Биохимия растений

нетической программой развития организма и функциониро˝ванием механизмов адаптации растений к изменениям условий ок˝ружающей среды. При этом растения и другие высшие организмы˝ представляют собой очень хорошо сбалансированные и эффе˝к-

тивно действующие саморегулирующиеся системы. Это оказы˝вается возможным благодаря тому, что в любых живых организм˝ах

имеются системы регуляции биохимических процессов, связ˝анные прежде всего с воздействием на синтез и каталитическую ак-

тивность ферментов.

В зависимости от особенностей синтеза все ферменты подра˝з-

деляют на две группы — конститутивные и индуцируемые (ил˝и

индуцибельные). Конститутивные ферменты постоянно синтезируются в клетках организма независимо от их состояния и у˝словий

окружающей среды. Они катализируют жизненно важные и по-

стоянно протекающие в организме биохимические реакции, н˝а-

пример реакции дыхания. Однако синтез многих других ферме˝н-

тов почти все время подавлен специфическими белками-репр˝ес- сорами. Но действие белка репрессора, ингибирующего синте˝з

фермента, прекращается при появлении в клетке определенн˝ого

вещества, превращение которого катализирует данный ферм˝ент,

или под воздействием какого-либо другого фактора, способн˝ого

понижать ингибиторную активность белка-репрессора, при э˝том инициируется синтез белка-фермента, образующиеся при это˝м

ферментные белки получили название индуцируемых ферментов.

Регуляция скорости реакций, катализируемых конститутив˝ны-

ми ферментами, осуществляется с помощью аллостерических˝ ак-

тиваторов и ингибиторов, называемых аллостерическими эффекторами. Они способны связываться с определенным участком молекулы фермента, который пространственно удален от каталит˝ичес-

кого центра, при этом происходит изменение конформации ферментного белка, вызывающее усиление или ослабление ег˝о каталитических свойств. Участок связывания аллостерическ˝ого эффектора называют аллостерическим центром фермента, а сам˝и

ферментные белки, имеющие аллостерический центр, получил˝и

название аллостерических ферментов. Связывание эффекто˝ра с аллостерическим центром фермента происходит на основе т˝акой же специфической реакции, как и связывание субстрата с ка˝талитическим центром ферментного белка.

Аллостерические ферменты чаще всего представляют собой оли-

гомерные белки, в каждой субъединице которых имеются цент˝ры связывания для субстрата, ингибитора и активатора. Такой ˝белок может находиться в двух конформациях, между которыми суще˝-

ствует подвижное равновесие. В одной из них он связывает м˝оле-

кулы активатора, которые вызывают перестройку пространс˝твен-

ной структуры ферментного белка и оптимизацию структуры˝ ка-

221

Рис. 8.12. Взаимодействие аллостерического фермента с активатором и ингибитором:

1 — активатор, связанный с аллостерическим центром фермента; 2 — субстрат, связанный с каталитическим центром фермента; 3 — ингибитор, связанный с аллостерическим центром фермента: À è Á — полипептидные субъединицы фермента

талитического центра (рис. 8.12). В другой конформации субъед˝и-

ницы аллостерического фермента связывают молекулы инги˝битора, под действием которого ферментный белок переходит в н˝еак-

тивное состояние.

Общее число молекул фермента, находящихся в каталитическ˝и

активной конформации, зависит от соотношения концентрац˝ий

активатора, ингибитора и субстрата. При достаточно высоко˝й концентрации ингибитора аллостерический фермент находи˝тся

преимущественно в каталитически неактивной конформации˝ и

скорость ферментативной реакции очень сильно замедляет˝ся.

Если в физиологической среде создается высокая концентр˝ация

активатора, то аллостерический фермент переходит в катал˝ити- чески активную конформацию, обеспечивая ускорение катал˝изи-

руемой реакции. Роль активаторов и ингибиторов аллостери˝чес-

ких ферментов выполняют биохимические метаболиты, образ˝ую-

щиеся в ходе жизнедеятельности организма.

