Регуляция активности ферментов
Содержание
Регуляция активности ферментов через доступность кофакторов
Кофактором называются вещества как органические, так и неорганические, необходимые для проявления активности фермента. Так, все перечисленные ниже вещества являются кофакторами.
Коферменты — это растворимые органические молекулы, которые способны связываться с различными ферментами и отделяться от них, например, НАД+ является коферментом различных дегидрогеназ.
Простетическая группа — это органическая молекула, ковалентно связанная со своим ферментом на протяжении всего периода его существования. Пример простетической группы — ФАД.
Металлозависимые ферменты
Для ряда ферментов в роли кофакторов выступают растворимые ионы металлов, например Mg++. Mg++ связывается с АТФ и обеспечивает необходимую структуру субстрата для киназных реакций (например, для гексокиназной реакции).
Металлоферменты
У этих ферментов катионы металлов входят в структуру фермента. Пример цинксодержащего металлофермента — алко-гольдегидрогеназа. Она содержит цинк, связанный с атомом серы цистеина — аминокислоты, которая входит в состав активного центра фермента.
Регуляция на уровне экспрессии генов
Уровень холестерола контролируется путем регуляции его образования и выведения в печени. Регуляторным ферментом синтеза холестерола является ГМГ-КоА-редуктаза. Поглощение холестерола печенью из крови, где он присутствует в составе ЛПНП, осуществляется с участием рецепторов ЛПНП клеток печени. Под действием высокой концентрации холестерола в клетках печени происходит подавление синтеза ГМГ-КоА-редуктазы и рецепторов ЛПНП. Это происходит с участием фактора транскрипции SREBP-2, который регулирует экспрессию этих генов (Sterol Regulatory Element Binding Protein — белок, связывающий стерол-регулируемый элемент генов). Напротив, при низком уровне холестерола синтез ГМГ-КоА-редуктазы и рецепторов ЛПНП активируется.
Наличие коферментов
Активность многих ферментов зависит от присутствия в среде их коферментов, например НАД+ (НАД+ можно рассматривать и как косубстрат). Для примера рассмотрим митохондриальный фермент малатдегидрогеназу. Малатдегидрогеназа содержится в тканях, требующих большого количества энергии, например в мышцах. При активном аэробном синтезе АТФ НАДН в дыхательной цепи окисляется до НАД+. При наличии НАД+ малатдегидрогеназа катализирует последнюю реакцию в цикле Кребса: она окисляет малат до оксалоацетата. Таким образом, цикл Кребса продолжает свою работу. Образующиеся в ходе цикла Кребса молекулы НАДН поступают в дыхательную цепь, и синтез АТФ продолжается. Однако при голодании в печени происходит β-окисление жирных кислот с образованием большого количества молекул НАДН. Часть их расходуется для синтеза АТФ, необходимого для глюконеогенеза и синтеза мочевины, однако темпы образования НАДН превышают темпы его окисления. Таким образом, НАДН накапливается в клетке. При высокой концентрации НАДН малатдегидрогеназа восстанавливает оксалоацетат до малата, тем самым поддерживая глюконеогенез.
Обратимое фосфорилирование
Протеинкиназы способны фосфорилировать определенные остатки серина, тирозина или треонина в белках, а протеинфосфатазы — дефосфорилировать их. Фосфорилирование и дефосфорилирование изменяет конформацию ферментов и влияет на их активность, повышая или понижая ее. Этот очень важный механизм регуляции обеспечивается тем, что протеинкиназы и фосфатазы составляют до 5% всех белков, кодируемых в геноме человека. Недавно было показано, что нарушения фосфорилирования белков наблюдаются при целом ряде болезней — раке, диабете, при воспалениях. Поэтому исследование протеинкиназ и фосфатаз является мишенью для создания новых эффективных лекарств.
Метаболизм гликогена регулируется путем фосфорилирования/ дефосфорилирования белков. Участвующие в процессе белки обозначены картинками, чтобы учащемуся было проще их запомнить. Гормоны адреналин (в мышцах) и глюкагон (в печени) повышают концентрацию циклического АМФ и активируют протеинкиназу А. Протеинкиназа А, взаимодействуя с другими киназами (например, с конститутивно активной киназой-3 гликогенсинтазы), фосфорилирует до 9 остатков серина в гликогенсинтазе инактивирует ее. Протеинфосфатаза-1 (ее активирует инсулин) дефосфорилирует гликогенсинтазу, тем самым активирует ее.
Аллостерические эффекторы
У ферментов существует сайт связывания субстрата. Субстраты связываются с ним и превращаются под действием фермента в продукт реакции. Некоторые ферменты имеют и другой сайт связывания — так называемый аллостерический сайт, который регулирует активность фермента. При связывании аллостерического эффектора (ингибитора или активатора) со своим (индивидуальным) аллостерическим центром происходит ингибирование или активация фермента. В качестве примера рассмотрим фосфофруктокиназу-1, отвечающую за регуляцию энергетического обмена (в мышцах) и липогенеза (в печени). График показывает, что в присутствии достаточного количества фруктозо-6-фосфата при повышении количества АТФ до 1 ммоль/л активность фосфофруктокиназы-1 повышается, поскольку АТФ связывается с сайтом связывания субстрата. Если бы фосфофруктокиназа-1 вела себя в соответствии с кинетикой Михаэлиса—Минтен, то скорость реакции соответствовала бы черте пунктирной линии на рис. 31.1. Однако при более высоких концентрациях АТФ связывается уже с ингибирующим аллостерическим сайтом фосфофруктокиназы-1 и подавляет ее активность. Таким образом, АТФ является одновременно и субстратом, и аллостерическим ингибитором фосфофруктокиназы-1. Но у фосфофруктокиназы-1 существует очень сильный аллостерический активатор — фруктозо-2,6-бисфосфат. Даже в очень низких (микромолярных!) концентрациях фруктозо-2,6-бисфосфат способен активировать фосфофруктокиназу-1. [Фруктозо-2,6-бисфосфат синтезируется из фруктозо-6-фосфата ферментом фосфофруктокиназой-2. В печени фосфофруктокиназа-2 активируется инсулином (он стимулирует липогенез); в сердечной мышце фосфофруктокиназа-2 активируется адреналином (он стимулирует энергетический обмен.)] График иллюстрирует, что при концентрации 1 мкмоль/л фруктозо-2,6-бисфосфат отменяет ингибирующее действие АТФ на фосфофруктокиназу-1.
