Мои Конспекты
Главная | Обратная связь


Автомобили
Астрономия
Биология
География
Дом и сад
Другие языки
Другое
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Металлургия
Механика
Образование
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Туризм
Физика
Философия
Финансы
Химия
Черчение
Экология
Экономика
Электроника

Шляхи та механізми регуляції ферментативних процесів.

 

У клітинах живих організмів відбувається безліч хімічних процесів, які стають можливими завдяки існуванню біокаталізаторів-ферментів. Крім того, для клітин, тканин, органів та систем важливим є те, що ферменти – це каталізатори, активність яких регулюється. У клітинах існують особливі ферменти, які мають назву ключові, або регуляторні. Саме завдяки зміні активності або кількості цих ферментів швидкість хімічних процесів в організмі регулюється відповідно до його потреб. Так, наприклад, у «здоровій» клітині енергія буде продукуватися саме в такій кількості, в якій вона потрібна для нормального функціонування.

Як уже було відмічено вище, шлях біохімічного перетворення від субстрату до продукту може складатися з проміжних реакцій, кожна з яких каталізується відповідним ферментом. Але регуляторними ферментами можуть бути не всі. Як правило, ключові ферменти розташовані на початку метаболічного процесу (E1) (рис. 15).

E1 E2 E3

А В С D

Рисунок 15 - Ретроінгібування в мультиферментній системі

 

На рис. 15 зображена схема, яка ілюструє дуже поширений процес інгібування в клітинах – інгібування кінцевим продуктом, або ретроінгібування. Як правило, при накопиченні кінцевого продукту (D) без подальшого його використання цей продукт виступає в ролі інгібітора для ключового ферменту (Е1) і, таким чином, блокує свою власну продукцію.

Для прискорення або гальмування метаболічних процесів існує два основних шляхи регуляції:

1) зміна каталітичної активності ферменту;

2) зміна кількості ферменту.

У разі реалізації першого шляху кількість ферменту залишається без змін, відбувається активація або інгібування ензиму. Це найбільш поширений шлях регуляції

Зміна кількості ферменту може відбуватися як результат коливання концентрації субстрату або дії гормональних чинників.

Кожен із цих шляхів має відповідні механізми регуляції, які дозволяють максимально можливо збалансувати метаболічні перетворення.

Зміна каталітичної активності ферментів можлива завдяки існуванню таких механізмів:

1) алостерична регуляція;

2) зворотна ковалентна модифікація (фосфорилювання / дефосфорилювання);

3) частковий протеоліз;

4) білок-білкові взаємодії.

Розглянемо кожен із названих механізмів.

Алостерична регуляція характерна для особливих регуля-торних (алостеричних) ферментів, які, крім активного, мають алостеричний ценр, що відповідає за зв’язування з модифікаторами (інгібіторами або активаторами).

До основних властивостей та характеристик алосте-ричних ферментів слід віднести таке:

1) усі алостеричні ферменти – це олігомерні білки, тобто складаються з декількох субодиниць;

2) активний та алостеричний центри знаходяться на різних субодиницях. Субодиниця, яка містить активний центр, має назву каталітична і позначається «С», та яка містить алостеричний – регуляторна і відповідно має позначку «R»;

 

 

3) кінетика алостеричних ферментів відрізняється від звичайних нерегуляторних ензимів, тому що вони мають олігомерну будову. Саме тому для алостеричних ферментів властивий кооперативний ефект зв’язування, який і змінює кінетичні характеристики хімічної реакції.

Д. Кошланд розробив модель, яка пояснює ефект коопе-ративності для олігомерних ферментів. Згідно з цією моделлю кожна субодиниця може існувати в двох конформаційних формах T та R. Субодиниця без субстрату знаходиться в Т-формі. Після зв’язування з S вона переходить в R-форму, тобто відбуваються конформаційні зміни, які потім передаються на іншу субодиницю. У результаті цього змінюється спорідненість другої субодиниці до субстрату та її каталітична активність, що приводить до стрімкого зростання швидкості каталітичного перетворення. Якщо фермент містить більш ніж дві субодиниці, конформаційні зміни поступово також передаються на інші субодиниці.

Рисунок 16 - Конформаційні зміни олігомерного ферменту при зв’язуванні із субстратом (за Д. Кошландом)

Алостеричні взаємодії можуть бути гомотропні (лі-ганди ідентичні) і гетеротропні (ліганди різні). Гомотропна взаємодія наведена на рис. 16. Гомотропними ефекторами є самі молекули субстрату, тому гомотропні взаємодії завжди пози-тивні і стимулюють каталітичну активність ферменту. Гетеро-тропні ефектори - це вже інші молекули (не молекули субстрату) і тому можуть діяти як позитивно (активатори), так і негативно (інгібітори).

При зв’язуванні активатора з алостеричним центром через конформаційні зміни субодиниць реалізується його позитивна дія, яка супроводжується зростанням каталітичної активності активного центру ферменту. В разі приєднання інгібітора конформаційні зміни регуляторної субодиниці призводять до зниження роботи активного центру і, таким чином, до пригнічення активності ферменту взагалі.

