21.12. Активность глутамин-синтетазы регулируется путем аденилирования

Регуляция глутамин-синтетазы -впечатляющий пример кумулятивного ингибирования по типу обратной связи, Напомним, что глутамин синтезируется из глутамата, и АТР (разд. 21.2). Глутамин-синтетаза состоит из 12 субъединиц с каждая, уложенных в два параллельных гексагональных кольца (рис. 21.15), Этот фермент - ключевой регуляторный элемент метаболизма, поскольку он, как показали Стэдтман и его коллеги, регулирует поток азота, Амидная группа глутамина - источник азота в биосинтезе ряда соединений, например триптофана, гистидина, карбамоилфосфата, глюкозамин-6-фосфата, и СТР и AMP. Глутамин-синтетаза кумулятивно ингибируется каждым из этих конечных продуктов метаболизма глутамина, а также аланином и глицином. Видимо, в молекуле этого фермента имеются участки связывания для каждого из этих ингибиторов. Ферментативная активность глутамин-синтетазы почти полностью подавляется при связывании всех восьми конечных продуктов.

Еще одно важное свойство

Рис. 21.15. Вид на глутамин-синтетазу Е. coli в трех проекциях. Изображения получены путем наложения большого числа электронных микрофотографий. Двенадцать субъединиц уложены в два гексагональных кольца, расположенных в параллельных плоскостях. (Печатается с любезного разрешения д-ра Earl Stadtman.)

глутамин-сентетазы- обратимая ковалентная модификация, изменяющая ее активность (рис. 21.16). Мы уже встречались с таким механизмом

регуляции при синтезе и распаде гликогена (разд. ). Фосфорилирование активирует гликоген-фосфорилазу и инактивирует гликоген-синтазу. Активность глутамин-синтетазы регулируется в некоторой степени ковалентным присоединением остатка AMP к гидроксильной группе специфического остатка тирозина в каждой субъединице. Такой аденилированный фермент более чувствителен к кумулятивному ингибированию по типу обратной связи, чем неаденилированный фермент. Остаток AMP, ковалентно присоединенный к ферменту, может быть удален с помощью фосфоролиза. Любопытная особенность этих реакций состоит в том, что они катализируются одним и тем же ферментом, аденилилтрансферазой, Чем же определяется, присоединяет ли этот фермент остаток AMP или отщепляет его?

Рис. 21.16. Регуляция активности глутамин-синтетазы с прмощью обратимой ковалентной модификации. Аденилирование катализируется комплексом аденилилтрансферазы (AT) и одной из форм регуляторного белка (РА). Тот же фермент в комплексе с другой формой регуляторного белка (PD) катализирует деаденилирование.

лось, что специфичность аденилилтрансферазы контролируется регуляторным белком (он обозначается буквой который может существовать в двух формах: Комплекс —аденилаттрансфераза присоединяет AMP к глутамин-синтазе и тем самым снижает ее активность, тогда как комплекс -аденилаттрансфераза отщепляет AMP. Итак, мы столкнулись с еще одним уровнем обратимой ковалентной модификации. превращается в путем присоединения уридинмонофосфата (UMP) (рис. 21.17). Эта реакция, которая катализируется уридил-трансферазой, стимулируется АТР и -оксоглутаратом и ингибируется глутамином. Остаток UMP, присоединенный к может быть в свою очередь удален ферментативным гидролизом.

В результате этого регуляторного каскада при ограниченном поступлении активированных атомов азота аденилирование ингибируется, а деаденилирование стимулируется. Глутамин-синтетаза становится менее чувствительной к кумулятивному ингибированию по типу обратной связи, и поступление глутамина соответственно увеличивается. Почему для регуляции этого фермента используется каскадный механизм? Одно из преимуществ этого механизма состоит в том, что он усиливает сигналы, как, например, при свертывании крови (разд. 8.17) или при регуляции метаболизма гликогена (разд. 16.17). Еще одна причина состоит, видимо, в том, что существенно возрастает возможность аллостерического контроля, так как каждый фермент каскада становится независимым объектом регуляции. Для интеграции метаболизма азота в клетке необходимо воспринимать и перерабатывать большое количество сигналов. Возможности одного белка в этом смысле ограничены, даже если молекула настолько чувствительна, как молекула глутамин-синтетазы! Возникновение каскадной регуляции обеспечило много дополнительных регуляторных участков и позволило тонко настраивать поток азота в клетке.