Регуляция метаболических процессов

метаболического пути, как правило, находятся в одном отделе клетки. Особенно

разделение метаболических путей важно для противоположно направленных катаболических и анаболических процессов. Например, синтез жирных кислот происходит в цитоплазме, а их распад в митохондриях.

продукт реакции ни при каких условиях не может быть вычленен

из метаболического пути и обязательно служит субстратом следующей реакции.
Такая организация метаболического пути носит название мультиферментного комплекса и возникает в результате структурно-функциональной организации ферментов. Обычно такие комплексы связаны с мембранами.
Пример - пируватдегидрогеназный комплекс, под действием которого происходит окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты

находятся во всех клетках организма. В процессе дифференцировки клеток происходит

изменение ферментного состава клеток.

Например, в клетках сердечной мышцы имеется повышенное количество ферментов креатинкиназы и аспартатаминотрансферазы, в клетках печени - аланинаминотрансферазы и аспартатаминотрансферазы.

обмена веществ

В ядре находятся ферменты, связанные с синтезом молекул ДНК

и РНК, в цитоплазме - ферменты гликолиза, в лизосомах - гидролитические ферменты, в матриксе митохондрий - ферменты ЦТК, во внутренней мембране митохондрий - ферменты цепи переноса электронов и т.д.
.

участии ферментов. Поэтому, чтобы воздействовать на скорость протекания метаболического пути,

достаточно регулировать количество или активность ферментов.

Обычно в метаболических путях есть ключевые ферменты, благодаря которым происходит регуляция скорости всего пути. Эти ферменты (один или несколько в метаболическом пути) называются регуляторными ферментами; они катализируют, как правило, начальные реакции метаболического пути, необратимые реакции, скорость-лимитирующие реакции (самые медленные) или реакции в месте переключения метаболического пути (точки ветвления).

количества молекул фермента;
2) доступностью молекул субстрата и кофермента;
3) изменением каталитической

активности молекулы фермента.

обновляются. Количество молекул фермента в клетке определяется соотношением 2 процессов

- синтеза и распада белковой молекулы фермента.
Синтез и фолдинг белка - многостадийный процесс. Регуляция синтеза белка может происходить на любой стадии формирования белковой молекулы. Наиболее изучен механизм регуляции синтеза белковой молекулы на уровне транскрипции.
Что касается распада ферментов, то регуляция этого процесса менее изучена. Можно только предполагать, что это не просто процесс протеолиза (разрушения белковой молекулы), а сложный механизм, возможно, определяемый на генетическом уровне.

параметр, контролирующий протекание метаболического пути, - наличие субстратов, и главным

образом - наличие первого субстрата. Чем больше концентрация исходного субстрата, тем выше скорость метаболического пути.
Другой параметр, лимитирующий протекание метаболического пути, - наличие регенерированных коферментов. Например, в реакциях дегидрирования коферментом дегидрогеназ служат окисленные формы NAD+, FAD, FMN, которые восстанавливаются в ходе реакции. Чтобы коферменты вновь участвовали в реакции, необходима их регенерация, т.е. превращение в окисленную форму.

регуляция;
- аллостерическая регуляция;
- регуляция с помощью белок-белковых взаимодействий;
- регуляция путём

фосфорилирования/дефосфорилирования молекулы фермента;
- регуляция частичным (ограниченным) протеолизом.

то он может связываться с субстратным активным центром фермента, подавляя

его каталитическую активность. Такие ингибиторы называют
квазисубстратами. Сродство субстрата к ферменту больше, чем сродство квазисубстрата, и в присутствии субстрата и квазисубстрата между ними наблюдается конкуренция за активный центр фермента.
Ингибирующее действие зависит от соотношения«субстрат– квазисубстрат».
Классическим примером изостерического ингибирования является действие малоната на активность сукцинатдегидрогеназы. Для50%-го угнетения СДГ соотношение сукцинат/малонат должно составлять1:50

заключительные этапы цикла Кребса по типу обратной связи

количеством молекул субстрата, но и другими веществами, называемыми эффекторами.
Участвующие

в аллостерической регуляции эффекторы - клеточные метаболиты (например, продукты реакции) часто именно того пути, регуляцию которого они осуществляют.

Аллостерический центр представляет собой участок молекулы фермента, в результате присоединения к которому определенного низкомолекулярного (а иногда - и высокомолекулярного) вещества изменяется третичная структура белковой молекулы. Вследствие этого изменяется конфигурация активного центра, сопровождающаяся либо увеличением, либо понижением каталитической активности фермента.

роль в метаболизме, так как они чрезвычайно быстро реагируют на

малейшие изменения внутреннего состояния клетки.

Аллостерическая регуляция имеет большое значение в следующих ситуациях:
- при анаболических процессах. Ингибирование конечным продуктом метаболического пути и активация начальными метаболитами позволяют осуществлять регуляцию синтеза этих соединений;

происходит ингибирование метаболических путей, обеспечивающих синтез энергии.

