Регуляция активности ферментов

Скорость метаболического пути регулируется через ключевые (регуляторные) ферменты. Три независимых уровня регуляции:

• изменение количества молекул фермента (соотношение синтеза и распада; синтез регулируется на уровне транскрипции метаболитами, гормонами, БАВ);
• доступность молекул субстрата и кофермента (чем больше концентрация исходного субстрата, тем выше скорость; доступность коферментов зависит от скорости их регенерации);
• изменение каталитической активности молекулы фермента.

Способы регуляции каталитической активности:

1. аллостерическая регуляция;
2. регуляция с помощью белок-белковых взаимодействий;
3. фосфорилирование-дефосфорилирование;
4. частичный (ограниченный) протеолиз.

Аллостерические ферменты — активность регулируется веществами-эффекторами (активаторами и ингибиторами) — клеточными метаболитами того же пути. Особенности строения:

• олигомерные белки из нескольких протомеров;
• аллостерический центр пространственно удалён от активного;
• эффекторы присоединяются нековалентно;
• регуляторный протомер несёт аллостерический центр, каталитический — активный.

Кооперативность: присоединение эффектора меняет конформацию всех субъединиц → конформацию активного центра → сродство к субстрату. Регуляция обратима. Аллостерические ферменты катализируют начальные, необратимые, скорость-лимитирующие реакции и реакции в местах разветвления путей.

Отрицательная обратная связь: конечный продукт пути — аллостерический ингибитор его начального фермента. Пример: АТФ ингибирует фосфофруктокиназу и пируваткиназу; фруктозо-1,6-бисфосфат активирует пируваткиназу (прямая положительная связь).

Белок-белковые взаимодействия:

• присоединение белков-активаторов: аденилатциклаза активируется α-субъединицей G-белка;
• ассоциация/диссоциация протомеров: протеинкиназа А (2R + 2C, неактивна); 4 молекулы цАМФ присоединяются к R-субъединицам → тетрамер диссоциирует → активные C-субъединицы фосфорилируют белки.

Фосфорилирование-дефосфорилирование — быстрая обратимая ковалентная модификация: протеинкиназы фосфорилируют ОН-группы серина, треонина, тирозина (донор — АТФ), фосфопротеинфосфатазы дефосфорилируют. Одни ферменты при фосфорилировании активируются, другие инактивируются. Управляется гормонами:

• адреналин, глюкагон → фосфорилирование: гликогенфосфорилаза активна, гликогенсинтаза неактивна (распад гликогена);
• инсулин → дефосфорилирование: синтез гликогена активируется.

Частичный протеолиз — необратимая активация внеклеточных ферментов: профермент синтезируется неактивным, отщепление пептида формирует активный центр. Пепсиноген → пепсин; трипсиноген + энтеропептидаза → трипсин (отщепляется гексапептид с N-конца); так же активируются химотрипсин, эластаза, инсулин, белки свёртывания крови.

Регуляция количества фермента: индукция (индуктор запускает синтез; лактоза — индуктор β-галактозидазы у E. coli) и репрессия (корепрессор останавливает). Ферменты: конститутивные (концентрация постоянна: гликолиз) и индуцируемые (базовый уровень может быть превышен в 2–1000 раз). Оперон — участок ДНК с группой функционально взаимосвязанных структурных генов и регуляторной зоной (промотор с оператором); индукция и репрессия оперона координированные.