2. Энергия активации и ферменты
2.7 Стратегическое управление ферментами через экспрессию генов
В качестве примера изменения в экспрессии генов возьмём гормон лептин. Он вырабатывается адипозной (жировой) тканью и влияет на многие другие ткани, но особенно на гипоталамус в нашем мозге. Гипоталамус, в том числе, заведует аппетитом и расходом энергии в ответ на количество жира в нашем теле.
Лептин связывается с рецептором на поверхности клетки, после чего этот рецептор активирует определенные факторы транскрипции. Транскрипция (от лат. transcriptio — переписывание) — это процесс синтеза РНК (рибонуклеиновой кислоты) c использованием ДНК в качестве матрицы, или иными словами, перенос генетической информации с ДНК на РНК. Рибонуклеиновая кислота содержит информацию о том, как построить тот или иной белок в вашем теле.
Факторы транскрипции — это белки (или ферменты в данном контексте), которые проникают в ядро клетки, связываются со специфичными участками ДНК и управляют этой самой транскрипцией. На самом деле, транскрипция — это лишь одна из стадий более крупного процесса, который называется экспрессией генов. В ходе экспрессии генов наследственная информация от гена преобразуется в РНК или белок. Таким образом, ген несёт информацию о строении конкретного белка, а фактор транскрипции может каким-то образом влиять на синтез новых белков, например приводить к большему или меньшему количеству синтезируемого белка. А изменение в количестве какого-либо белка — это весьма характерный физиологический ответ клетки.
Изменения в экспрессии генов — дело не быстрое. Если сравнить этот процесс с фосфорилированием через инсулин, описанным ранее, то мы увидим в них много общего. У нас есть гормон, который производится в одном месте и проникает через кровь в другое место. Там он связывается с соответствующим рецептором на поверхности клетки и запускает каскад событий в самой клетке. В данном случае замедление всего процесса происходит потому, что мы не меняем активность белков (ферментов), которые уже есть в наличии, а меняем скорость их производства.
Представим, что в клетке есть 100 экземпляров какого-либо фермента. Каждый день клетка производит 10 новых экземпляров и утилизирует 10 более непригодных. Теперь мы хотим изменить экспрессию генов, чтобы у нас число производимых ферментов выросло на 10%. Тогда каждый день у нас вместо 10 будет синтезироваться 11 новых экземпляров. Скорость утилизации остается прежней, 10 экземпляров в день. Следующая таблица наглядно показывает, что потребуется 10 дней для того, что общее количество ферментов в клетке выросло до 110, т.е. на 10%:
Это нереалистично простая математика (в реальности всё сложнее), но принцип она показывает хорошо: нужно определенное время, чтобы изменение в экспрессии генов привело к изменению числа ферментов, т.е. к заметному физиологическому ответу. Но зачем тратить столько времени? Почему нельзя иметь пул свободных ферментов и включать/выключать их все разом?
По двум причинам. Во-первых, это усиление клеточного ответа, который получен через другие механизмы управления ферментами. Например, если у нас есть 100 ферментов, которые активируются путем фосфорилирования, то максимальный клеточный ответ — 100. Но если мы "подсобили" экспрессией генов и произвели еще 100 дополнительных ферментов, то тоже самое фосфорилирование уже даст клеточный ответ 200. Во-вторых, чем больше у нас в наличии экземпляров ферментов, тем более тонко мы можем ими управлять. Например, необязательно их активировать все разом. Можно активировать только часть, а часть оставить под другие задачи.
Теперь, разобрав основные моменты, связанные с энергией и ферментами, можно приступать к биохимическим реакциям, которые катализируются ферментами. Можно начать отвечать на вопросы о том, что происходит в нашем теле со съеденной пищей, какое значение имеет состав рациона и как мы осваиваем энергию, полученную из пищи.