Способы регуляции работы ферментов

Скорость ферментативных реакций можно регулировать, изменяя следующие параметры:

1) абсолютное количество фермента

2) каталитическую эффективность фермента.

Организм использует все три типа регуляции.

1. Абсолютное количество фермента в клетке определяется скоростями его синтеза и распада. Количество фермента увеличивается либо в результате повышения скорости его синтеза, либо снижения скорости распада, либо обоими способами сразу. Примером такой регуляции может служить индукция глюкокиназы под влиянием инсулина или ферментов глюконеогенеза в печени под влиянием глюкокортикоидов.

Этот механизм регуляции требует значительного времени (эффект развивается только через 1-2 суток) и энергетических затрат (удлинение пептида на 1 аминокислотный остаток сопровождается затратой энергии 4 высокоэнергетических связей). Поэтому данный тип регуляции следует рассматривать как долгосрочную регуляцию.

2. Регуляция каталитической эффективности ферментов является одним из основных механизмов регуляции метаболизма. При данном типе регуляции активность ферментов изменяется практически мгновенно и не требует значительных затрат энергии, т.к. реализуется на базе уже существующих структур. Существует четыре способа такой регуляции: а) аллостерическая регуляция, б) регуляция путем ковалентной модификации, в) ограниченный протеолиз и г) белок-белковые взаимодействия.

а) Аллостерическая регуляция (от греческого allos – иной, другой) имеет место в тех случаях, когда небольшие молекулы, связываясь с ферментом, в области, отличной от активного центра, изменяют скорость реакции. Аллостерическая регуляция характерна только для особой группы ферментов с четвертичной структурой, имеющих регуляторные центры для связывания аллостерических эффекторов. При этом аллостерические эффекторы могут быть положительными, если ускоряют ферментативную реакцию, и отрицательными, если тормозят ее. Аллостерические ферменты отличаются от прочих ферментов особой S-образной кривой зависимости скорости реакции от концентрации субстрата. Она свидетельствует о том, что активные центры субъединиц функционируют не автономно, а кооперативно, т.е. сродство каждого последующего активного центра к субстрату определяется степенью насыщения предыдущих центров.

б) Ковалентной модификацией называется ковалентное присоединение или отщепление от фермента небольшой химической группы, например фосфатной, ацетатной, метильной и других. Наиболее изученной модификацией является фосфорилирование/дефосфорилирование, которое в настоящее время рассматривается как ключевой механизм регуляции клеточной активности. Фосфорилирование и дефосфорилирование являются ферментативными процессами, которые катализируются соответственно протеинкиназами и фосфатазами. Включение фосфатных групп происходит по остаткам гидроксиаминокислот Ser, Thr или Tyr. При этом, фосфорилирование происходит в высшей степени избирательно и затрагивает лишь небольшое (1-3) число остатков гидроксиаминокислот. Например, таким образом регулируется активность ферментов метаболизма гликогена – гликогенсинтазы и гликогенфосфорилазы, ферментов метаболизма ТАГ – ацетил-КоА-карбоксилазы и тканевой липазы. Ковалентная модификация является основным механизмом контроля скорости метаболических путей гормонами.

в) Ферментативная активность может регулироваться путем превращения неактивного профермента в каталитически активную форму. Оно происходит в результате ограниченного протеолиза и последующей конформационной перестройки молекулы, приводящей к образованию активного центра фермента. Синтез в форме каталитически неактивных проферментов характерен для протеолитических ферментов желудочно-кишечного тракта и ферментов системы свертывания крови.

г) Регуляция с помощью белок-белковых взаимодействий выражается в присоединении или отщеплении регуляторных субъединиц или белков-регуляторов. Например, протеинкиназа А является тетрамером и состоит из 2-х регуляторных и 2-х каталитических субъединиц. Присоединение цАМФ к регуляторным субъединицам приводит к диссоциации тетрамера на димеры. При этом димер из 2-х каталитических субъединиц и является активной формой протеинкиназы А.