Так, связывание СО2 с рибулозо-1,5-дифосфатом в ходе фотосинтеза катализирует аллостерический фермент рибулозодифос-

фаткарбоксилаза (см. раздел 9.1). Аллостерическим активатор˝ом

этого фермента служит фруктозо-6-фосфат, образующийся в

процессе превращения и взаимодействия продуктов данной˝ реакции, тогда как другой продукт реакций фотосинтеза фрукт˝озо- 1,6-дифосфат действует как аллостерический ингибитор ферм˝ента рибулозодифосфаткарбоксилазы. Если в хлоропластах в ре-

зультате каких-либо нарушений прекращается превращение˝

фруктозо-1,6-дифосфата во фруктозо-6-фосфат, то происходит накопление этого продукта и он аллостерически подавляет˝ действие фермента рибулозодифосфаткарбоксилазы, вследстви˝е чего скорость включения СО2 в углеводные продукты фотосинте-

за резко замедляется.

Активность дыхательного фермента фосфофруктокиназы, ка˝та-

лизирующего фосфорилирование фруктозо-6-фосфата от АТФ с

образованием фруктозо-1,6-дифосфата, аллостерически актив˝иру-

ется АДФ и ингибируется повышенной концентрацией АТФ. В

процессе дыхательных реакций происходит окисление угле˝водов и

222

других органических веществ и образование биоэнергетич˝еских продуктов, в том числе АТФ. Если в ходе биосинтетических ре˝акций АТФ подвергается гидролизу с образованием АДФ, то всл˝едствие повышения концентрации АДФ аллостерически активи˝ру-

ется фермент фосфофруктокиназа, под действием которого п˝роисходит активное включение в реакции дыхания фруктозо-6-ф˝ос-

фата, что через последующие этапы превращений приводит к образованию АТФ, и таким образом концентрация этого биоэн˝ер-

гетического продукта поддерживается на определенном ур˝овне.

Если же потребление АТФ уменьшается и создается его высок˝ая

концентрация, то он начинает действовать как аллостериче˝ский

ингибитор фермента фосфофруктокиназы, вследствие чего п˝онижается скорость включения в реакции дыхания фруктозо-6-фо˝с-

фата, что, в свою очередь, в целом понижает скорость дыхател˝ь-

ных реакций и сопряженных с ними реакций синтеза АТФ.

У целого ряда аллостерических ферментов центры связыван˝ия

активатора и ингибитора находятся в специальной субъеди˝нице ферментного белка, получившей название регуляторной субъединицы. Присоединяя к аллостерическому центру активатор или инги-

битор, регуляторная субъединица претерпевает соответст˝вующее

конформационное изменение, вызывая перестройку простра˝н-

ственной структуры всей молекулы фермента, в том числе и т˝ех субъединиц, в которых находятся каталитические центры.

Аллостерической регуляции, как правило, подвержены так

называемые ключевые ферменты, которые катализируют лимити-

рующие стадии биохимических превращений, в ходе которых

происходит значительное снижение свободной энергии. Фер˝- менты, катализирующие другие этапы в данной цепи превраще˝- ний, чаще всего не обладают аллостерическими свойствами, ˝по-

этому их действие в основном определяется концентрациям˝и субстратов и образующихся продуктов. Почти всегда к лимит˝и- рующим этапам, которые катализируют аллостерические фер˝- менты, относятся первые реакции в цепях последовательных˝

биохимических превращений и реакции, приводящие к ветвле˝-

нию метаболических путей.

Наиболее распространены два вида аллостерических механ˝измов регуляции: ингибирование по типу отрицательной обрат˝ной связи и регуляция опережающего типа, или активация предше˝-

ственником. Ингибирование по типу отрицательной обратной связи

происходит в том случае, когда наблюдается накопление кон˝ечного продукта в цепи последовательных биохимических превращ˝ений, что может вызвать нарушение обмена веществ. Этот метаболи˝т

действует как аллостерический ингибитор, понижая активн˝ость

ферментов, катализирующих лимитирующие стадии данного м˝е-

таболического пути и в первую очередь фермента, который к˝ата-

223

лизирует начальный этап превращений. По указанному механ˝изму в рассмотренных ранее примерах аллостерически подавл˝яется активность фермента фотосинтеза рибулозодифосфаткарбо˝ксилазы при накоплении фруктозо-1,6-дифосфата или дыхательного

фермента фосфофруктокиназы высокой концентрацией АТФ. Причем необходимо отметить, что при высокой концентрации˝

АТФ происходит одновременное аллостерическое ингибиров˝ание многих дыхательных ферментов (см. раздел 9.3).

