Рэгуляцыя актыўнасці ферментаў і іх спосабы

З'яўляючыся адзінкай жывой матэрыі, якая функцыянуе як комплекс адкрытых біясістэм, клетка пастаянна абменьваецца з навакольным асяроддзем рэчывамі і энергіяй. Для падтрымання гамеастазу у ёй існуе група адмысловых рэчываў бялковай прыроды - энзімаў. Будынак, функцыі, а таксама рэгуляцыя актыўнасці ферментаў вывучаюцца спецыяльнай галіной біяхіміі, званай энзимологией. У дадзеным артыкуле на канкрэтных прыкладах мы разгледзім розныя механізмы і спосабы рэгуляцыі актыўнасці ферментаў, уласцівыя вышэйшай сысунам і чалавеку.

Ўмовы, неабходныя для аптымальнай актыўнасці энзімаў

Біялагічна актыўныя рэчывы, выбарча якія ўплываюць як на рэакцыі асіміляцыі, так і на расшчапленне, праяўляюць свае каталітычныя ўласцівасці ў клетках пры пэўных умовах. Напрыклад, важна высветліць, у якім участку клеткі працякае хімічны працэс, у якім удзельнічаюць энзімы. Дзякуючы компартментации (падзелу цытаплазмы на ўчасткі) антаганістычных рэакцыі адбываюцца ў розных яе частках і арганоідаў.

Так, сінтэз бялкоў ажыццяўляецца ў Рыбасомы, а іх расшчапленне - у гиалоплазме. Клеткавая рэгуляцыя актыўнасці ферментаў, каталізуе супрацьлеглыя біяхімічныя рэакцыі, забяспечвае не толькі аптымальную хуткасць праходжання абмену рэчываў, але і перашкаджае фарміраванню энергетычна бескарысных метабалічных шляхоў.

Мультиферментный комплекс

Структурна-функцыянальная арганізацыя энзімаў ўтварае Ферментатыўнай апарат клеткі. Большасць хімічных рэакцый, якія праходзяць у ёй, ўзаемазвязаны. Калі ў многастадыйныя хімічным працэсе прадукт першай рэакцыі з'яўляецца рэагентаў для наступнай, у гэтым выпадку прасторавае размяшчэнне энзімаў ў клетцы выказана асабліва моцна.

Трэба памятаць, што ферменты з'яўляюцца па сваёй прыродзе простымі або складанымі вавёркамі. І іх адчувальнасць да клеткавага субстрату тлумачыцца перш за ўсё зменай уласнай прасторавай канфігурацыі троеснай або чацвярцічнай структуры пептыда. Энзімы рэагуюць і на змены не толькі ўнутры клеткавых параметраў, такіх як хімічны склад гиалоплазмы, канцэнтрацыю рэагентаў і прадуктаў рэакцыі, тэмпературу, але і на змены, якія адбываюцца ў суседніх клетках або ў міжклеткавай вадкасці.

Чаму клетка падзелена на компартменты

Разумнасць і лагічнасць прылады жывой прыроды проста дзіўная. Гэта ў поўнай меры адносіцца і да жыццёвых праяў, характэрным для клеткі. Для вучонага-хіміка цалкам зразумела, што рознанакіраваныя ферментатыўныя хімічныя рэакцыі, напрыклад сінтэз глюкозы і гліколіз, не могуць працякаць ў адной і той жа прабірцы. Як жа тады адбываюцца супрацьлеглыя рэакцыі ў гиалоплазме адной клеткі, якая з'яўляецца субстратам для іх правядзення? Аказваецца, клеткавае змесціва - цитозоль, - у якім ажыццяўляюцца антаганістычных хімічныя працэсы, прасторава падзелена і ўтварае ізаляваныя локуса - компартменты. Дзякуючы ім метабалічныя рэакцыі вышэйшых млекакормячых і чалавека рэгулююцца асабліва дакладна, а прадукты абмену ператвараюцца ў формы, свабодна пранікаюць праз перагародкі клеткавых участкаў. Далей яны аднаўляюць сваю першапачатковую структуру. Акрамя цитозоля, ферменты ўтрымліваюцца ў арганэл: Рыбасомы, мітахондрыях, ядры, Лізасомы.

Ролю энзімаў ў энергетычным абмене

Разгледзім акісляльнае декарбоксилирование пирувата. Рэгуляцыя каталітычнай актыўнасці ферментаў у ім добра вывучана энзимологией. Дадзены біяхімічны працэс працякае ў мітахондрыях - двумембранных арганэл эукарыятычнай клетак - і з'яўляецца прамежкавым працэсам паміж бескіслароднай расшчапленнем глюкозы і цыклам Кребса. Пируватдегидрогеназный комплекс - PDH - змяшчае тры фермента. У вышэйшых млекакормячых і чалавека зніжэнне яго адбываецца пры павышэнні канцэнтрацыі ацэтыл-Коа і NATH, гэта значыць у выпадку з'яўлення альтэрнатыўных магчымасцяў адукацыі малекул ацэтыл-Коа. Калі ж клетка мае патрэбу ў дадатковай порцыі энергіі і патрабуе новых малекул акцептора для ўзмацнення рэакцый цыклу трикарбоновых кіслот, то ферменты актывуюцца.