Кінетична крива для алостеричних ферментів суттєво відрізняється від кривої для простих ферментів – вона має S-подібну форму, яка пояснюється саме існуванням кооператив-ного ефекту (рис. 17).

Рисунок 17 - Кінетичні криві для: А – алостеричного ферменту;

В – нерегуляторного ферменту

 

 

Зворотна ковалентна модифікація ферментів, яка призводить до зміни їх активності, найчастіше відбувається шляхом фосфорилювання або дефосфорилювання. Крім того, іноді відбуваються інші модифікації, такі, наприклад, як метилування, АДФ-рибозилювання, аденілування.

Приєднання залишку фосфорної кислоти відбувається до ОН-групи амінокислотного радикала ферменту, що призводить до конформаційних змін активного центру ензиму. Ефект такої модифікації залежить від ферменту, тому може спостерігатися як активація, так і пригнічення активності.

Фосфорилювання каталізують ферменти протеїнкінази за участі АТФ, дефосфорилювання – фосфопротеїнфосфатази (рис. 18).

 

Рисунок 18 - Зворотна ковалентна модифікація (фосфо-рилювання / дефосфорилювання).

Ферменти: 1 – кіназа; 2 – фосфатаза

 

 

Прикладом регуляції активності за рахунок фосфори-лювання / дефосфорилювання може бути зміна активності ферментів метаболізму глікогену печінки. Основним ферментом синтезу глікогену є глікогенсинтаза, розщеплення – глікоген-фосфорилаза (фосфорилаза). У стресових станах, коли відбувається підвищення концентрації в крові адреналіну, названий гормон запускає каскад перетворень, які призводять до активації кіназ і фосфорилювання цих двох ферментів. Але зміна їх активності відбувається абсолютно протилежно: глікогенфосфорилаза після фосфорилювання активується, глікогенсинтаза – інгібується. Саме тому результатом дії адреналіну на клітини печінки буде підсилення розщеплення глікогену до глюкози і пригнічення його синтезу. Далі глюкоза виходить в кров, і саме тому адреналін має гіперглікемічний ефект.

Антагоністом дії адреналіну є інсулін, який, навпаки, ак-тивує фосфатазу. У результаті відбувається дефосфорилювання ферментів метаболізму глікогену: глікогенсинтаза – активується, глікогенфосфорилаза – інгібується.

 

Частковий протеоліз як механізм зміни каталітичної активності ферментів є незворотним процесом, тому що відбувається відщеплення фрагменту білкової молекули. Цей механізм реалізується в разі, коли фермент синтезується у вигляді неактивного попередника – проферменту (або зимогену).

Пепсин, трипсин, хімотрипсин – протеолітичні ферменти шлунково-кишкового тракту, які спочатку синтезуються у вигляді неактивних зимогенів: пепсиногену, трипсиногену, хімотрипсиногену. Їх активація відбувається саме завдяки частковому протеолізу.

Аналогічний механізм активації властивий ферментам згортальної та фібринолітичної систем крові, системи комплементу, пептидним та білковим гормонам.

 

 

Наступний механізм зміни каталітичної активності ферментів базується на білок-білкових взаємодіях. Існують два основних види такої регуляції:

1) приєднання спеціальних регуляторних білків до молекули ферменту;

2) асоціація або дисоціація протомерів (субодиниць) молекули ферменту.

 

Спеціальні регуляторні білки також можуть суттєво змінювати активність ферментів. Найбільш поширеними регуляторними білками є кальмодулін, протеїназні інгібітори (α1-антитрипсин, α2- макроглобулін), антигемофільний глобулін А, убіквітин та інші.

Одним із білків, який на сьогодні активно вивчається, є убіквітин. Убіквітин – це білок, який синтезується в усіх клітинах еукаріотичних організмів, його іноді називають «поцілунком смерті», або «чорною міткою» для білків. Це пов’язано з тим, що одна із форм ковалентного приєднання полімеру з убіквітину до білкової молекули є маркером подальшої деградації білка, який виконав свою функцію або має пошкоджену структуру. На цей час відомо, що приєднання убіквітину не лише інактивує білки-ферменти, а й має протилежний ефект. Класичними цитозольними ферментами, з якими реагує убіквітин, є кінази та фосфатази. Але зовсім недавно доведено, що цей білок взаємодіє з РНК-полімеразним комплексом ядра і, таким чином, бере участь у передачі сигналів від ядра у цитозоль. Поширення в клітинах убіквітування білків-ферментів приблизно таке саме, як і фосфорилювання, що підтверджує факт важливості цього білка в регуляції активності ферментів.