В ряде других реакций осуществляется регуляция опережающего типа (активация предшественником), когда образовавшийся ме-

таболит аллостерически активирует фермент, катализирую˝щий

его превращение, или другой фермент в цепи последующих пр˝е- вращений. Так, например, осуществляется аллостерическая а˝кти-

вация 3-фосфоглицериновой кислотой, возникающей в процесс˝е

фотосинтеза, фермента, катализирующего образование АДФ-г˝лю-

козы, необходимой для синтеза крахмала. Лимонная кислота,˝ ко-

торая образуется в первой реакции цикла Кребса, действует˝ как аллостерический активатор фермента изоцитратдегидроге˝назы,

катализирующей один из последующих этапов превращения л˝и-

монной кислоты. В настоящее время известно довольно много˝

примеров опережающей аллостерической активации фермент˝ов

метаболическими предшественниками.

Биохимические продукты, образующиеся в ходе реакций одно˝-

го метаболического пути, могут участвовать в аллостериче˝ской ре-

гуляции ферментов другого метаболического пути, и благод˝аря

этому формируется довольно сложная и хорошо сбалансиров˝ан-

ная система регуляции всех биохимических превращений, из˝ которых складывается в целом обмен веществ организма. В рез˝ультате существования такой перекрестной системы регуляции о˝казы-

вается возможным переключение биохимических превращени˝й с одного метаболического пути на другой. Так установлено, ч˝то продукт пентозофосфатного пути окисления глюкозо-6-фосфа˝та 6-фосфоглюконовая кислота аллостерически ингибирует фер˝мент

анаэробной стадии дыхания фосфофруктокиназу и таким обр˝азом

переводит дыхательные реакции на пентозофосфатный путь˝ окисления углеводов. Другим хорошо изученным примером перекр˝естной регуляции метаболических реакций является синтез АТ˝Ф и ГТФ из инозин-5-фосфата. При этом образование АТФ аллосте-

рически регулируется концентрацией ГТФ, а синтез ГТФ — к˝он-

центрацией АТФ, в результате конечная концентрация каждо˝го из этих продуктов будет сбалансированно изменяться в завис˝имости от потребностей организма.

При рассмотрении схем регуляции ферментативных реакций˝

следует отметить очень важную особенность. Если фермент п˝ред-

ставлен в организме набором изоферментов, то активность к˝аждо-

224

го изофермента регулируется разными метаболитами, что пр˝идает системе аллостерической регуляции метаболических реакц˝ий более лабильный и эффективный характер.

На рисунке 8.13 показана схема возможной аллостерической

регуляции синтеза двух биохимических продуктов из одног˝о метаболического предшественника (À). Если по какой-либо причине

увеличивается концентрация продукта Ð1, то он аллостерически ингибирует фермент EnÑD и действует как аллостерический акти-

ватор на фермент EnÑÊ, переводя таким образом метаболические

реакции на синтез продукта Ð2. Если же продукт Ð2 также будет

накапливаться, то он аллостерически ингибирует фермент EnÑÊ, à

образующийся продукт Ñ уже действует как аллостерический ингибитор фермента EnÀÂ, катализирующего начальную стадию пре-

вращений. В цепи превращений Ñ → Ð1 продукт D аллостерически

активирует действие фермента EnEF, обеспечивая сдвиг равновесия в реакции D € E для образования продукта Å.

На примере рассмотренной схемы аллостерической регуляц˝ии

показано лишь одно из звеньев довольно сложной общей сист˝е-

мы метаболических взаимодействий в организме, включающе˝й элементы множественной регуляции, когда один и тот же мет˝а-

болит может аллостерически воздействовать на целую груп˝пу

ферментов, катализирующих биохимические превращения в р˝аз-

ных метаболических путях, объединяя их в единую регулятор˝ную

систему.

