Изостерическая регуляция

В роли изостерических регуляторов активности ферментов выступают субстраты, кофакторы, структурные аналоги и продукты реакции. Все перечисленные соединения являются соединениями, взаимодействующими с активными центрами ферментом, и поэтому их относят к изостерическим регуляторам.

Концентрация субстрата. Скорость любой энзиматической реакции определяется, в первую очередь, концентрацией субстрата. У ферментов, подчиняющихся закону Михаэлиса-Ментен, скорость реакции растет с увеличением концентрации субстрата, но достигает Vmax, когда фермент насыщен субстратом.

Vmax·[S]

v = --------------

Кm + [S]

Скорость энзиматической реакции наиболее чувствительна к изменению концентрации субстрата, когда она ниже Кm. При концентрации субстрата меньше, чем 1/10Кm, удвоение субстрата дает примерно удвоение скорости; при концентрации субстрата, равной 10Кm, удвоение концентрации субстрата оказывает малый эффект на скорость реакции. Если фермент имеет высокую Кm, то для достижения ½ Vmax ему требуются более высокие концентрации субстрата.

Например, гексокиназа I – изозим в эритроцитах имеет Кm для глюкозы ≈ 0,01 мМ, Кm для глюкозы глюкокиназы (изозим IV, печень) ≈ 10 мМ.

Эритроциты полностью зависят от метаболизма глюкозы, которую используют для образования АТР. При низких значениях Кm гексокиназы эритроцитов, даже если концентрация глюкозы в крови драматически снизится, эритроциты будут фосфорилировать глюкозу со скоростью, близкой к максимальной.

Печень же сохраняет излишек глюкозы в виде гликогена или превращает в жиры. Так как ее Кm ≈ 5 мМ, скорость фосфорилирования глюкозы будет увеличиваться с увеличением концентрации глюкозы в крови и уменьшаться, когда уровень глюкозы в крови падает. Высокая Кm гексокиназы печени поэтому способствует сохранению в печени гликогена или жиров, но только в случае избытка глюкозы.

Концентрация ингибиторов. Ферменты достаточно часто обратимо ингибируются структурными аналогами и продуктами реакции. Ингибиторы, похожие по структуре на субстрат конкурирует с ним за активный центр фермента, поэтому конкурентные ингибиторы увеличивают кажущуюся Кm фермента, но не влияют на Vmax. Они увеличивают концентрацию субстрата, необходимую для насыщения фермента, т.е. для достижения максимальной активности.

Классическим примером изостерического ингибирования является действие малоната на активность сукцинатдегидрогеназв (СДГ). Для 50 % ‒ го угнетения СДГ соотношение сукцинат/малонат должно составить 1:50. Изостерическим ингибитором СДГ является так же оксалоацетат, который регулирует, таким образом, заключительные этапы цикла Кребса по типу обратной связи.

Изостерические ингибиторы известны и для ферментов, метаболизирующих витамины. Примером может служить тиаминкиназа, фермент, осуществляющий фосфорилирование витамина В1, тиамина. При этом образуется активная форма тиамина ‒ тиаминдифосфат, участвующий в качестве простетической группы в функционировании пируватдегидрогеназы – первого фермента в составе пируватдегидрогеназного комплекса. Синтетический аналог тиамина, у которого атом серы заменен, на винильную группу – С=СН-, назван пиритиамином. Пиритиамин является одним из сильнейших изостерических ингибиторов. В присутствии тиамина пиритиамин ингибирует тиаминкиназу на 50% в соотношении 1:1. Следовательно, пиритиамин обладает таким же сродством к активному центру тиаминкиназы, как и тиамин, однако комплекс тиаминкиназа-пиритиамин катилитически не активен.

Все продукты являются обратимыми ингибиторами ферментов. Они могут быть конкурентными, неконкурентными, смешанными в отношении субстрата. Простейшее ингибирование продуктом, уменьшение скорости энзима, вызванное накоплением его собственного продукта, играет важную роль в метаболических путях. Это ингибирование не позволяет ферменту в последовательности реакций образовывать большее количество продукта, чем он может быть использован следующим ферментом в последовательности данного метаболического пути.