Ферменттік реакциялардың реттелуі
Тірі ағзаларда өтетін биохимиялық ферменттік реакциялардың реттелуі қоршаған орта факторларына тәуелді өтеді. Бұл ағзалардың қоршаған ортаның климаттық жағдайларына байланысты бейімделуінің (адаптация) негізіне жатады. Бірақ, бұл бейімделуге барлық ферменттер емес тек реттелуші ферменттер ғана ықпал ете алады. Себебі бұл ферменттердің активтілігі ортаның әртүрлі факторларына (рН, Т, қысым, [S] және т.б.) тәуелді болады. Ферменттердің бұл қасиеті биосфераның типтерінің жер шарының климаттық белдеулеріне сәйкес таралып орналасуына, биологиялық типтердің эволюциялық өзгерістеріне әкеліп, жаңа күшті түрлердің пайда болуына ықпал етеді. Реттелуші ферменттер реакциялардың реттелу жолдарының механизмдері мен принциптерінің негізгі объектілері болып табылады.
Ферменттік реакциялардың реттелуінің жалпы принциптері. Кез келген ағзалар (бір торшалы немесе көп торшалы) эволюция процессінде қалыптасқан қоршаған ортаның әсеріне бейімделген өзіне ғана тән зат алмасуларымен сипатталады. Өзіне тән алмасуы сол ағзаның генетикалық табиғатына байланысты түзілетін мамандандырылған ферменттер жиынының қасиеттерімен сипатталады. Тірі ағзалардың керемет қасиеттеріне оның қоршаған орта өзгерулеріне сәйкес заттар алмасуларын өздігінен реттеу қабілеті жатады. Өздігінен реттелуді үш жолмен — субстраттар мөлшері, ферменттер мөлшері (фермент синтезін реттеу), фермент активтілігін реттеу арқылы атқарылады және олардың шоғырлануына (локализация) байланысты болады.
Торшаларда өтетін биохимиялық реакциялардың реттелуі әртүрлі атқарылады. Соның ішінде субстрат пен фермент қатысуындағы реакциялардың реттелуі келесі жолдар субстрат мөлшері, фермент мөлшері және фермент активтілігін реттеу арқылы іске асады.
Субстраттың сандық мөлшері арқылы реттелу. Бұл кез келген ферменттік биохимиялық реакция жылдамдығы сол реакцияға қатысатын заттардың мөлшерлеріне байланыстылығын көрсетеді. Реакция жылдамдығы фермент активтілігінің шамасына тең және субстраттың сандық мөлшері мен реакция жылдамдығы арасында тығыз тәуелділік бар.
Бұл тәуелдікті график түрінде бейнелейтін болсақ, алғашқыда реакция жылдамдығының белгілі бір субстрат концентрациясына дейін жоғарлауын (а-кесіңдісі) байқаймыз. Ары қарай жылдамдық өсуі тежеліп бір қалыпты өтеді (b-кесіңдісі) реакция соңында төмендейді.
Реакцияласушы қоспада, бастапқы жағдайда субстрат мөлшері өте жоғары болады. Сондықтан бос фермент молекуласына келетін субстрат көп болады және олардың «соқтығысу дәрежесі» өте жоғары. Осы жағдайдың себебінен реакция жылдамдығы күрт жоғарлайды. Белгілі бір уақыттан кейін жылдамдықтың үдеуі төмендеп белгілі бір деңгейде өтеді. Бұл реакцияласушы қоспадағы фермент пен субстрат мөлшерлерінің қатынасы бір біріне шамалас болғандығын байқатады (қоспадағы ішкі және сыртқы факторлар әсерін есепке алмағанда). Реакция соңында субстрат мөлшерінің азаюы фермент активтілігі сақталса да реакция жылдамдығының төмендеуіне әкеледі.
Тірі торшалардан субстраттардың сандық мөлшері көптеген факторларға тәуелді. Бұл шексіз шамада болмайды, торшаның сол немесе басқа субстрат үшін болатын белгілі бір физиологиялық диапазонына тікелей байланысты болады.
Көптеген биохимиялық реакциялар торша цитоплазмасында жүрсе, кейбірі митохондрияда, ал бір бөлігі рибосома мен ядрода өтеді. Сондықтан, реакция жүретін орындарға субстраттың әкеліну жылдамдығы оның сандық мөлшерін айқындайды. Ал, бұл жағдай торша органеллаларын қоршап тұратын мембрананың субстрат үшін өткізгіштік қасиетіне тығыз байланысты.
Кейбір реакциялар үшін субстрат басқа реакцияның өнімі болып табылады. Ал оның мөлшері сол реакцияның жүру жылдамдығына тәуелді. Сондықтан бұл реакциялардағы субстраттың сандық мөлшері субстрат болатын өнімнің синтезделу жылдамдығына тығыз байланысты. Көптеген ферменттер үшін бір ғана субстрат реагент бола алады. Бұл белгілі бір реакция үшін субстрат мөлшерінің азаюына әкелуі мүмкін. Себебі бұл субстратқа әсер ететін басқада ферменттердің де болып субстратқа таласуынан туындайды. Нәтижесінде субстраттың сандық мөлшері бәсекелес (конкурентті) реакциялардың жүруі барысына тәуелді болады.
