Регуляция активности ферментов in vivo, О.А. Тимин - MedFsh.ru
ОМТ, Биохимия, Тимин, Регуляция активности ферментов in vivo
Общая медицинская теория
ОМТ

Регуляция активности ферментов in vivo

Активность ферментов в клетке непостоянна во времени. Она чутко реагирует на ситуацию, в которой оказывается клетка, на факторы, воздействующие на клетку как снаружи, так и изнутри. Главная цель этой реакции – отреагировать на изменение окружающей среды, приспособить клетку к новым условиям, дать должный ответ на гормональные и иные стимулы, а в некоторых ситуациях – получить шанс выжить.

1. Доступность субстрата или кофермента

Здесь работает закон действия масс – фундаментальный закон химической кинетики: при постоянной температуре скорость химической реакции пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ. Или упрощенно – скорость, с которой вещества реагируют друг с другом, зависит от их концентрации. Таким образом, изменение количества хотя бы одного из субстратов прекращает или начинает реакцию.

Например, для цикла трикарбоновых кислот таким субстратом является оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота).

Роль оксалоацетата в регуляции ЦТК

2. Компартментализация

Компартментализация – это сосредоточение ферментов и их субстратов в одном компартменте (одной органелле) – в эндоплазматическом ретикулуме, митохондриях, лизосомах. Например, β-окисление жирных кислот протекает в митохондриях, синтез белка – в рибосомах.

3. Генетическая регуляция – изменение количества фермента

Изменение количества фермента может происходить в результате увеличения или снижения его синтеза. 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 (индукция или репрессия) обычно зависит от количества определенных гормонов или метаболитов процесса.

Примеры индуцируемых ферментов:

  • исчезновение пищеварительных ферментов при длительном голодании и индукция их синтеза в восстановительный период в результате возобновления секреции гормонов ЖКТ,
  • гормоны глюкокортикоиды стимулируют синтез ферментов синтеза глюкозы (глюконеогенеза), что обеспечивает стабильность концентрации глюкозы в крови при длительном голоданиии и устойчивость ЦНС к стрессу,
  • токсические субстраты (например, этанол и барбитураты) стимулируют в печени синтез «своего» изофермента цитохрома Р450, который окисляет и обезвреживает эти вещества.

Примеры репрессируемых ферментов:

  • подавление синтеза триптофана бактериями при деятельности триптофанового оперона (см «Регуляция транскрипции»),
  • в печени репрессия фермента синтеза холестерола ГМГ-SKoA-редуктазы под влиянием холестерина и желчных кислот.

4. Ограниченный (частичный) протеолиз проферментов

Синтез некоторых ферментов осуществляется в виде более крупного предшественника (трипсиноген, пепсиноген, прокарбоксипептидазы, факторы свертывания крови) и при поступлении в нужное место этот фермент активируется через отщепление от него одного или нескольких пептидных фрагментов.

Схема активации фермента способом ограниченного протеолиза

Секреция ряда ферментов за пределы клетки в неактивном состоянии позволяет предохранить клетки от повреждения (пищеварительные ферменты) или сохранить белок до наступления определенного момента (протромбин, фибриноген, белки комплемента).

5. Аллостерическая регуляция

Аллостерические ферменты построены из двух и более субъединиц: одни субъединицы содержат каталитический центр, другие являются регуляторными. Присоединение эффектора к аллостерической (регуляторной) субъединице изменяет конформацию белка и активность каталитической субъединицы.

Аллостерические ферменты обычно стоят в начале метаболических путей, и от их активности зависит течение многих последующих реакций. Поэтому они часто называются ключевыми ферментами.

Роль аллостерической регуляции ферментов, аллостерическая регуляция фосфофруктокиназы

В качестве отрицательного регулятора может выступать конечный метаболит биохимического процесса, продукт данной реакции, т. е. работает механизм обратной отрицательной связи. Если регуляторами являются начальный метаболит или субстрат реакции, то говорят о прямой регуляции, она может быть как положительной, так и отрицательной. Также регулятором могут быть метаболиты биохимических путей, каким-то образом связанных с данной реакцией.

Например, фермент энергетического распада глюкозы, фосфофруктокиназа, регулируется промежуточными и конечными продуктами этого распада. При этом АТФ, лимонная кислота, фруктозо-1,6- дифосфат являются ингибиторами, а фруктозо-6-фосфат и АМФ – активаторами фермента.

6. Белок-белковое взаимодействие

Термин белок-белковое взаимодействие обозначает ситуацию, когда в качестве регулятора выступают не метаболиты биохимических процессов, а специфичные белки. Влияние каких-либо факторов на эти белки изменяет их активность, и они, в свою очередь, воздействуют на нужный фермент.

К примеру, мембранный фермент аденилатциклаза является чувствительным к воздействию мембранного G-белка, который сам активируется при действии на клетку некоторых гормонов (например, адреналина и глюкагона).

Упрощенная схема активации аденилатциклазы

Другим примером белок-белкового взаимодействия может быть регуляция активности протеинкиназы А. Протеинкиназа А является тетрамерным ферментом, состоящим из 2 каталитических (С) и 2 регуляторных (R) субъединиц. Активатором для протеинкиназы А является цАМФ. Присоединение цАМФ к регуляторным субъединицам фермента вызывает изменение их конформации и отхождение от каталитических субъединиц. Каталитические субъединицы при этом активируются.

Аллостерическая активация протеинкиназы А при помощи цАМФ

7. 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, треонина, тирозина. Присоединение фосфорной кислоты к белку осуществляют ферменты протеинкиназы, отщепление – протеин- фосфатазы.

Изменение активности фермента способом фосфорилирования-дефосфорилирования

Ферменты могут быть активны как в фосфорилированном, так и в дефосфорилированном состоянии. Например, ферменты гликогенфосфорилаза и гликогенсинтаза в мышцах при нагрузке фосфорилируются, при этом фосфорилаза гликогена становится активной и начинает расщепление гликогена, а гликогенсинтаза неактивна. При отдыхе и синтеза гликогена оба фермента дефосфорилируются, синтаза при этом становится активной, фосфорилаза – неактивной.

Зависимость активности ферментов обмена гликогена от наличия в структуре фосфорной кислоты