолитической реакции очень быстро — одновременно с другими фосфотрансферазными реакциями.

Стоит заметить, что вторичная структура полиферментной системы может быть реконструирована на основании первичной структуры — точно так же, как и вторичная структура макромолекулы может быть предсказана исходя из ее первичной структуры.

Замечательно то, что эволюция не уничтожила более примитивные варианты стехиометрической структуры. Это позволяет

(кликните для просмотра скана)

проследить путь, по которому развивался клеточный метаболизм. Так, например, у некоторых микроорганизмов существуют ферменты гликолитического пути, которые вмесю АТФ или АДФ используют неорганические полифосфаты и соответственно число ортофосфатных групп в одной молекуле полифосфата) [161—165]. Полифосфаты относительно легко образуются в растворе ортофосфорной кислоты в условиях, близких к тем, которые, как полагают, существовали на Земле 3 млрд. лет назад [157, 158]. Поэтому они являются несомненными эволюционными предшественниками АТФ и других ттуклеотидов, выполняющих роль переносчиков энергии в различных биохимических процессах. Имеющиеся в настоящее время энзимологические данные [161 —165] позволяют реконструировать древнюю вторичную структуру гликолитической системы так, как это показано на рис. 21. Сравнение этой древней вторичной структуры с более молодой, в которой роль переносчика энергии выполняет АТФ (см. рис. 20), показывает, что вторичная структура гликолиза сохранилась прежней, несмотря на сильное изменение химической структуры кофактора фосфотрансферазных реакций.

Третичная структура клеточного метаболизма представляет собой совокупность всех стехиометрических и нестехиометрических взаимодействий, контролирующих активности ферментов. К нестехиомегрическим взаимодействиям относятся любые изо- и аллостерические взаимодействия между ферментами и модификаторами их каталитической активности. На рис. 22 в качестве примера показана третичная структура гликолитической системы. Регуляторные связи третичной структуры, по-видимому, возникли в ходе эволюции и улучшили свойства вторичной структуры. Если это так, то в наших руках оказывается очень простой метод математического анализа полиферментных систем. Суть его состоит в следующем. Для выяснения роли многочисленных регуляторных взаимодействий третичной структуры данной полиферментной системы необходимо сначала изучить свойства значительно более простой и поэтому легко доступной для анализа вторичной структуры этой системы. На основании анализа вторичной структуры можно теоретически предсказать, какие нестехиометрические регуляторные взаимодействия следует внести во вторичную структуру, чтобы улучшить ее свойства. Если предсказанные регуляторные связи действительно существуют, то это указывает на то, что улучшаемое ими свойство полиферментной системы, обнаруженное на уровне вторичной структуры, так сказать, in statum nascendi, играет важную роль в функциональной организации клетки.

В последующих разделах иллюстрируется применение этого метода для анализа энергетического метаболизма.

(кликните для просмотра скана)