Быстрый перевод фермента в активную или неактивную форму˝

может происходить также путем ковалентной модификации е˝го

молекул в результате присоединения фосфатных групп или н˝укле-

отидных радикалов. В свою очередь, ферменты, катализирующ˝ие

Рис. 8.13. Возможная схема аллостерической регуляции фермен˝тативных реакций синтеза двух биохимических продуктов Ð1 è Ð2:

À — первичный субстрат; Â, Ñ, D, Å, F, Ê, Ì — промежуточные продукты; EnAB, EnÑD, EnEF, EnÑÊ — аллостерические ферменты; 1 — аллостерическое ингибирование; 2 — аллостерическая

активация

225

ковалентную модификацию, регулируются по аллостерическ˝ому механизму.

Хорошо изученным примером регуляции активности ферментов с использованием механизма ковалентной модификации˝ слу-

жит превращение глутаминовой кислоты в глутамин, катализ˝ируемое ферментом глутаминсинтетазой:

Фермент глутаминсинтетаза находится в каталитически ак˝тив-

ной форме при высокой концентрации a-кетоглутаровой кислоты — метаболического предшественника глутаминовой кис˝лоты.

Однако если концентрация a-кетоглутаровой кислоты понижает-

ся и происходит накопление глутамина, то последний аллост˝ери- чески активирует фермент аденилилтрансферазу, который к˝атали-

зирует присоединение нуклеотидного радикала адениловой˝ кис-

лоты от АТФ к гидроксильной группе одного из остатков ами˝нокислоты тирозина в молекуле глутаминсинтетазы, переводя˝ этот

фермент в аденилированную форму:

Глутаминсинтетаза—Tyr—OH+ АТФ ¾¾¾¾¾¾¾¾¾®Аденилилтрансфераза

¾¾¾¾¾¾¾¾¾®Аденилилтрансфераза Глутаминсинтетаза—Tyr—АМФ+ Í4Ð2Î7

Аденилированная форма глутаминсинтетазы аллостерическ˝и ингибируется продуктами метаболизма глутамина, в результате чего синтез глутамина прекращается. Перевод фермента глу˝таминсинтетазы в кaталитически активную форму катализирую˝т дезаденилирующие ферменты, с участием которых осуществляе˝тся перенос радикала адениловой кислоты от аденилированной˝ глутаминсинтетазы на неорганический фосфат с образованием АД˝Ф:

Глутаминсинтетаза—Tyr—АМФ + Í3ÐÎ4 ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾®Дезаденилирующие ферменты

¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾®Дезаденилирующие ферменты Глутаминсинтетаза—Tyr—ОН+АДФ

Активность дезаденилирующих ферментов аллостерически ак-

тивируется высокой концентрацией a-кетоглутаровой кислоты, но аллостерически подавляется при накоплении глутамина˝.

226

Регуляция активности индуцируемых ферментов осуществля˝- ется как в процессе их синтеза, так и с участием аллостерич˝еских механизмов. Синтез ферментов, как и других белков, предста˝вляет собой довольно сложный биохимический процесс, который

включает синтез рибосомной (рРНК), транспортной (тРНК) и матричной (мРНК) рибонуклеиновых кислот, называемый транскрипцией.

С участием рибосомной РНК происходит образование рибо-

сом, которые при взаимодействии с матричной и транспортно˝й

РНК осуществляют синтез ферментных и других белков. Этот

процесс называют трансляцией (см. гл. 12). Установлено, что у

высших организмов регуляция синтеза ферментов может про˝исходить в процессе как транскрипции, так и трансляции. Однако˝ зна-

чительно лучше изучен механизм регуляции синтеза фермен˝тов на

уровне транскрипции. Принципиальная схема такого процес˝са

представлена на рисунке 8.14.

Основной регулируемый этап на этой схеме — это синтез ма˝т- ричной РНК, катализируемый ферментом РНК-полимеразой.

Этот фермент в результате специфического взаимодействи˝я свя-

зывается с определенным участком молекулы ДНК — промотором,

после чего фермент способен катализировать синтез мРНК. О˝дна-

ко действие РНК-полимеразы блокирует белок-репрессор, кот˝о- рый связывается с промотором в акцепторной зоне, выключая˝ та-

ким образом процесс транскрипции (т. е. синтез мРНК).

