3. Регуляция активности ферментов
Способность к регуляции делает ферменты важными участниками и своеобразными организаторами клеточных процессов в организме человека. Регуляция скорости ферментативных реакций в клетке — основной механизм не только контроля и координации метаболических путей, но и роста и развития клетки, а также ее ответа на изменение окружающей среды.
Существует два основных способа контроля скорости ферментативных реакций:
— Контроль количества фермента.
Количество фермента в клетке определяется соотношением скоростей его синтеза и распада. Этот способ регуляция скорости ферментативной реакции является более медленным процессом (проявляется спустя несколько часов), чем регуляция активности фермента (практически мгновенный ответ).
— Контроль активности фермента.
Активность фермента может регулироваться путем взаимодействия с определенными веществами, изменяющими конформацию активного центра.
Некоторые способы регуляции активности ферментов представлены на рисунке 10.
Регуляция субстратом реакции
Регуляция ферментативной активности, осуществляемая в центре присоединения субстрата, носит название изостерической.
Одним из относительно простых способов регуляции активности ферментов является регуляция с помощью изменения концентрации субстратов реакции. Чем больше в распоряжении фермента имеется молекул веществ, превращения которых он осуществляет, тем выше (до определенных пределов) скорость процесса. При насыщении всех молекул фермента субстратом скорость реакции достигает максимального уровня. В дальнейшем скорость реакции может понизиться по мере исчерпания запасов субстрата и вновь возрасти при их восстановлении.
Слишком большая концентрация субстрата также может понижать скорость ферментативной реакции. Этот феномен носит название субстратного торможения.
В качестве примера субстратного торможения можно привести фермент, расщепляющий биологически активное вещество ацетилхолин — ацетилхолинэстеразу (АХЭ). К активному центру АХЭ субстрат (ацетилхолин) присоединяется двумя концами молекулы одновременно. При увеличении концентрации ацетилхолина с одной молекулой фермента могут одновременно реагировать две молекулы субстрата, но разными концами. В этом случае реакция, суть которой заключается в разрыве сложноэфирной связи в середине молекулы ацетилхолина (с образованием холина и уксусной кислоты), оказывается невозможной, и молекулы ацетилхолинэстеразы, нагруженные субстратом, оказываются тем не менее лишенными активности.
Уменьшение концентрации ацетилхолина в среде приведет к диссоциации неактивного комплекса и снимет торможение. Этот механизм имеет важное физиологическое значение для регуляции концентрации ацетилхолина, который выполняет в нервной системе и мышцах роль медиатора, передающего возбуждение с одной клетки на другую.
Аллостерическая регуляция. Фермент изменяет активность с помощью нековалентно связанного с ним эффектора. Связывание происходит в участке, пространственно удаленном от активного (каталитического) центра (allos — иной). Это связывание вызывает конформационные изменения в молекуле белка, приводящие к изменению определенной геометрии каталитического центра. Активность может увеличиться — это активация фермента, или уменьшиться — это ингибирование.
«Сообщение» о присоединении аллостерического активатора передается посредством конформационных изменений каталитической субъединице, которая становится комплементарной субстрату, и фермент «включается». При удалении активатора фермент вновь переходит в неактивную форму и «выключается». Аллостерическая регуляция является основным способом регуляции метаболических путей.
Обычно ферментативные реакции в клетке организованы в метаболические цепи или циклы, где самая медленная стадия лимитирует скорость всей цепи, то есть последовательности реакций, объединяемых общими субстратами (рис.9).
В таких цепях нередко наблюдается так называемая регуляция по типу обратной связи. Она служит для того, чтобы скорректировать работу цепи с потребностями клетки в конечном продукте. Принцип регуляции заключается в том, что ферменты, стоящие в начале цепи, ингибируются отдаленными метаболитами или конечными продуктами.
Такая регуляция чаще всего происходит по аллостерическому типу, когда молекула регулятора связывается с ферментом в специальном регуляторном центре. Аллостерические ферменты часто выполняют ключевую роль в регуляции обмена веществ, поскольку обладают способностью определять количество важных метаболитов и изменять в соответствии с этим свою активность.
В каждой метаболической цепи есть фермент, который задает скорость всей цепочке реакций. Он называется регуляторным ферментом.
Ферменты, регулирующие скорость метаболических путей:
— обычно действуют на ранних стадиях метаболических путей, в местах ключевых разветвлений метаболических путей;
— катализируют в условиях клетки практически необратимые реакции, протекающие наиболее медленно (ключевые).
