РОЛЬ АТФ У РОБОТІ ФЕРМЕНТІВ

Жива клітина є далека від рівноваги хімічна система ; адже наближення живої системи до рівноваги означає її розпад і смерть. Продукт кожного фермента звичайно швидко витрачається, оскільки використовується в якості субстрата іншим ферментом даного метаболічного шляху. Ще більш важливо, що велика кількість ферментативних реакцій зв’язана з розщепленням АТФ на АДФ та неорганічний фосфат. Щоб це було можливим, пул АТФ в свою чергу повинен підтримуватись на рівні, далекому від рівноваги, так щоб відношення концентрації АТФ до концентрації продуктів його гідролізу було високим. Таким чином, пул АТФ відіграє роль ‘акумулятора’, що підтримує постійний переніс в клітині енергії та атомів по метаболічним шляхам, що визначаються присутніми ферментами.

Отже, розглянемо процес гідролізу АТФ і його вплив на роботу ферментів. Уявімо собі типовий біосинтетичний процес, при якому два мономери - А та Б - повинні об’єднатись між собою в реакції дегідратації (її також називають конденсацією), що супроводжується виділенням води :

А - Н + Б - ОН — АБ + Н2О

Зворотня реакція, яку називають гідролізом, в якій молекула води руйнує ковалентно зв’язану сполуку А - Б, майже завжди буде енергетично вигідною. Це має місце, наприклад, при гідролітичному розщепленні білків, нуклеїнових кислот і полісахаридів на субодиниці.

Загальна стратегія, за якою відбувається утворення клітини А - Б із А - Н та Б - ОН, включає в себе багатоступінчасту послідовність реакцій, в результаті яких відбувається зв’язування енергетично невигідного синтезу потрібних сполук із збалансованою вигідною реакцією.

Гдролізу АТФ відповідає велика негативна величина ^ G, тому гідроліз АТФ часто відіграє роль енергетично сприятливої реакції,завдяки якій здійснюються внутрішньоклітинні реакції біосинтезу.

На шляху від А - Н та Б - ОН до А - Б, пов’язаному з гідролізом АТФ, енергія гідролізу спочатку переводить Б - ОН в високоенергетичну проміжну сполуку, яка потім безпосередньо реагує з А - Н, утворюючи А - Б. Найпростіший механізм даного процесу включає в себе переніс фосфата від АТФ до Б - ОН з утворенням Б - ОРО3, або Б - О - Р, причому в цьому випадку сумарна реакція відбувається лише у дві стадії:

1) Б - ОН + АТФ — Б - О - Р + АДФ

2) А - Н + Б - О - Р — А - Б + Р

Оскільки проміжна сполука Б - О - Р, що утворюється в процесі реакції, потім знову руйнується, сумарні реакції можна описати за допомогою наступних рівнянь :

А- Н + Б - ОН — А - Б та АТФ — АДФ + Р

Перша, енергетично невигідна реакція, виявляється можливою тому, що вона зв’язана з другою, енергетично вигідною реакцією (гідроліз АТФ). Прикладом зв’язаних біосинтетичних реакцій подібного типу може бути синтез амінокислоти глутаміна.

Величина ^ G гідролізу АТФ до АДФ і неорганічного фосфата залежить від концентрації всіх реагуючих речовин і за звичайних для клітини умов лежить в межах від -11 до -13 ккал / моль. Реакція гідролізу АТФ, зрештою, може бути використана для здійснення термодинамічно невигідної реакції із значенням ^ G, рівним приблизно +10 ккал / моль, звичайно, за присутності відповідної послідовності реакцій. Однак для багатьох реакцій біосинтезу виявляється недостатнім навіть ^ G = -13 ккал / моль. В цих та інших випадках шлях гідролізу АТФ змінюється таким чином, що спочатку утворюються АМФ і РРі (пірофосфат). На наступній стадії пірофосфат також піддається гідролізу ; загальна зміна вільної енергії всього процесу становить приблизно -26 ккал / моль.

Яким чином енергія гідролізу пірофосфату використовується в біосинтетичних реакціях ? Один з шляхів можна продемонструвати на прикладі наведеного вище синтезу сполуки А - Б із А - Н та Б - ОН. При допомозі відповідного ферменту Б - ОН може вступити в реакцію з АТФ і перетворитися на високоенергетичну сполуку Б - О - Р - Р. Тепер реакція складається з трьох стадій :

1) Б - ОН + АТФ — Б - О - Р - Р + АМФ

2) А - Н + Б - О - Р - Р — А - Б + РРі

3) Ррі + Н2О — 2Рі Сумарну реакцію можна представити у наступному вигляді :

А - Н + Б - ОН — А - Б і АТФ + Н2О — АМФ + 2Рі Оскільки фермент завжди прискорює каталізовану ним реакцію як в прямому, так і в зворотньому напрямку, сполука А - Б може розпадатися, реагуючи з пірофосфатом (реакція, обернена до стадії 2). Однак енергетично вигідна реакція гідролізу пірофосфату (стадія 3) сприяє підтриманню стабільності сполуки А- Б за рахунок того, що концентрація пірофосфату залишається дуже низькою (це запобігає протіканню реакції, оберненої до стадії 2). Таким чином, енергія гідролізу пірофосфату забезпечує протікання реакції в прямому напрямку. Прикладом важливої біосинтетичної реакції такого типу є синтез полінуклеотида.

ГЕННА РЕГУЛЯЦІЯ

Одним з найбільш розповсюджених методів регуляції активності ферментів є регуляція розмірів їх виробництва, зокрема, генна регуляція.

Класичною генетикою встановлено, що всі соматичні клітини організму несуть один і той же набір генів, тобто містять однакове число хромосом, що несуть одні й ті самі алелі. І не зважаючи на це, клітини багатоклітинного організму дуже різноманітні за будовою та функціями. Навіть у