РЕГУЛЯТОРЫ ФЕРМЕНТОВ
Регуляция активности ферментов и их способы
Являясь единицей живой материи, функционирующей как комплекс открытых биосистем, клетка постоянно обменивается с внешней средой веществами и энергией. Для поддержания гомеостаза в ней существует группа особых веществ белковой природы – энзимов.
Строение, функции, а также регуляция активности ферментов изучаются специальной отраслью биохимии, называемой энзимологией.
В данной статье на конкретных примерах мы рассмотрим различные механизмы и способы регуляции активности ферментов, присущие высшим млекопитающим и человеку.
Условия, необходимые для оптимальной активности энзимов
Биологически активные вещества, избирательно влияющие как на реакции ассимиляции, так и на расщепление, проявляют свои каталитические свойства в клетках при определенных условиях.
Например, важно выяснить, в каком участке клетки протекает химический процесс, в котором участвуют энзимы.
Благодаря компартментации (разделению цитоплазмы на участки) антагонистические реакции происходят в различных её частях и органоидах.
Так, синтез белков осуществляется в рибосомах, а их расщепление — в гиалоплазме. Клеточная регуляция активности ферментов, катализирующих противоположные биохимические реакции, обеспечивает не только оптимальную скорость протекания обмена веществ, но и препятствует формированию энергетически бесполезных метаболических путей.Структурно-функциональная организация энзимов образует ферментативный аппарат клетки. Большинство химических реакций, протекающих в ней, взаимосвязаны. Если в многостадийном химическом процессе продукт первой реакции является реагентом для последующей, в этом случае пространственное расположение энзимов в клетке выражено особенно сильно.
Нужно помнить, что ферменты являются по своей природе простыми или сложными белками.
И их чувствительность к клеточному субстрату объясняется прежде всего изменением собственной пространственной конфигурации третичной или четвертичной структуры пептида.
Энзимы реагируют и на изменения не только внутри клеточных параметров, таких как химический состав гиалоплазмы, концентрацию реагентов и продуктов реакции, температуру, но и на изменения, происходящие в соседних клетках или в межклеточной жидкости.
Почему клетка разделена на компартменты
Разумность и логичность устройства живой природы просто поразительна. Это в полной мере относится и к жизненным проявлениям, характерным для клетки.
Для ученого-химика совершенно понятно, что разнонаправленные ферментативные химические реакции, например синтез глюкозы и гликолиз, не могут протекать в одной и той же пробирке.
Как же тогда происходят противоположные реакции в гиалоплазме одной клетки, являющейся субстратом для их проведения? Оказывается, клеточное содержимое – цитозоль, – в котором осуществляются антагонистические химические процессы, пространственно разделено и образует изолированные локусы – компартменты.
Благодаря им метаболические реакции высших млекопитающих и человека регулируются особенно точно, а продукты обмена превращаются в формы, свободно проникающие через перегородки клеточных участков. Далее они восстанавливают свою первоначальную структуру. Кроме цитозоля, ферменты содержатся в органеллах: рибосомах, митохондриях, ядре, лизосомах.Рассмотрим окислительное декарбоксилирование пирувата. Регуляция каталитической активности ферментов в нем хорошо изучена энзимологией. Данный биохимический процесс протекает в митохондриях – двумембранных органеллах эукариотических клеток – и является промежуточным процессом между бескислородным расщеплением глюкозы и циклом Кребса.
Пируватдегидрогеназный комплекс – PDH – содержит три фермента. У высших млекопитающих и человека снижение его происходит при повышении концентрации Ацетил-КоА и NATH, то есть в случае появления альтернативных возможностей образования молекул Ацетил-КоА .
Если же клетка нуждается в дополнительной порции энергии и требует новых молекул акцептора для усиления реакций цикла трикарбоновых кислот, то ферменты активируются.
Что такое аллостерическое ингибирование
Регуляция активности ферментов может осуществляться специальными веществами – каталитическими ингибиторами. Они могут ковалентно связываться с определенными локусами энзима, минуя его активный центр. Это приводит к деформации пространственной структуры катализатора и автоматически влечет за собой снижение его ферментативных свойств.
Иными словами, происходит аллостерическая регуляция активности ферментов. Добавим также, что такая форма каталитического воздействия присуща олигомерным энзимам, то есть тем, чьи молекулы состоят из двух и более полимерных белковых субъединиц.
Рассмотренный в предыдущем заголовке PDH-комплекс как раз и содержит три олигомерных фермента: пируват дегидрогеназу, дегидролипоил дегидрогеназу и гидролипоил трансацетилазу.
Регуляторные ферменты
Исследования в энзимологии установили тот факт, что скорость химических реакций зависит как от концентрации, так и от активности катализатора. Чаще всего метаболические пути содержат главные ферменты, регулирующие скорость реакций на всех его участках.
Они называются регуляторными и обычно воздействуют на начальные реакции комплекса, а также могут участвовать в наиболее медленно протекающих химических процессах в необратимых реакциях, или же присоединятся к реагентам в точках ветвления метаболического пути.
