Время полужизни различных ферментов

Абсолютное количество фермента в клетке определяется скоростями его синтеза (k_синт) и распада (k_расп) (рис. 4.4.1). Соответственно количество фермента увеличивается либо в результате повышения скорости его синтеза (увеличением k_синт), либо снижения скорости распада (уменьшением k_расп), либо обоими способами сразу. Подобным же образом количество фермента уменьшается в результате либо уменьшения k_синт, либо увеличения k_расп, либо и тем и другим путем. В клетках человека может происходить изменение и k_синт и k_расп. У всех живых организмов синтез ферментов (и всех других белков) из аминокислот и распад фермента (белка) на аминокислоты представляют собой разные процессы, которые катализируются совершенно разными наборами ферментов. В этих условиях легко осуществляется независимая регуляция скорости синтеза фермента и скорости его распада.

Рис. 4.4.1. Количество фермента определяется балансом процессов его синтеза и распада.

В быстро растущих бактериях общая скорость распада белков составляет около 2% в час. Иное положение складывается, когда бактерии находятся в условиях голодания или их переносят на свежую среду, бедную углеродом. В этих условиях распад бактериальных белков идет со скоростью 7 – 10% в час.

Сочетание процессов синтеза и распада ферментов называют обновлением ферментов. Обновление происходит и у бактерий, и у млекопитающих, однако значение распада ферментов как средства регуляции их количества у бактерий недооценивалось.

В клетках млекопитающих обновление белков было обнаружено гораздо раньше, чем у бактерий. Указания на этот процесс у человека были получены более ста лет назад на основании наблюдений за людьми, получавшими специальную диету. Однако лишь после классических работ Шёнхеймера, начатых незадолго до второй мировой войны, было твердо установлено, что обновление клеточных белков происходит на протяжении всей жизни. Измеряя скорость включения в данный белок ¹⁵N-меченных аминокислот и скорость утраты метки белком, Шёнхеймер пришел к выводу, что белки в организме человека находятся в состоянии «динамического равновесия». Это представление позднее было распространено на другие компоненты организма, включая липиды и нуклеиновые кислоты.

Основные этапы синтеза белков достаточно хорошо изучены, чего нельзя сказать о процессах распада ферментов. Распад ферментов происходит в результате их гидролиза протеолитическими ферментами, но о механизме регуляции этой протеолитической активности мало что известно. Установлено только, что процессы регуляции могут быть сопряжены с расходованием АТР. Чувствительность фермента к протеолизу зависит от его конформации. Присутствие или отсутствие субстратов, коферментов, ионов металлов – все это способно влиять на конформацию белка и его чувствительность к протеолизу. Поэтому скорость распада специфических ферментов может зависеть от концентрации в клетке субстратов, коферментов и, возможно, ионов. Эти представления можно хорошо проиллюстрировать на примере аргиназы и триптофаноксигеназы (триптофанпирролазы). Регуляция содержания аргиназы в печени может осуществляться путем изменения либо k_синт, либо k_расп. Переход на обогащенную белковую диету приводит к возрастанию содержания аргиназы из-за повышения скорости ее синтеза. Содержание фермента в печени возрастает также у голодающих животных. Но это обусловлено снижением скорости распада аргиназы, поскольку значение k_синтостается постоянным. Теперь о ситуации, которая наблюдается со вторым ферментом: инъекция млекопитающим глюкокортикоидов, как и инъекция триптофана, повышает содержание триптофаноксигеназы. Гормон вызывает повышение скорости синтеза фермента k_синт, тогда как триптофан не оказывает влияния на k_синт, а понижает k_расп, повышая устойчивость оксигеназы к протеолизу.

Содержание ферментов в тканях млекопитающих может изменяться в результате действия различных физиологических и гормональных факторов, а также под влиянием диеты. Известно много примеров такого рода для разных тканей и различных метаболических путей (табл. 4.4.1), однако знания о молекулярном механизме процессов носят фрагментарный характер.

Таблица 4.4.1

Некоторые ферменты печени крысы, скорость синтеза которых изменяется в зависимости от условий среды

Глюкокортикоиды повышают концентрацию тирозин-трансаминазы, увеличивая k_синт. На этом примере была впервые четко показана гормональная регуляция синтеза фермента в тканях млекопитающих. Инсулин и глюкагон, несмотря на взаимный антагонизм их физиологического действия, оба независимо повышают k_синт в 4 – 5 раз. Действие глюкагона, вероятно, опосредуется сАМР, который оказывает аналогичное гормону действие в органной культуре печени крысы.