Белок-репрессор относится к аллостерическим белкам. Алло˝-

стерическими эффекторами, воздействующими на белки-репр˝ес-

соры в системе синтеза ферментов, являются или сами субст˝раты, которые должны превращаться с участием синтезируемых фе˝р- ментов, или вещества, активируемые субстратами. И в том и в

другом случае при поступлении в организм соответствующи˝х субстратов происходит аллостерическая перестройка структу˝ры бел-

Рис. 8.14. Схема регуляции синтеза фермента белком-репрессор˝ом:

1 — белок-репрессор присоединен к одному из участков пром˝отора;2 — белок-репрессор переведен в неактивное состояние аллостерическим эффекторо˝м;3 — фермент РНК-полимераза, который присоединяется к промотору после перевода в неак˝тивное состояние белка-репрессо- ра. Ý — аллостерический эффектор, активируемый субстратом с˝интезируемого фермента

227

ка-репрессора, вследствие чего уменьшается сродство этог˝о белка к акцепторной зоне промотора и он уже не препятствует дей˝ствию фермента РНК-полимеразы, катализирующей синтез мРНК. Далее уже с участием мРНК синтезируются молекулы ферментного

белка, который необходим для превращения поступившего су˝б- страта. После того как произойдет полное превращение субс˝трата,

его воздействие на белок-репрессор прекращается, вследст˝вие чего восстанавливается сродство этого белка к промотору˝ и синтез

мРНК снова блокируется.

Регуляция синтеза ферментов очень хорошо изучена у бакте˝-

рий. У растений также известны индуцируемые ферменты, к ни˝м

относятся α-амилаза семян, нитратредуктаза и многие другие ферменты азотного обмена, некоторые протеолитические ферме˝нты.

Âходе жизнедеятельности организмов синтез некоторых фе˝р-

ментов может ингибироваться конечными продуктами биохи˝ми-

ческих превращений по механизму отрицательной обратной˝ свя-

зи. В этом случае накапливающийся конечный продукт, взаим˝о- действуя с аллостерическим центром белка-репрессора, усиливает

его сродство к ДНК, в результате чего белок-репрессор связ˝ывает-

ся с ДНК в акцепторной зоне и останавливает транскрипцию ˝ге-

нов, кодирующих структуру полипептидов данного ферментн˝ого

белка. Вследствие понижения концентрации фермента умень˝шаются скорость катализируемой им биохимической реакции и˝ вы-

ход образующихся продуктов, что, в свою очередь, окажет соо˝т-

ветствующее влияние на всю цепочку последовательных био˝хими-

ческих превращений согласно принципам смещения равнове˝сия в

химических реакциях и, как следствие, понизит концентраци˝ю конечного продукта.

Âкачестве примера регуляции синтеза ферментов по механи˝з-

му отрицательной обратной связи можно рассмотреть схему˝ реакций образования аминокислот лизина, треонина, метионина и˝ изолейцина у растений и ряда микроорганизмов (рис. 8.15). Исходным соединением для синтеза указанных аминокислот сл˝ужит

аспарагиновая кислота.

Âсхеме представленных биохимических реакций выделены д˝ве лимитирующие стадии, наиболее сильно влияющие на суммарную скорость процесса. Одна их них — первая реакция в цепи пр˝евращений аспарагиновой кислоты в указанные на схеме аминоки˝сло-

ты, ее катализирует фермент аспартаткиназа. Вторая находи˝тся на

одном из разветвлений в указанной цепи превращений, и она˝ дает начало реакциям, в ходе которых из полуальдегида аспараги˝новой кислоты синтезируются аминокислоты метионин, треонин и и˝зо-

лейцин.

Эту стадию катализирует фермент гомосериндегидрогеназа˝.