- для координации анаболических

и катаболических путей. АТФ и АДФ - аллостерические эффекторы, действующие как антагонисты;

- для координации параллельно протекающих и взаимосвязанных метаболических путей (например, синтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, используемых для синтеза нуклеиновых кислот).

эффектором, или ингибитором.
Эффектор, вызывавший повышение (активацию) активности ферментов, называют

положительным эффектором, или активатором.

Аллостерическими эффекторами часто служат различные метаболиты.
Конечные продукты метаболического пути - часто ингибиторы аллостерических ферментов, а исходные вещества - активаторы.
Это так называемая гетеротропная регуляция.
Такой вид аллостерической регуляции очень распространён в биологических системах.

в качестве положительного эффектора. Такая регуляция называется гомотропной (эффектор и

субстрат - одно и то же вещество).

Эти ферменты имеют несколько центров связывания для субстрата, которые могут выполнять двойную функцию: каталитическую и регуляторную.
Аллостерические ферменты такого типа используются в ситуации, когда субстрат накапливается в избытке и должен быстро преобразоваться в продукт.

Эти ферменты не подчиняются законам Михаэлиса-Ментен, они имеют характерную S-образную

кривую зависимости скорости реакции от концентрации субстрата.

премия по
физиологии и медицине
1922 г.
График зависимости скорости реакции от

концентрации субстрата в виде S-образной
кривой на примере АКТ-азы: без эффектора, с АТР, с СTP. Субстрат – аспартат.

Впервые S-образные функции для насыщения были
получены в 1909 году (А. Хилл)

СTP – конечного
продукта цепи. По мере накопления СTP и

его связывания с ферментом
сродство к субстратам снижается и фермент включается в работу только
при гораздо больших концентрациях субстрата. АТР конкурирует с СTP
и может устранять его ингибирующее действие. Регуляция является
обратимой и при изменении в клетке концентрации АТР или СTP скорость
работы фермента изменяется.
Таким образом АКТ-аза обеспечивает постоянное присутствие
в клетке нужных количеств СТР.

Регуляторные субъединицы

СTP
Аллостерический
ингибитор

АТР
Аллостерический
активатор

аллостерическим центром вызывает последовательное кооперативное изменение конформации всех субъединиц, приводящее

к изменению конформации активного центра и к изменению сродства фермента к субстрату, что снижает или увеличивает каталитическую активность фермента.

ферментом


Y – степень насыщения, [L] – равновесная концентрация
лиганда и

[L]0,5 – равновесная концентрация лиганда, при
которой Y=0,5 от максимального насыщения.

Vmax – максимальная скорость при S0→∞, [S]0,5 – концентрация
субстрата при половине максимальной скорости, которая
входит в уравнение вместо константы Михаэлиса KМ.

lg[S]0,5

нет, то есть сродство фермента к субстрату не зависит от

уже присоединенных молекул субстрата, h=1.
Положительная кооперативность (h>1) характеризуется тем, что присоединение одной молекулы субстрата к активному центру фермента увеличивает сродство к субстрату остальных активных центров.
S-образные кривые зависимости скорости реакции от концентрации субстрата характерны для положительной кооперативности. Связывание кислорода с гемоглобином, имеющим 4 центра связи, характеризуется параметром Хилла h=2,9.
Отрицательная кооперативность (h<1) характеризуется тем, что присоединение одной молекулы лиганда к активному центру фермента уменьшает сродство к лиганду остальных активных центров.

состоящие из нескольких протомеров (субъединиц);
- они имеют аллостерический центр, пространственно

удалённый от каталитического активного центра;
- эффекторы присоединяются к ферменту нековалентно в аллостерических (регуляторных) центрах;
- аллостерические центры, так же, как и каталитические, могут проявлять различную специфичность по отношению к лигандам: она может быть абсолютной и групповой. Некоторые ферменты имеют несколько аллостерических центров, одни из которых специфичны к активаторам, другие - к ингибиторам.

аллостерическим центром вызывает последовательное кооперативное изменение конформации всех субъединиц, приводящее

к изменению конформации активного центра и изменению сродства фермента к субстрату, что снижает или увеличивает каталитическую активность фермента;
- регуляция аллостерических ферментов обратима: отсоединение эффектора от регуляторной субъединицы восстанавливает исходную каталитическую активность фермента;
- аллостерические ферменты катализируют ключевые реакции данного метаболического пути.

от концентрации веществ, использующихся и образующихся в данной цепи реакций.

Такая регуляция представляется логичной, так как при накоплении конечного продукта он (конечный продукт) может действовать как аллостерический ингибитор фермента, катализирующего чаще всего начальный этап данного метаболического пути

центр для отрицательного эффектора, которым служит конечный продукт метаболического пути

F. Если концентрация F увеличивается (т.е. вещество F синтезируется быстрее, чем расходуется), ингибируется активность одного из начальных ферментов.
Такую регуляцию называют отрицательной обратной связью, или ретроингибированием. Отрицательная обратная связь - часто встречающийся механизм регуляции метаболизма в клетке.