Метаболическая цепь: А, В, С, D — метаболиты, Е1, Е2, Е3, Е4 — ферменты
Химическая модификация молекул ферментов (рис.10)
Химическая модификация белков осуществляется за счет присоединения к аминокислотным остаткам в молекуле белка определенных групп: фосфатной группы (при участии протеинкиназ), остатка жирной кислоты (с помощью ацилтрансфераз), углеводных компонентов (гликозил-трансферазы, гликозидазы).
Белки, как правило, имеют лабильную структуру, упаковка которой сильно зависит от свойств химических групп, входящих в состав молекулы. Поэтому присоединение к молекуле белка дополнительных группировок существенно влияет на структуру, а следовательно, и на ферментативную активность молекулы. Такая регуляция носит приспособительный (адаптационный) характер.
Пример. Регуляция активности ферментов путем фосфорилирования-дефосфорилирования. Фермент изменяет активность в результате ковалентной модификации. `
В этом случае фосфатная группа — ОРО3 2- присоединяется к гидроксильным группам в остатках серина, треонина или тирозина. В зависимости от природы фермента фосфорилирование может его активировать или, наоборот, инактивировать. Реакция присоединения фосфатной группы и ее отщепление катализируют специальные ферменты — протеинкиназы и протеинфосфатазы.
Фосфорилирование — распространенный способ изменить свойства некоторых клеточных белков. Так, при фосфорилировании компонентов цитоскелета (комплекса структурных белков, обеспечивающих поддержание прочности и функционирования клетки) изменяются прочность его взаимодействия с мембраной и форма клеток. Фосфорилирование белков — регуляторов сокращения активирует сократительную реакцию мышцы.
Регуляция с помощью химической модификации белка приводит к долговременным последствиям: модифицированные молекулы сохраняют свои функции измененными до тех пор, пока специальные ферменты не отщепят модифицирующую белок химическую группу и не вернут его в исходное состояние.
Регуляция путем белок-белковых взаимодействий (ассоциации-диссоциации субъединиц в олигомерном ферменте). (рис.10) Например, фермент протеинкиназа в неактивной форме построена как тетрамер R2C2 (R и С — разные субъединицы). Активная протеинкиназа представляет собой субъединицу С, для освобождения которой необходима диссоциация комплекса. Активация фермента происходит при участии цAMP, который способен присоединиться к субъединице R, после чего изменяется конформация, комплементарность субъединиц R и С и происходит диссоциация комплекса: R2C2 + 2cАМР 2С + 2(R -цАМР)
Протеинкиназа фосфорилирует соответствующие ферменты, изменяет их активность и, следовательно, скорость метаболизма в клетке.
Активация ферментов путем частичного протеолиза
Чачтичный протеолиз-разрушение белковой структкры до аминокислотных остатков,для того.чтобы слизистая пожелудочной не разрушилась от трипсина
. Некоторые ферменты синтезируются первоначально неактивными и лишь после секреции из клетки переходят в активную форму. Неактивный предшественник называется проферментом. Активация профермента включает модификацию первичной структуры с одновременным изменением конформации. Например, трипсиноген, синтезированный в поджелудочной железе, затем в кишечнике превращается в трипсин путем удаления фрагмента с N-конца гексапептида. Расщепление определенных пептидных связей «запускает» новые взаимодействия R-групп по всей молекуле, приводя к новой конформации, в которой R-группы активного центра занимают оптимальное положение для катализа (рис.10).
Роль липидного окружения.
Изменение вязкости микроокружения белковых молекул управляет взаимодействием между белками в олигомерных комплексах и регулирует активность мембраносвязанных ферментов.. Этот тип регуляции, который обнаружен в случае многих мембранных белков, обеспечивает тонкую настройку их работы на сиюминутные потребности клетки.
Источник
Способы регулирования активности ферментов.
1)Аллостерическая регуляция сопровождается изменением сродства фермента к субстрату без изменения максимальной скорости реакции. Это очень распространенная и чувствительная регуляция. Аллостерическая регуляция. Фермент изменяет активность с помощью нековалентно связанного с ним эффектора. Связывание происходит в участке, пространственно удаленном от активного (каталитического) центра (allos — иной). Это связывание вызывает конформационные изменения в молекуле белка, приводящие к изменению определенной геометрии каталитического центра. Активность может увеличиться — это активация фермента, или уменьшиться — это ингибирование.
«Сообщение» о присоединении аллостерического активатора передается посредством конформационных изменений каталитической субъединице, которая становится комплементарной субстрату, и фермент «включается». При удалении активатора фермент вновь переходит в неактивную форму и «выключается». Аллостерическая регуляция является основным способом регуляции метаболических путей.
Широко представлены такие коферменты как АМФ, АДФ, АТФ, НАД, НАДН, НАДФ, НАДФН, лимонная кислота, ацетил-KoA и ряд других, которые одновременно являются субстратами, продуктами и регуляторами ферментативных реакций.
