Модель мікрокомпартмента-метаболона.

Асоціати ферментів гліколізу, циклу трикарбонових кислот.

План.

1. Поняття про метаболон.

2. Загальна принципи організації метаболонів.

3. Моделі метаболонів.

3.1.Асоціати ферментів ЦТК.

3.2.Асоціати ферментів гліколізу.

4. Функціонування метаболонів та його контроль.

Література

1. Поняття про метаболон.

Метаболон – це мобільна структура, в якій об’єднані мультиферментний комплекс і елементи біомембрани (чи іншої клітинної структури, наприклад, цитоскелету). Головна особливість метаболону полягає у тому, що це структура, яка об’єднує всі ферменти певної метаболічної системи і, відповідно, яка виконує певну метаболітичну функцію.

Термін “метаболон” запропонований Шрером в 1985р. Метаболон був визначений як “надмолекулярний комплекс ферментів, які каталізують послідовні стадії метаболітичного шляху (sequential metabolic enzymes) і структурних елементів клітини”. Накопичені дані, які свідчать на користь існування комплексів ферментів таких метаболічних шляхів, як шляхи синтезу ДНК, РНК, білку, глікогена, пуринів і пирімідинів, ліпідів, стероїдів, антибіотиків, шляхи метаболізму амінокислот, цикл мочевини, перенос електронів, окислення жирних кислот, деградація сАМР. Але найбільш досліджені комплекса ферментів гліколізу і комплекса ферментів цикла трикарбонових кислот.

Метаболони характерні для широкого спектру організмів – від прокаріотів до клітин вищих тварин, що свідчить про їх появу на ранніх етапах розвитку життя. Очевидно, метаболони виникли у ході предбіологічної еволюції.

Подібні комплекси не плавають вільно всередині вільно всередині клітини, а формуються на структурних елементах клітини (так званих “якірних білках”), утворюючи тим самим з цими елементами єдину систему.

Асоціація метаболонів з клітинними структурами створює передумови для структурної єдності метаболізму. Важливим є також те, що якірні білки, на яких формуються метаболони, стають центрами управління даної метаболічної системи.

2. Загальні принципи організації метаболонів.

Метаболон формується на біологічній підложці, роль якої можуть виконувати мембрани, структурні білки м’язів, елементи цитоскелета і, зокрема, нитки мікротрабекулярної сітки. Однією з важливих характеристик метаболона є його симетрія, яка повинна відповідати симетрії тої структури (підложки), на якій метаболон формується. Фосфоліпіди мають гексагональну упаковку у площині мембранм. Очевидно, така упаковка ліпідів визначає симетрію олігомерів інтегральних мембранозв’заних білків: останні мають вісь симетрії третього порядку, перпендикулярну площині мембрани. Можна припустити, що той же тип симетрії повинен бути характерний і для метаболонів, які формуються на інтегральних мембраннозв’язаних білках.

З іншого боку, модель переносу енергії в біоструктурах потребує дуплікації, тобто наявність вісі симетрії, які задовольняють обидві умови, є диедрична група симетрії D3. Структури, симетрія яких належить до групи D3, містять одну вісь симетрії третього порядку і три перпендикулярні до неї осі симетрії другого порядку і складаються з шести ідентичних субодиниць. Очевидно, симетрія типу D3 переважає серед метаболонів.

Фермент, який утворює “ядро” метаболона і відіграє ключеву роль у формуванні комплекса, повинен відповідати вимогам:

А) молекула фермента повинна мати найбільші розміри серед ферментів метаболічної системи;

Б) фермент повинен бути здатним адсорбуватися на мембрані, зберігаючи при цьому каталітичну активність;

В) фермент повинен мати вісь симетрії третього порядку чи збиратися в тримери в адсорбованому стані;

Г) фермент повинен проявляти здатність до самоасоціації. Ця здатність означає наявність у фермента “липких” кінців, які в умовах in vivo можуть насичуватися шляхом взаємодії з якірним білком підложки і з іншими ферментами метаболічної системи;

Д) фермент повинен бути чутливим до дії вторинних посередників, оскільки він утворює разом з якірним білком підложки центр керування метаболону.

Для визначення взаємного розташування фермент в метаболоні запропоновані такі принципи:

· Ферменти, які каталізують реакції, що слідують одна за іншою в метаболічному шляху, повинні займати сусідні позиції в комплексі.

· Ферменти, що використовують і регенерують NAD, ATP, CoA та інші коферменти, повинні знаходитись у контакті один з одним. У ряді випадків є доцільним, щоб всі ферменти, які використовують один кофермент, були розташовані поруч.

· Ферменти, активність яких регулюється інтермедіатами даної метаболітичної системи, повинні розташовуватись у метаболоні таким чином, щоб забезпечити можливість реалізації цього регуляторного механізму.

3. Моделі метаболонів.

3.1. Комплекс ферментів цикла трикарбонових кислот.

При побудові структурної моделі метаболону цикла трикарбонових кислот в якості “ядра” був прийнятий -кетоглутаратдегідрогеназний комплекс. Серцевину цього комплексу складають 24 субодиниці транссукцинілази, що утворюють структуру куба з трьома вісями симетрії четвертого порядку, чотирма вісями третього порядку і шістьма вісями другого порядку (група симетрії О). До них приєднуються по шість димерів -кетоглутаратдегідрогенази і ліпоїламіддегідрогенази, що призводить до зниження симетрії. Аналогічну організацію має і -кетоглутаратдегідрогеназний комплекс з E.coli.

Точна структура -кетоглутаратдегідрогеназного комплекса залишається нез’ясованою. Досліди in vitro дозволяють припустити, що комплекс не має унікальної четвертинної структури, а представляє собою родину структурних ізомерів, загальна кількість яких може сягати 125 000. In vivo -кетоглутаратдегідрогеназний комплекс адсорбований на мембрані, і тому можна припустити існування в нативних умовах більш-менш визначеної структури комплекса. Для мітохондрій серця ссавців при дослідженнні типу фіксації -кетоглутаратдегідрогеназного комплекса на мембрані було показано, що розмір ребра куба, утвореного транссукцинілазою, складає 11,7 нм. Таким чином, довжина діагоналі куба (15-30 нм) відповідає середній відстані між внутрішніми поверхнями внутрішньої мембрани мітохондрій серця. Очевидно, транссукцинілаза розташовується так, що дві протилежні вершини куба дотикаються протилежних поверхонь мембрани; при цьому вісь симетрії третього порядку перпендикулярна цим поверхням. Шість молекул ліпоаміддегідрогенази розташовані на гранях куба і також торкаються однієї з поверхонь мембрани (це необхідно для обміну NAD і NADH з комплексом І ланцюга переносу електронів), а шість молекул -кетоглутаратдегідрогенази прикріплені до тих ребер куба, які не торкаються мембрани. Таким чином, -кетоглутаратдегідрогеназний комплекс має, окрім вісі третього порядку, ще три