Што такое аллостерическое інгібіравання

Рэгуляцыя актыўнасці ферментаў можа ажыццяўляцца адмысловымі рэчывамі - каталітычнымі інгібітарамі. Яны могуць кавалентна звязвацца з пэўнымі локусов энзіма, абмінаючы яго актыўны цэнтр. Гэта прыводзіць да дэфармацыі прасторавай структуры каталізатара і аўтаматычна цягне за сабой зніжэнне яго ферментатыўных уласцівасцяў. Іншымі словамі, адбываецца аллостерическая рэгуляцыя актыўнасці ферментаў. Дадамо таксама, што такая форма каталітычнага ўздзеяння ўласцівая олигомерным энзімам, гэта значыць тым, чые малекулы складаюцца з двух і больш палімерных бялковых субадзінак. Разгледжаны ў папярэднім загалоўку PDH-комплекс як раз і складаецца з трох розных олигомерных фермента: пируват дэгідрагеназ, дегидролипоил дэгідрагеназ і гидролипоил трансацетилазу.

рэгулятарныя ферменты

Даследаванні ў энзимологии ўсталявалі той факт, што хуткасць хімічных рэакцый залежыць як ад канцэнтрацыі, так і ад актыўнасці каталізатара. Часцей за ўсё метабалічныя шляху ўтрымліваюць галоўныя ферменты, якія рэгулююць хуткасць рэакцый на ўсіх яго участках.

Яны называюцца рэгулятарнымі і звычайна ўздзейнічаюць на пачатковыя рэакцыі комплексу, а таксама могуць удзельнічаць у найбольш павольна якія праходзяць хімічных працэсах у незваротных рэакцыях, ці ж далучацца да рэагентаў ў кропках галінавання метабалічнага шляху.

Як ажыццяўляецца Пептыдная ўзаемадзеянне

Адным з спосабаў, з дапамогай якога адбываюцца рэгуляцыя актыўнасці ферментаў у клетцы, з'яўляецца бялок-бялковае ўзаемадзеянне. Пра што гаворка? Ажыццяўляецца далучэнне рэгуляторных бялкоў да малекулы энзімаў, з прычыны чаго адбываецца іх актывацыя. Напрыклад, фермент аденилатциклаза знаходзіцца на ўнутранай паверхні клеткавай мембраны і можа ўзаемадзейнічаць з такімі структурамі, як рэцэптар гармона, а таксама з пептыдаў, размешчаным паміж ім і ферментам. Так як у выніку злучэння гармона і рэцэптара прамежкавы бялок змяняе сваю прасторавую канфірмацыю, гэты спосаб узмацнення каталітычных уласцівасцяў аденилатциклазы ў біяхіміі носіць назву «актывацыі прычыны далучэння бялкоў-рэгулятараў».

Протомеры і іх ролю ў біяхіміі

Гэтая група рэчываў, інакш званая протеинкиназами, паскораць перанос аніёны PO ₄ ^3- на гидроксогруппы амінакіслот, якія ўваходзяць у Пептыдная макрамалекул. Рэгуляцыя актыўнасці ферментаў протомеров будзе разгледжана намі на прыкладзе протеинкиназы А. Яе малекула - тетрамер, складаецца з двух каталітычных і двух рэгуляторных пептыдных субадзінак і не функцыянуе як каталізатар да таго часу, пакуль да рэгуляторных участках протомера ня прымацуюць чатыры малекулы цамф. Гэта выклікае трансфармацыю прасторавай структуры бялкоў-рэгулятараў, што прыводзіць да вызвалення двух актываваных каталітычных бялковых часціц, гэта значыць адбываецца дысацыяцыя протомеров. Калі ж ад рэгуляторных субадзінак адлучаюцца малекулы цамф, то неактыўны комплекс протеинкиназы зноў аднаўляецца да тетрамера, так як адбываецца асацыяцыя каталітычных і рэгуляторных пептыдных часціц. Такім чынам, разгледжаныя вышэй шляху рэгуляцыі актыўнасці ферментаў забяспечваюць іх зварачальны характар.