Регуляция активности ферментов происходит также ковалентной модификацией. Открытие этого пути – важнейшее достижение биохимии. Активирование и ингибирование активности ферментов фосфорилированием их киназами, участие циклической АТФ в процессах действия гормонов, наличие специфических рецепторов гормонов в мембранах клеток – все это является новым этапом в изучении регуляции обмена веществ.
Общая схема регуляции при этом заключаются в следующем: циклический АМФ (ц-АМФ) присоединяется к регуляторной субъединице, что ведет к освобождению его активной каталитической субъединицы, то есть концентрация ц-АМФ, его образование под влиянием циклазы и расщепление под влиянием фосфодиэстеразы лежат в основе регуляции целого ряда путей обмена веществ. Фосфорилирование также является распространенным механизмом регулирования активности ферментов обмена веществ.
Гормональная регуляция активности ферментов заключается в том, что имеется связь между влиянием гормонов на процессы транскрипции и модификацией негистоновых белков ядра. Гормоны могут выступать как эффекторы (сенсорные участки) ДНК и т.д.
Нервная регуляция активности ферментов изучается давно (обмен веществ). На животных с перерезкой нервов доказано, что при этом ряд ферментов мышечной ткани меняет свои свойства.
2) Регуляция на генетическом уровне— изменение скорости биосинтеза белка.
. С этой точки зрения ферменты можно подразделить на три группы:
Конституитивные – такие ферменты, которые образуются в клетке постоянно.
Индуцируемые (адаптивные) – синтез этих ферментов возрастает при наличии соответствующих стимулов (индукторов).
Репрессируемые – образование таких ферментов в клетке при необходимости подавляется.
Изменение скорости синтеза фермента обычно зависит от количества определенных гормонов или субстратов реакции, например:
исчезновение пищеварительных ферментов при длительном голодании и их появление в восстановительный период (в результате изменения секреции кишечных гормонов),
при беременности и после родов в молочной железе активно идет синтез фермента лактозосинтазы под воздействием лактотропного гормона,
гормоны глюкокортикоиды стимулируют синтез ферментов глюконеогенеза, что обеспечивает стабильность концентрации глюкозы в крови при длительном голоданиии и устойчивость ЦНС к стрессу,
токсические субстраты этанол и барбитураты стимулируют в печени синтез «своего» изофермента цитохрома Р450, который окисляет и обезвреживает эти вещества.
3) Филогенетически наиболее старый уровень – Автономная саморегуляция ферментов.
Автономная саморегуляция— это регуляция, которая происходит благодаря только самим участникам реакции, то есть за счет фермента, его субстрата (или субстратов) и/или продуктов деятельности данного фермента. Фермент не только работает, но еще и сам себя регулирует.
Ковалентная (химическая) модификация
Ковалентная модификация заключается в обратимом присоединении или отщеплении определенной группы, благодаря чему изменяется активность фермента. Чаще всего такой группой является фосфорная кислота, реже метильные и ацетильные группы. Фосфорилирование фермента происходит по остаткам серина и тирозина. Присоединение фосфорной кислоты к белку осуществляют ферменты протеинкиназы, отщепление – протеинфосфатазы.
Ферменты могут быть активны как в фосфорилированном, так и в дефосфорилированном состоянии. Например, в мышцах ферменты гликогенфосфорилазаи гликогенсинтаза
при нагрузке фосфорилируются, при этом фосфорилаза гликогена становится активной и начинает расщепление гликогена и сжигание глюкозы, а гликогенсинтаза при этом неактивна.
во время отдыха при синтезе гликогена оба фермента дефосфорилируются, синтаза при этом становится активной, фосфорилаза – неактивной
Пример. Регуляция активности ферментов путем фосфорилирования-дефосфорилирования. Фермент изменяет активность в результате ковалентной модификации. `
В этом случае фосфатная группа — ОРО3 2- присоединяется к гидроксильным группам в остатках серина, треонина или тирозина. В зависимости от природы фермента фосфорилирование может его активировать или, наоборот, инактивировать. Реакция присоединения фосфатной группы и ее отщепление катализируют специальные ферменты — протеинкиназы и протеинфосфатазы.
Фосфорилирование — распространенный способ изменить свойства некоторых клеточных белков. Так, при фосфорилировании компонентов цитоскелета (комплекса структурных белков, обеспечивающих поддержание прочности и функционирования клетки) изменяются прочность его взаимодействия с мембраной и форма клеток. Фосфорилирование белков — регуляторов сокращения активирует сократительную реакцию мышцы.
Источник