Как осуществляется пептидное взаимодействие
Одним из способов, с помощью которого происходят регуляция активности ферментов в клетке, является белок-белковое взаимодействие. О чем речь? Осуществляется присоединение регуляторных белков к молекуле энзимов, вследствие чего происходит их активация.
Например, фермент аденилатциклаза находится на внутренней поверхности клеточной мембраны и может взаимодействовать с такими структурами, как рецептор гормона, а также с пептидом, расположенным между ним и ферментом.
Так как в результате соединения гормона и рецептора промежуточный белок изменяет свою пространственную конфирмацию, этот способ усиления каталитических свойств аденилатциклазы в биохимии носит название «активации вследствие присоединения белков-регуляторов».
Протомеры и их роль в биохимии
Эта группа веществ, иначе называемая протеинкиназами, ускорят перенос аниона PO43- на гидроксогруппы аминокислот, входящих в пептидную макромолекулу. Регуляция активности ферментов протомеров будет рассмотрена нами на примере протеинкиназы А.
Её молекула – тетрамер, состоит из двух каталитических и двух регуляторных пептидных субъединиц и не функционирует как катализатор до тех пор, пока к регуляторным участкам протомера не прикрепятся четыре молекулы цАМФ.
Это вызывает трансформацию пространственной структуры белков-регуляторов, что приводит к высвобождению двух активированных каталитических белковых частиц, то есть происходит диссоциация протомеров.
Если же от регуляторных субъединиц отделяются молекулы цАМФ, то неактивный комплекс протеинкиназы снова восстанавливается до тетрамера, так как происходит ассоциация каталитических и регуляторных пептидных частиц. Таким образом, рассмотренные выше пути регуляции активности ферментов обеспечивают их обратимый характер.
Химическая регуляция активности ферментов
Биохимия изучила и такие механизмы регуляции активности ферментов, как фосфорилирование, дефосфорилирование. Механизм регуляции активности ферментов в данном случае имеет следующий вид: аминокислотные остатки энзима, содержащие группы ОН-, изменяют свою химическую модификацию вследствие воздействия на них фосфопротеинфосфатаз.
В этом случае коррекции поддается активный центр фермента, причем для одних энзимов это является причиной, активирующей их, а для других — ингибирующей. В свою очередь каталитические свойства самих фосфопротеинфосфатаз регулируются гормоном.
Например, животный крахмал – гликоген – и жир в промежутках между приемами пищи расщепляются в желудочно-кишечном тракте, точнее, в двенадцатиперстной кишке под воздействием глюкагона – панкреатического фермента.
Этот процесс усиливается благодаря фосфорилированию трофических энзимов ЖКТ. В период активного пищеварения, когда пища поступает из желудка в двенадцатиперстную кишку, синтез глюкагона усиливается.Инсулин – еще один фермент поджелудочной железы, вырабатываемый альфа-клетками островков Лангерганса, – взаимодействует с рецептором, включая механизм фосфорилирования тех же пищеварительных энзимов.
Частичный протеолиз
Как видим, уровни регуляции активности ферментов в клетке разнообразны. Для энзимов, находящихся вне цитозоля или органоидов (в плазме крови или в желудочно-кишечном тракте), способом их активации служит процесс гидролиза пептидных связей CO-NH. Он необходим, так как такие ферменты синтезируются в неактивной форме.
От молекулы энзима отщепляется пептидная часть, а в оставшейся структуре модификации подвергается активный центр. Это приводит к тому, что фермент «входит в рабочее состояние», то есть становится способным влиять на протекание химического процесса.
Например, неактивный фермент поджелудочной железы трипсиноген не расщепляет белки пищи, поступающие в двенадцатиперстную кишку. В ней под действием энтеропептидазы происходит протеолиз. После чего энзим активируется и называется теперь трипсином. Частичный протеолиз – процесс обратимый.
Он происходит в таких случаях, как активация энзимов, расщепляющих полипептиды, в процессах свертывания крови.
Роль концентрации исходных веществ в метаболизме клетки
Регуляция активности фермента доступностью субстрата частично рассматривалась нами в подзаголовке «Мультиферментный комплекс».
Скорость протекания каталитических реакций, проходящих в несколько стадий, сильно зависит от того, сколько молекул исходного вещества находится в гиалоплазме или органеллах клетки.
Это связано с тем, что скорость метаболического пути прямо пропорциональна концентрации исходного вещества. Чем больше молекул реагента находится в цитозоле, тем выше скорость всех последующих химических реакций.
Аллостерическая регуляция
Ферментам, активность которых контролируется не только концентрацией исходных веществ-реагентов, но еще и веществами-эффекторами, присуща так называемая аллостерическая регуляция. Чаще всего такие энзимы представлены промежуточными продуктами обмена веществ в клетке. Благодаря эффекторам и осуществляется регуляция активности ферментов.
Биохимия доказала, что такие соединения, названные аллостерическими энзимами, очень важны для метаболизма клетки, так как обладают чрезвычайно высокой чувствительностью к изменениям её гомеостаза. Если энзим угнетает химическую реакцию, то есть снижает её скорость – его называют отрицательным эффектором (ингибитором).