Хімічная рэгуляцыя актыўнасці ферментаў

Біяхімія вывучыла і такія механізмы рэгуляцыі актыўнасці ферментаў, як фасфараляванне, дефосфорилирование. Механізм рэгуляцыі актыўнасці ферментаў у дадзеным выпадку мае наступны выгляд: амінакіслотны рэшткі энзіма, якія змяшчаюць групы ЁН ^-, змяняюць сваю хімічную мадыфікацыю з прычыны ўздзеяння на іх фосфопротеинфосфатаз. У гэтым выпадку карэкцыі паддаецца актыўны цэнтр фермента, прычым для адных энзімаў гэта з'яўляецца прычынай, актывуе іх, а для іншых - інгібіруе. У сваю чаргу каталітычныя ўласцівасці саміх фосфопротеинфосфатаз рэгулююцца гармонам. Напрыклад, жывёльны крухмал - глікаген - і тлушч у прамежках паміж прыёмамі ежы расшчапляюцца ў страўнікава-кішачным тракце, дакладней, у дванаццаціперснай кішцы пад уздзеяннем глюкагона - панкрэатычнага ферменты.

Гэты працэс узмацняецца дзякуючы фасфараляванне трафічных энзімаў ЖКТ. У перыяд актыўнага стрававання, калі ежа паступае са страўніка ў дванаццаціперсную кішку, сінтэз глюкагона узмацняецца. Інсулін - яшчэ адзін фермент падстраўнікавай залозы, выпрацоўваемы альфа-клеткамі астраўкоў Лангерганса, - ўзаемадзейнічае з рэцэптарам, уключаючы механізм фасфаралявання тых жа стрававальных энзімаў.

частковы протеолиз

Як бачым, узроўні рэгуляцыі актыўнасці ферментаў у клетцы разнастайныя. Для энзімаў, якія знаходзяцца па-за цитозоля або арганоідаў (у плазме крыві або ў страўнікава-кішачным гасцінцы), спосабам іх актывацыі служыць працэс гідролізу пептыдных сувязяў CO-NH. Ён неабходны, бо такія ферменты сінтэзуюцца ў неактыўнай форме. Ад малекулы энзіма отщепляется пептыдная частка, а ў пакінутай структуры мадыфікацыі падвяргаецца актыўны цэнтр. Гэта прыводзіць да таго, што фермент «ўваходзіць у працоўны стан», гэта значыць становіцца здольным уплываць на праходжанне хімічнага працэсу. Напрыклад, неактыўны фермент падстраўнікавай залозы трипсиноген ня расшчапляе вавёркі ежы, якія паступаюць у дванаццаціперсную кішку. У ёй пад дзеяннем энтеропептидазы адбываецца протеолиз. Пасля чаго энзім актывуецца і завецца зараз трыпсінаў. Частковы протеолиз - працэс зварачальны. Ён адбываецца ў такіх выпадках, як актывацыя энзімаў, якія расшчапляюць поліпептыды, у працэсах згортвання крыві.

Ролю канцэнтрацыі зыходных рэчываў у метабалізме клеткі

Рэгуляцыя актыўнасці фермента даступнасцю субстрата часткова разглядалася намі ў падзагалоўку «Мультиферментный комплекс». Хуткасць праходжання каталітычных рэакцый, якія праходзяць у некалькі стадый, моцна залежыць ад таго, колькі малекул зыходнага рэчывы знаходзіцца ў гиалоплазме або арганэл клеткі. Гэта звязана з тым, што хуткасць метабалічнага шляху прама прапарцыйная канцэнтрацыі зыходнага рэчывы. Чым больш малекул рэагента знаходзіцца ў цитозоле, тым вышэй хуткасць ўсіх наступных хімічных рэакцый.

Аллостерическая рэгуляцыя

Ферментам, актыўнасць якіх кантралюецца не толькі канцэнтрацыяй зыходных рэчываў-рэагентаў, але яшчэ і рэчывамі-эффекторам, ўласцівая так званая аллостерическая рэгуляцыя. Часцей за ўсё такія энзімы прадстаўлены прамежкавымі прадуктамі абмену рэчываў у клетцы. Дзякуючы эффекторам і ажыццяўляецца рэгуляцыя актыўнасці ферментаў. Біяхімія даказала, што такія злучэння, названыя аллостерическими энзімамі, вельмі важныя для метабалізму клеткі, так як валодаюць надзвычай высокай адчувальнасцю да зменаў яе гамеастазу. Калі энзім прыгнятае хімічную рэакцыю, то ёсць зніжае яе хуткасць - яго называюць адмоўным эффекторам (інгібітараў). У процілеглым выпадку, калі назіраецца павелічэнне хуткасці рэакцыі, гаворка ідзе пра актыватар - станоўчым эффекторам. У большасці выпадкаў зыходныя рэчывы, то ёсць рэагенты, якія ўступаюць у хімічныя ўзаемадзеяння, гуляюць ролю актыватараў. Канчатковыя ж, прадукты, якія ўтварыліся ў выніку многастадыйныя рэакцый, паводзяць сябе як інгібітары. Такі выгляд рэгуляцыі, пабудаванай на ўзаемасувязі канцэнтрацыі рэагентаў і прадуктаў, называецца гетеротрофные.