Ферменты выполняют две главные функции:
- они катализируют биохимические реакции
- служат регуляторами обмена веществ
Обсуждая адаптивные изменения ферментных систем, следует четко различать эти функции, так как во многих случаях тонкая регуляция каталитической способности ферментов имеет даже большее значение, чем просто высокая степень этой способности. Для того чтобы понять, каким образом и когда при адаптивных ответах организма вступают в действие механизмы регуляции ферментативных функций, нужно сначала рассмотреть основные типы адаптивных процессов, протекающих на уровне ферментов. Изменения в наборе ферментов и в их концентрациях часто бывают необходимы по следующим причинам:
- Изменение окружающей среды или переход к новой стадии развития организма может вести к изменению его потребностей в отношении общей интенсивности метаболизма или каких-то определенных процессов.
- На структуру и функцию фермента могут сильно влиять изменения физических факторов среды, например температуры или величины гидростатического давления.
- При изменениях химического состава среды (поскольку они могут влиять на качественный и количественный состав внутриклеточных и внеклеточных жидкостей) нередко требуются изменения в концентрациях и типах ферментов.
Если условия среды изменяются или организм переходит на новую стадию развития, возникают новые метаболические задачи, для решения которых могут понадобиться количественные и качественные преобразования ферментных систем, упоминавшиеся выше. Например, у эктотермного организма (температура тела которого в основном или даже полностью определяется температурой окружающей среды) при понижении внешней температуры может сильно понизиться общая интенсивность метаболизма и измениться регуляция ряда ключевых ферментов.
В определенной мере эти отклонения могут быть компенсированы повышением концентрации ферментов в клетке. Однако в некоторых случаях одного увеличения этих концентраций бывает недостаточно: может случиться так, что для восстановления адекватной каталитической и особенно регуляторной способности ферментов клетке потребуется синтезировать новые изозимы. Аналогичная ситуация возможна и при изменении гидростатического давления: здесь тоже могут изменяться скорости ферментативных процессов и регуляторные характеристики ферментов. Метаболические проблемы, связанные с изменениями химического состава окружающей среды, также могут решаться на уровне ферментов, особенно в тех случаях, когда под влиянием внешних перемен (например, при изменении осмотического давления) изменяется состав или содержание в клетке растворенных соединений или их активность. При анализе различных типов реакции организма на сдвиг внешнего осмотического давления мы, однако, обнаружим, что в большинстве случаев внутриклеточные макромолекулярные структуры достаточно надежно защищены: это может быть обеспечено работой ионных насосов или же тонкой коррекцией состава микросреды, окружающей макромолекулы.