В противоположном случае, когда наблюдается увеличение скорости реакции, речь идет об активаторе – положительном эффекторе. В большинстве случаев исходные вещества, то есть реагенты, вступающие в химические взаимодействия, играют роль активаторов. Конечные же, продукты, образовавшиеся в результате многостадийных реакций, ведут себя как ингибиторы.
Такой вид регуляции, построенной на взаимосвязи концентрации реагентов и продуктов, называется гетеротрофным.Как регулируется активность ферментов?
Активность ферментов в клетке непостоянна во времени. Ферменты чутко реагируют на ситуацию, в которой оказывается клетка, на факторы, воздействующие на нее как снаружи, так и изнутри.
цель такой чувствительности ферментов – отреагировать на изменение окружающей среды, приспособить клетку к новым условиям, дать должный ответ на гормональные и иные стимулы, а в некоторых ситуациях – предоставить клетке шанс выжить.
Способы регуляции активности ферментов
В клетке имеется несколько способов регуляции активности ферментов – одни способы подходят для любых ферментов, другие более специфичны.
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 (ЦТК) таким субстратом является оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота). Наличие оксалоацетата «подталкивает» реакции цикла, что позволяет вовлекать в окисление молекулы ацетил-SКоА.
2. Компартментализация
Компартментализация – это сосредоточение ферментов и их субстратов в одном компартменте (одной органелле) – в эндоплазматическом ретикулуме, митохондриях, лизосомах, ядре, плазматической мембране и т.п.
Например, ферменты цикла трикарбоновых кислот и β-окисления жирных кислот расположены в митохондриях, ферменты синтеза белка – в рибосомах.
3. Генетическая регуляция
Генетическая регуляция (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, независимо от наличия субстрата (NO-синтаза, ферменты гликолиза, β-окисления жирных кислот, репарации ДНК).
- 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,
- при беременности и после родов в молочной железе индуцируется 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 (например, этанол и барбитураты) стимулируют в печени синтез «своего» изофермента цитохрома Р450, который окисляет и обезвреживает эти вещества.
Примеры репрессируемых ферментов:
4. Ограниченный (частичный) протеолиз проферментов
Ограниченный (частичный) протеолиз проферментов подразумевает, что синтез некоторых ферментов осуществляется в виде более крупного предшественника и при поступлении в нужное место этот фермент активируется через отщепление от него одного или нескольких пептидных фрагментов. Подобный механизм защищает внутриклеточные структуры от повреждений.
Схема активации фермента способом
«ограниченного протеолиза»
Примером служит активация протеолитических ферментов желудочно-кишечного тракта (трипсиноген, пепсиноген, прокарбоксипептидазы), факторов свертывающей системы крови, лизосомальных ферментов (катепсины).
Секреция ряда ферментов за пределы клетки в неактивном состоянии позволяет предохранить клетки от повреждения (пищеварительные ферменты) или сохранить белок в плазме крови до наступления определенного момента (факторы свертывания крови, белки системы комплемента, калликреин-кининовой и ренин-ангиотензиновой систем).
5. Аллостерическая регуляция
Аллостерические ферменты построены из двух и более субъединиц: одни субъединицы содержат каталитический центр, другие имеют аллостерический центр и являются регуляторными. Присоединение эффектора к аллостерической (регуляторной) субъединице изменяет конформацию белка и, соответственно, 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.
Общий принцип аллостерической регуляции
В качестве отрицательного регулятора может выступать конечный метаболит биохимического процесса или продукт данной реакции, т.е включается 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.
Регуляция фосфофруктокиназы конечным продуктом
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.
Еще один пример: в большинстве клеток организма (кроме печени) при регуляции синтеза холестерола аллостерическим ингибитором ключевого фермента этого процесса ГМГ-КоА-редуктазы выступает сам холестерол, что быстро и точно регулирует его количество.
В то же время в адипоцитах синтез нейтрального жира (триацилглицеролов) никак не ограничивается количеством конечного продукта, что позволяет клетке накапливать жир в гигантском количестве.
6. Белок-белковое взаимодействие
Термин белок-белковое взаимодействие обозначает ситуацию, когда в качестве регулятора выступают не метаболиты биохимических процессов, а специфичные белки. В целом ситуация схожа с аллостерическим механизмом: после влияния каких-либо факторов на специфичные белки изменяется активность этих белков, и они, в свою очередь, воздействуют на нужный фермент.
1. 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
Более подробно механизм активации G-белка можно посмотреть здесь.
2. Еще примером белок-белкового взаимодействия может быть регуляция активности протеинкиназы А через механизм ассоциации-диссоциации.
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 их отхождение от каталитических субъединиц. Каталитические субъединицы при этом активируются.
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 и тирозина.
Присоединение фосфорной кислоты к белку осуществляют ферменты протеинкиназы, отщепление – протеинфосфатазы.
Изменение активности фермента
при фосфорилировании-дефосфорилировании
Ферменты могут быть активны как в фосфорилированном, так и в дефосфорилированном состоянии.
Например, в мышцах ферменты гликогенфосфорилаза и 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.
