Біологія. Довідник школяра та абітурієнта

Основні принципи біологічної регуляції

Механізми біологічної регуляції

Механізми регуляції окремих шляхів обміну речовин пов’язані з переходом процесу обміну з одного шляху на інший. Регулюючі чинники доволі різноманітні. Вони включають утворені під час обміну речовин проміжні продукти: неорганічні й органічні речовини, які надходять з їжею; чинники зовнішнього середовища, а також гормони.

Не всі ферменти й етапи обміну речовин підпорядковані регуляторним механізмам. Найбільш ефективно регуляція виражена у ферментів, що каталізують найбільш повільні реакції у будь-якому ланцюгу обміну речовин. У ланцюгу реакцій обміну речовин швидкість перетворень зростає доти, доки якийсь фермент досягне своєї максимальної кількості й стане провідним ферментом. У результаті продукт діяльності цього ферменту накопичується і, згідно із законом діючих мас, безпосередньо впливає на попередню реакцію, а опосередковано — на всі інші попередні ферментативні реакції, доки не встановиться динамічна рівновага з постійною швидкістю перетворення речовин Динамічна рівновага регулюється шляхом впливу на провідний фермент.

У місцях розгалуження шляхів обміну речовин багато ферментів конкурують за той самий субстрат. Сповільнення в одному з відгалужень обміну речовин супроводжується прискоренням в іншому або в інших шляхах, що призводить у підсумку до перемикання обміну.

Використовують певну класифікацію механізмів внутрішньоклітинної регуляції.

• Метаболічні регуляції (зміни концентрації метаболітів, які не зачіпають активності або кількості молекул ферментів).
• Ферментні регуляції (зміни активності наявних молекул ферментів; регуляторні фактори в цьому випадку діють безпосередньо на фермент).

Під час ферментної регуляції змінюється активність ферментів, але вона не впливає на синтез ферментів нуклеїнових кислот.

Ферментні регуляції можуть здійснюватися кількома шляхами:

• а) (оборотним і необоротним) перетворенням неактивних зимогенів (попередників ферментів) в активні ферменти;
• б) зміною активності ферменту шляхом впливу на його каталітичний центр;
• в) впливом на процес розпаду самих ферментів.

Ферментна регуляція стосується лише одного ферменту, але відбувається дуже швидко (долі секунд) і служить для тонкого налаштування шляхів обміну речовин.

Регуляція впливом на процес розпаду самих ферментів ще не вивчена остаточно. Відомо лише, що з якихось причин ферменти можуть бути або «атаковані» протеолітичними ферментами, або бути захищеними від них.

• Генні регуляції («вмикання» або «вимикання» синтезу ферментів; регуляторні фактори діють на генетичний матеріал (ДНК) або безпосередній його продукт (РНК)).

Генна регуляція, участь у якій беруть кілька ферментів одночасно, більш економічна порівняно з ферментною, оскільки ферменти, у яких немає потреби, просто не синтезуються. Генна регуляція займає більше часу, оскільки включає трансляцію і часто також транскрипцію. Ця форма регуляції служить для грубого налаштування обміну речовин.

Фізіологічна функція генів полягає у передаванні інформації клітині через і-РНК і ферменти. Ніколи не відбувається одночасної передачі всієї наявної інформації, інакше кажучи, ніколи не синтезуються одночасно всі потенційно можливі ферменти.

Таким чином, існують одночасно активні (продукують РНК) і неактивні гени. Завдяки генній регуляції здійснюється активація генів (індукція) та інактивація (репресія).

Одним зі специфічних наслідків генної регуляції є поява або зникнення того білка (ферменту), синтез якого контролюється регульованим геном (індукція і репресія ферментів).

Для регуляції на рівні генів справедливі ті самі принципові закономірності, що й для ферментної регуляції. Активації ферментів субстратом відповідає генетична субстратна індукція, гальмуванню ферментів — взаємодія з кінцевим продуктом реакції. Обидва механізми регуляції однаково запускаються метаболітами, різними є лише рівні, на яких здійснюється регуляція. Генні регуляції детермінуються, крім того, стимуляторами (гормонами, світлом тощо) й відіграють значну роль в ембріональному розвитку еукаріотів. Експериментально можна відрізнити генні регуляції від ферментних, тому що перші «вимикаються» під дією інгібіторів синтезу білків і РНК (актономіцин Д, пуроміцин, етіонін тощо).

Механізми регуляції можуть діяти лише у відкритих системах, тобто в системах, які перебувають у стані обміну з навколишнім середовищем.

Якби клітина або якась її частина являли собою замкнуту систему, то незабаром установилась би рівновага (прискорювана ферментами), що означало б припинення обміну речовин. Проте, завдяки процесам безперервного обміну речовинами й енергією із зовнішнім середовищем, клітини або їх частини являють собою відкриті системи, для яких характерна динамічна рівновага.