"Рабочие" на конвейере клеточной фабрики

Подобно рабочим на настоящей фабрике, большинство ферментов "клеточной фабрики" организовано в длинный "конвейер", имеющий многочисленные ответвления, а также циркулирующим образом работающие участки. В самом простом случае молекулы ферментов свободно "плавают" в цитоплазме клетки. Например, в цитоплазме только одной клетки находится от 50000 до 100000 молекул важнейших ферментов, расщепляющих глюкозу. Их небольшие по размеру субстраты и конечные продукты каждый своим путем могут относительно быстро пересекать цитоплазму, двигаясь от одного фермента к другому. Тем не менее часто, казалось бы, крайне малые участки клетки превращаются в настоящую преграду для реакций обмена веществ. Активаторы, ингибиторы и ферменты, участвующие в других процессах обмена веществ, могут очень легко помешать протеканию данных реакций.

Более сложные по структуре ферменты избегают этих помех и повышают свою эффективность, накапливаясь в определенных местах и образуя комплекс. Эти структуры, образованные обычно большим числом различных ферментов, называются мультиферментными системами. В течение длительного времени биохимик из ФРГ лауреат Нобелевской премии Феодор Линен^* изучал механизм синтеза жирных кислот в клетке.

^* (Получил совместно с К. Блохом Нобелевскую премию в 1964 г. за исследование биосинтеза холестерина и жирных кислот.- Прим. перев.)

Он обнаружил, что ферменты, регулирующие синтез жирных кислот, образуют большую мульгиферментную систему. У дрожжей она состоит из семи различных прочно связанных между собой ферментов (рис. 12). В такой мультиферментной системе расстояния в пространстве для протекания реакций минимальны: субстрат передается непосредственно "из рук в руки" и покидает систему лишь тогда, когда уже имеется конечный продукт. Таким образом исключаются любые мешающие воздействия.

Рис. 12. Мультиферментные системы. Вверху - при использовании синтетазы жирных кислот субстрат перемещается по кругу от центральной субъединицы с помощью 'молекулярного поворотного рычага' (по Линену, с изменениями). Внизу - 8-12 мембраносвязанных молекул цитохрома Р-450 окружают, подобно ободу, молекулу редуктазы, которой они поставляют электроны от кофермента НАДФ-Н

Уже с помощью первых электронных микроскопов было показано, что клетку отнюдь нельзя рассматривать как большой мешок, в котором все компоненты перемешаны, как попало. Клетка скорее пронизана сетью каналов и мембран, содержащих различные структуры, отделенные друг от друга мембранами. Подобно зданию фабрики, клетка разделена на различные функциональные "помещения" - компартменты. "Стены, трубы и провода" образуются мембранами, которые также отделяют особые отделы клетки: "командный пункт" - клеточное ядро, "электростанции" - митохондрии, "производственные цеха" - рибосомы, где и происходит образование белка. Как на настоящем производстве, где определенному цеху или рабочему месту придаются определенные машины и механизмы, обслуживаемые соответствующими специалистами, каждому отделу клетки "приданы" совершенно определенные ферменты. То тут, то там в клетке протекают несовместимые процессы, строго обособленные в своих "помещениях". Например, жирные кислоты образуются в цитоплазме клетки, а расщепляются в митохондриях, отделенных от цитоплазмы мембранами. Мембраны являются не только барьерами для ферментов, они также позволяют накапливать в определенных местах большие количества субстратов, соединять ферментативные реакции и упорядочивать их протекание в пространстве. Накапливаются новые подтверждения тому, что многие (если не большинство) ферментов в клетке находятся не в свободном, а в связанном с различными структурами состоянии. При этом значительная часть ферментов "плавает" в липидной среде мембран. Такой мембраносвязанной мультиферментной системой является цитохром Р-450 (рис. 12).

Рис. 13. Функциональные отделы (компартменты) клетки, имеющие разный набор ферментов для различных реакций обмена веществ

У клетки имеется два принципиально возможных способа регуляции обмена веществ с помощью ферментов: грубая и тонкая регуляция. "Стратегическое" приспособление клетки к изменившимся условиям, грубая регуляция обмена веществ, происходит путем изменения числа и локализации определенных ферментов. В большинстве случаев - это ответ клетки на общее изменение жизненных условий. Например, у микроорганизмов - на изменения условий питания. Эта регуляция осуществляется с помощью генетического аппарата клетки, и поэтому она протекает довольно медленно и тяжело. "Тактическое" приспособление клетки, тонкая регуляция обмена веществ, напротив, осуществляется путем преобразования уже имеющихся ферментов. Благодаря химическим и физическим изменениям молекулы ферментов активируются или ингибируются. Для всех процессов тонкой регуляции характерно, что они позволяют клетке очень быстро реагировать на изменения условий, произошедшие за очень короткий промежуток времени, часто за доли секунды, как, например, в случае смертельной опасности.