 

_______________________________________________________

 

Цікаво

Убіквітин відкритий у 1975 році. Тривалий час було невідомо, чому він є висококонсервативним і синтезується практично скрізь (від англ. ubiquitous — наявний скрізь). Функція маркера деградації білків відкрита у 1980 році ізраїльтянами Аароном Чіхановером (Aaron Ciechanover), Аврамом Хершко (Avram Hershko) й американцем Ірвин Розе (Irwin Rose). За це відкриття у 2004 році вони отримали Нобелевську премію з хімії.

_______________________________________________

Наступним прикладом реалізації механізму регуляції активності ферментів за допомогою регуляторних білків може бути кальмодулін – білок, який зв’язує іони кальцію і який також наявний практично в усіх еукаріотичних клітинах. Кальмодулін має два домени – кожен з них містить по два сайти для зв’язування кальцію. Вважають, що цей білок є інтегральною субодиницею для більш ніж 40 білків-мішеней, зв’язування з якими приводить до підвищення їх ферментної активності. Кальмодулін може зв’язуватись і активувати протеїнкінази, фосфатази, фосфодіестерази та ін.

Асоціація та дисоціація субодиниць молекули ферменту, що призводить до зміни активності, також зустрічається дуже часто. Так, наприклад, при реалізації дії адреналіну в клітині активується фермент протеїнкіназа А (ПК А), що необхідна для фосфорилювання ферментів, які відповідають за відповідь клітини на дію гормону. ПК А складається з чотирьох субодиниць (R2C2). Регуляторні субодиниці мають цетри зв’язування з циклічним нуклеотидом – цАМФ. Приєднання 4 молекул цАМФ до регуляторних протомерів ПК А призводить до відщеплення каталітичних субодиниць (С) – протеїнкіназа активується. Саме таким чином, шляхом дисоціації, відбува-ється активація протеїнкінази і в подальшому реалізується клітинна дія адреналіну.

 

 

Зміна кількості ферменту – шлях регуляції фермента-тивних процесів, для реалізації якого потрібен більш тривалий час, ніж для зміни каталітичної активності. Це пов’язано з тим, що запуск або гальмування механізмів цього шляху відбувається на рівні генів.

Найбільш вивчені ці процеси у прокаріот. Відомо, що у бактерій існують ферменти, які наявні в клітині завжди і мають постійну швидкість синтезу – це конститутивні ферменти. Деякі ферменти синтезуються у відповідь на надходження субстрату у клітину, їх синтез гальмується в разі відсутності цього субстрату – це індуцибельні (адаптивні) ферменти. До індуцибельних ферментів належать ферменти катаболічних шляхів (шляхів розщеплення), тому що їх синтез активується при надходженні субстрату, який потім буде розщеплений. Сам механізм стимуляції синтезу ферменту на рівні генів має назву індукція.

До іншого механізму, який дозволяє змінити кількість ферменту у клітині, належить репресія. Репресія синтезу ферментів характерна для анаболічних (синтетичних) процесів і реалізується в разі, коли продукт синтетичного шляху наявний в клітині вже у достатній кількості. Саме кінцевий продукт буде пригнічувати (репресувати) синтез ферментів цього шляху.

Механізми регуляції кількості ферментів у еукаріот є більш складними, тому що в них задіяні гормони. Гормони після зв’язування з відповідними рецепторами в клітинах через систему спеціальних молекулярних сигналів можуть впливати на швидкість синтезу ферментів, необхідних для реалізації гормональної дії. Так, наприклад, глюкокортикоїди стимулюють синтез ключових ферментів, які беруть участь у синтезі глюкози в організмі (процес має назву глюконеогенез). Тому ці гормони є антагоністами інсуліну – вони мають гіперглікемічну дію (підвищують концентрацію глюкози у крові).

В організмі людини під дією деяких ліків (фенобарбітал, рифампіцин, карбамазепін та ін.) може відбуватися індукція синтезу деяких ферментів печінки, в тому числі мікросомальної гідроксилази – цитохрому Р450. Цей цитохром бере участь в інактивації таких лікарських препаратів, як глюкокортикоїди, контрацептиви та ін. Саме тому при одночасному призначенні індукторів цитохрому Р450 із названими ліками відбувається пригнічення дії останніх.

Важливу роль у регуляції ферментативних реакцій в еука-ріотичних клітинах відіграє компартментація метаболічних процесів. Внутрішньоклітинні мембрани поділяють весь об’єм клітини на окремі компартменти – органели. Таким чином, відбуваються просторове розділення метаболічних процесів і функціональна спеціалізація органел: ядро – синтез ДНК та РНК, мітохондрії – продукція енергії, рибосоми – синтез білка тощо. Чітке функціонування цих метаболічних систем можливо завдяки тому, що мембрани регулюють потік субстратів і продуктів, розподіл метаболітів в окремих компартментах. У разі, наприклад, збільшення надходження кисню і субстратів окиснення в мітохондрії відбувається збільшення активності відповідних ферментів і зростання продукції енергії. Саме завдяки компартментації всі метаболічні процеси в клітинах чітко упорядковані і мають оптимальну швидкість.