Как показано на схеме, синтез этих двух ферментов зависит˝ от

228

Рис. 8.15. Схема регуляции синтеза ферментов конечными проду˝ктами, образующимися в ходе последовательных превращений аспарагиновой˝ кислоты

концентрации конечных продуктов — лизина, метионина, тр˝еонина и изолейцина. Если по какой-либо причине будет происх˝о-

дить, например, накопление лизина, то в результате его алло˝сте-

рического воздействия на соответствующий белок-репрессор пре-

кратится синтез фермента аспартаткиназы, вследствие чег˝о ока-

жется невозможным превращение аспарагиновой кислоты во˝ все конечные продукты. При повышении концентрации треонина,

метионина и изолейцина по механизму обратной связи остан˝авливается синтез как аспартаткиназы, так и гомосериндегидро˝геназы. При этом следует отметить, что указанные аминокислоты не ˝только осуществляют ингибирование синтеза ферментов аспарт˝аткиназы и гомосериндегидрогеназы, но и подавляют их активнос˝ть по

аллостерическому механизму.

Эффективность регуляции ферментативных реакций путем воздействия на синтез ферментов в значительной степени о˝пределяется периодом полужизни ферментов. Чем дольше сохраняе˝тся активность фермента после прекращения его синтеза, тем ме˝нее

эффективна регуляция ферментативной реакции и потребуе˝тся

достаточно много времени, чтобы полностью ее остановить (˝несколько часов или даже дней). В свою очередь, период полужи˝зни фермента зависит от скорости его инактивации в клетке и г˝идро-

литического расщепления протеолитическими ферментами.

Таким образом, синтез и деградация ферментов находятся в

динамическом равновесии, и регуляция активности фермент˝ов на

этом уровне происходит сравнительно медленно. Более быст˝ро

229

она осуществляется с участием аллостерических ферменто˝в и посредством механизма ковалентной модификации ферментных˝ белков. В этом случае регуляторное воздействие направлен˝о непосредственно на ферменты.

Некоторые ферменты синтезируются в виде проферментов (зимогенов), представляющих собой каталитически неактивные бел-

ки, которые могут переходить в каталитически активную фор˝му в результате отщепления от их молекул определенных полипе˝пти-

дов, восстановления дисульфидных группировок (—S—S—) в тио˝-

ловые группы (—SH), ковалентной модификации молекулы путем˝

фосфорилирования и т. д. Синтезированные на рибосомах энд˝о-

плазматического ретикулума проферменты очень часто упа˝ковываются в зимогенные гранулы, которые могут перемещаться к˝ по-

верхности клетки или даже секретироваться в окружающую среду.

В виде зимогенных форм синтезируются многие пищеварител˝ь-

ные ферменты человека и животных (пепсин, трипсин, химотри˝п-

син, карбоксипептидазы), растительный фермент папаин, нек˝оторые гидролитические ферменты семян растений (амилазы и п˝ро-

теазы).

Важными компонентами регуляторной системы растений явл˝я-

ются фитогормоны. Поскольку они легко переносятся по флоэ˝ме,

эти физиологически активные соединения могут выполнять˝ функцию переноса регуляторных сигналов от одних тканей или ор˝га-

нов растения к другим, вызывая активацию и синтез определ˝ен-

ных ферментов.

Действие гормонов на активацию биохимических процессов˝

может осуществляться двумя путями. Первый путь — это быстрое регуляторное воздействие, связанное с активацией фермен˝тов путем ковалентной модификации. В этом случае гормон соединя˝ет-

ся с определенным белком в составе клеточной мембраны, ко˝торый называют рецепторным белком. Характер взаимодействия гормона с белком-рецептором примерно такой же, как и при специ˝- фическом связывании эффектора с аллостерическим центро˝м

фермента. Под действием гормона происходит конформацион˝ное

изменение рецепторного белка в составе мембраны, которое˝ инициирует перестройку всей мембранной структуры, вызывая а˝ктивацию связанных с мембраной ферментов. В свою очередь, с уч˝астием этих ферментов приводится в действие рассмотренный˝ выше

механизм ковалентной модификации ферментных белков, кат˝али-

зирующих различные метаболические реакции в клетке.

Второй путь связан с воздействием гормонов на регуляторную систему синтеза ферментных белков. На основе специфическ˝ой

реакции гормон соединяется с цитоплазматическим белком˝-ре-

цептором. Затем образовавшийся гормон-рецепторный компл˝екс

перемещается в ядро и взаимодействует там с регуляторным˝ бел-

230