ферментов метаболического пути. Как правило, при этом аллостерической активации подвергаются

ферменты, катализирующие ключевые реакции заключительных этапов метаболического пути:

(начального) пути распада глюкозы.

Один из конечных продуктов распада глюкозы

- молекула АТФ. При избытке в клетке АТФ происходит ретро-ингибирование аллостерических ферментов фосфофруктокиназы и пируваткиназы.

При образовании большого количества фруктозо-1,6-бисфосфата наблюдают аллостерическую активацию фермента пируваткиназы.

каталитическую активность в результате белок-белковых взаимодействий.

2 механизма активации ферментов

с помощью белок-белковых взаимодействий:
- активация ферментов в результате присоединения регуляторных белков;
- изменение каталитической активности ферментов вследствие ассоциации или диссоциации протомеров фермента.

локализованная в плазматической мембране клетки.

Активный центр аденилатциклазы локализован на цитоплазматической

стороне плазматической мембраны. Активированная аденилатциклаза катализирует реакцию образования из АТФ циклического 3',5'-АМФ (цАМФ) - вторичного, внутриклеточного посредника действия гормонов.

гормона, выступающего во внеклеточную среду и взаимодействующего с гормонами;
2) с

G-белком, занимающим промежуточное положение между рецептором и ферментом аденилатциклазой. G-белок - олигомерный белок, состоящий из 3 субъединиц - α, β, γ. α-Субъединица имеет центр связывания и расщепления ГТФ. Поэтому этот белок называется ГТФ-связывающим белком, или G-белком;
3) в результате связывания гормона с рецептором происходит изменение конформации G-белка, уменьшение его сродства к молекуле ГДФ, с которой он связан в отсутствие гормонального сигнала, и увеличение сродства к ГТФ. Присоединение ГТФ вызывает конформационные изменения в G-белке и диссоциацию его на субъединицы: субъединицу α, связанную с ГТФ (α-ГТФ), димер βγ;
4) α-ГТФ имеет высокое сродство к аденилатциклазе, его присоединение приводит к активации последней, поэтому α-ГТФ - регуляторный белок, а данный механизм активации аденилатциклазы называют активацией ферментов в результате присоединения регуляторных белков.

катализирующих перенос остатка фосфорной кислоты с АТФ на специфические ОН-группы

аминокислотных остатков белков (вызывают фосфорилирование белков). Механизмы активации различных протеинкиназ неодинаковы. В качестве примера регуляции каталитической активности ферментов ассоциацией или диссоциацией протомеров можно привести регуляцию активности фермента Протеинкиназы А.

регуляторных (R) и 2 каталитических (С).
Такой тетрамер не обладает

каталитической активностью. Регуляторные субъединицы имеют участки связывания для циклического 3',5'-АМФ (цАМФ), по 2 на каждую субъединицу.

Присоединение 4 молекул цАМФ к 2 регуляторным субъединицам приводит к изменению конформации регуляторных протомеров и к диссоциации тетрамерного комплекса, при этом высвобождаются 2 активные каталитические субъединицы.
Такой механизм регуляции обратим. Отщепление молекул цАМФ от регуляторных субъединиц приведёт к ассоциации регуляторных и каталитических субъединиц Протеинкиназы А с образованием неактивного комплекса.

механизм регуляции активности ферментов с помощью ковалентной модификации аминокислотных остатков.

Быстрый и широко распространённый способ химической модификации ферментов - фосфорилирование/дефосфорилирование.
Модификации подвергаются ОН-группы фермента.
Фосфорилирование осуществляется ферментами протеинкиназами, а дефосфорилирование - фосфопротеинфосфатазами.
Присоединение остатка фосфорной кислоты приводит к изменению конформации активного центра и его каталитической активности. При этом результат может быть двояким: одни ферменты при фосфорилировании активируются, другие, напротив, становятся менее активными.

клеток (в ЖКТ или в плазме крови), синтезируются в виде

неактивных предшественников и активируются только в результате гидролиза одной или нескольких определённых пептидных связей, что приводит к отщеплению части белковой молекулы предшественника.
В результате в оставшейся части белковой молекулы происходит конформационная перестройка и формируется активный центр фермента.

Такие ферменты функционируют, как правило, в течение короткого времени, определяемого

временем жизни белковой молекулы.

Частичный протеолиз лежит в основе активации протеолитических ферментов, белков свёртывающей системы крови и фибринолиза.

Трипсиноген, синтезируемый в поджелудочной железе, при пищеварении по протокам поджелудочной

железы поступает в двенадцатиперстную кишку, где и активируется путём частичного протеолиза под действием фермента кишечника энтеропептидазы. В результате отщепления гексапептида с N-конца формируется активный центр в оставшейся части молекулы.