Ферменттің сандық мөлшері арқылы реттелу. Субстрат мөлшері тәріздес ферменттің сандық мөлшері мен ферменттік реакцияның жылдамдығы арасында сызықты тәуелділіктің болатыны байқалады.
Физиологиялық диапазонда ферменттің сандық мөлшері оның келесі маңызды көрсеткішіне тәуелді. Бұл ферменттің синтезделу жылдамдығы мен оның интенсивті ыдырауының арақатынасы арқылы анықталады. Өз кезегінде фермент синтезінің жылдамдығы индукция мен репрессия (басу, тежеу) процесстеріне тығыз байланысты (фермент биосинтезі тақырыбын қараңыз).
Фермент молекуласының ыдырауы ұлпалық протеиназалардың әсерінен атқарылады. Бұл аутолиз процессі нәтижесінде өтеді және ол лизосомаларда интенсивті жүреді.
Ферменттердің биосинтезінің реттелуі. Тірі торшаларда ферменттердің түзілуі энзимологияның маңызды проблемарының біріне жатады. Ұлпаларда белоктардың тұрақты түрде жаңалануы (Р.Шёнгеймер изотоптық әдіс арқылы зерттеген) жүреді. Бұл процесстің жылдамдығы ұлпаның жасына, физиологиялық қалпына, қасиетіне байланысты. Мамандандырылған ұлпаларда, мысалы, асқорыту бездерінде асқорыту трактісіне бөлінетін тағамдық белок-ферменттердің синтезі күшті жүреді. Ферменттер синтезі жас, өсіп келе жатқан ұлпаларда, дамушы өскіндерде (жануарлар мен өсімдіктің мен микроағзалардың дамушы спораларына ұқсас), интенсивті өтеді.
Ағзада түзілетін ферменттер жиыны, табиғаты оның генетикалық факторлары бойынша айқындалады. Соңғы кездердегі биохимия мен биохимиялық генетиканың эксперименттерінің нәтижелері оны толық дәлелдейді. Классикалық мысал ретінде Neurospora crassa — сақырауқұлағындағы триптофансинтетаза ферментінің түзілуін келтіруге болады. Бұл саңырауқұлақтың кәдімгі штаммы жасанды ортада жасанды өсіргенде олардың ішінде кейбір споралардың тек триптофанды сол ортаға қосқанда ғана өсетіндігі байқалған. Бұл жағдай спораның бұл штамында, триптофан синтездейдін ферменттің жоқ болуы мүмкін екенін білдіреді. Ал генетикалық анализ нәтижесі, Мендельдің заңдарына сәйкес, триптофан қажеттілігі тұқым қуалаушылық жолдары бойынша керектігін көрсетеді. Осылай болғанмен де пайда болған мутанттық штаммда индол мен серинің кондесациялануын катализдейтін триптофан синтетазаның жоқтығын байқатады.
Торшаларда ферметтердің екі түрлі категориясы болатыны туралы болжамды 1930ж Г. Карстрем айтқан еді. Олардың бірі — конститутивті ферменттер ағза торшаларында барлық кезде тұрақты түрде кездеседі, торшаның міндетті түрдегі компоненті болып табылады. Синтезі кездейсоқ факторларға тәуелді емес. Екінші категориясы — адаптивті немесе индуцибелді ферменттің ағзадағы синтезі белгілі бір заттың әсерінен (субстрат пайда болуы, немесе фермент әсер етпейтін, бірақ оны активтендіретін заттар) кенеттен интенсивті түрде жылдам өтеді.
Жай жағдайда индуцибелді ферменттер өте аз мөлшерде синтезделген болады. Мысалы E. Coli-ді лактозаны қатыстырып өсіргенде бұл дисахаридтің катаболизміне қатысатын бірнеше ферменттер синтезделеді. Зерттеулер нәтижесі лактозаның айналуын жүргізетін фермент синтезін кодтайтын геннің арнайы белок репрессор арқылы тежелген жағдайында болғанын да. Лактоза индуктор түрінде (негізінде — изомер — аллолактоза) репрессордың аллостерлік орталығымен байланысып оның әсерін тежейді, сәйкес гендердің дерепрессиясын жүргізеді.
Фермент молекуласының химиялық табиғаты белок болып табылады. Сондықтан олардың синтезі рибосомаларда белок биосинтезі заңдылықтарына сәйкес өтеді.
Кейбір заттардың фермент синтезін ингибирлеуі (тежеуі) байқалады. Осындай ферменттер түрлері репрессибелді ферменттер деп аталады. Мысалы, глюкоза микроағзалармен синтезделетін бірнеше ферменттердің синтезін (α-амилазаны, триптофаназаны) бейспецификалық жолмен тежей алады. Сонымен бірге, практикада, фермент синтезінің репрессиясының (басылуының) спецификалық түрлері де кездеседі.
Мысалы, индол мен сериннен триптофанның синтезін катализдейтін триптофансинтетазаның репрессоры реакция өнімі болатын триптофанның артық мөлшері.
Торшадағы көптеген ферменттердің синтезінің барлық уақытта басылған болуы байдалады. Спецификалық ферменттің дифференциалданған ұлпада немесе ағзада пайда болуы спецификалық метаболиттердің жиналып қалуынан, депрессия нәтижесінде өтеді. Эукариот торшаларында фермент синтезінің бақылануы биосинтездің транскрипциялық деңгейінде де және трансляциялық деңгейінде де жүреді.