Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Структура и функции клеточных компонентов
Белки. Особенности организации и функции ферментов
Регуляция активности ферментов

Регуляция ферментативной активности — не менее важный для успешно­го функционирования Клетки процесс, чем Регуляция экспрессии генов на уровне транскрипции. Существование этих механизмов позволяет клеткам и всему организму четко координировать осуществление многочисленных раз­ветвленных метаболических реакций, обеспечивая наиболее высокий и эко­номный уровень обмена веществ, а также быструю приспособляемость к ме­няющимся условиям окружающей среды. При этом регуляция синтеза фер­ментов является более медленным механизмом, действующим в течение мно­гих минут или даже часов, в то время как изменение ферментативной актив­ности происходит мгновенно и действует в течение нескольких минут или секунд. Регуляцию активности ферментов можно назвать «тонкой настрой­кой» клеточного метаболизма.

Регуляция ферментативной активности может осуществляться несколь­кими путями, среди которых наиболее распространены Аллостерическая регуляция и ковалентная модификация.

Аллостерической регуляции подвержены не все ФЕРМЕНТЫ, а лишь те, ко­торые имеют в составе молекулы аллостерический (от греч. аллос - другой и стереос - тело, пространство) центр — участок, отличающийся от активного центра, характеризующийся высоким сродством к регуляторным молекулам. Подобные ферменты называют аллостерическими. Их активность регулиру­ется при участии низкомолекулярных веществ (эффекторов), общим свойст­вом которых является способность к взаимодействию с аллостерическим цен­тром, что приводит к искажению Конформации белковой молекулы. Это ис­кажение передается активному центру, в результате чего меняются актив­ность фермента и скорость соответствующей реакции.

Эффекторы могут выполнять роль как ингибиторов активности фермен­тов, так и их активаторов. Примером ингибирования ферментативной ак­тивности может служить снижение активности первого фермента пути био­синтеза триптофана у E. coli — антранилатсинтетазы при избытке в клетке триптофана. В данном случае Триптофан, как конечный продукт названного биосинтетического пути, служит игибитором активности ключевого фермен­та, что координирует скорость синтеза этой Аминокислоты и позволяет клетке экономить свои ресурсы. Ведь при избытке триптофана, например, когда он присутствует в ростовой среде, клетке незачем расходовать строительные блоки и энергию на его синтез, она может воспользоваться экзогенной ами­нокислотой. Действительно, экспериментально доказано, что в процессе роста Бактерии преимущественно используют добавленные к ростовой среде ами­нокислоты, Пурины и Пиримидины и что эти соединения оказывают ингиби­рующее действие на свой собственный синтез из молекул-предшественников. Поскольку в приведенном случае триптофан является конечным продуктом биосинтетического пути, скорость которого снижается при ингибировании ключе­вого фермента, такой тип регуляции носит название «ретроингибирование».

Увеличение активности аллостерического фермента при связывании с эффектором (активатором) можно рассмотреть на примере аспартаттранскарбамоилазы (АТКазы), которая катализирует первую реакцию биосинтеза пиримидинов. Этот фермент активируется аденозинтрифосфатом (АТР) — пуриновым нуклеотидом. Следует отметить, что одновременно АТКаза ин­гибируется одним из конечных продуктов названного биосинтетического пу­ти — цитидинтрифосфатом (СТР), причем активатор и ингибитор связыва­ются с одним и тем же аллостерическим центром. Таким образом, с помощью регуляции активности одного фермента обеспечивается координация синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов.

Мутационное повреждение аллостерического центра может обусловить утрату способности фермента связывать молекулы эффекторов и изменять в ответ на это свою активность. Данное явление используется в селекции мик­роорганизмов для получения мутантов с десенсибилизированными фермен­тами. Такие микроорганизмы часто являются продуцентами биологически активных веществ, и для их отбора используют аналоги метаболитов. Напри­мер, 5-метилтриптофан так же, как триптофан, способен ингибировать актив­ность антранилатсинтетазы, но не заменяет триптофан в составе белка. По­этому бактерии E.coli не способны формировать колонии на синтетической среде с этим веществом. Однако известны мутанты E.coli, растущие на среде с 5-метилтриптофаном. Эти бактерии содержат в клетках нечувствительную к ретроингибированию (десенсибилизированную) антранилатсинтетазу и син­тезируют триптофан в избыточных количествах, выделяя его во внешнюю среду.

Еще одним распространенным путем регуляции активности ферментов служит ковалентная модификация — присоединение или отщепление от фер­мента небольшой химической группы. С помощью таких модификаций обыч­но либо полностью неактивная форма фермента становится активной, либо, наоборот, полностью активный фермент инактивируется. К явлению кова­лентной модификации относятся: Ограниченный протеолиз (укорочение поли­пептидных цепей), фосфорилирование — дефосфорилирование, аденилирование — деаденилирование, Ацетилирование — деацетилирование и др. На­пример, гликогенсинтетаза клеток млекопитающих, катализирующая пре­вращение глюкозы в Гликоген, инактивируется после ковалентного присоеди­нения фосфатной группы к боковой цепи одного из сериновых остатков и снова активируется при отщеплении фосфата. Другие Примеры ковалентной модификации ферментов описаны в главе 3.

Особый случай регуляции активности ферментов представляют собой Белок-белковые взаимодействия, в которых роль ингибиторов ферментов вы­полняют особые Белки. При таких взаимодействиях блокируется Активный центр фермента. Особое значение ингибирование с помощью белков имеет для регуляции активности протеиназ, участвующих в посттрансляционной модификации белков. Это способствует изменению скорости созревания мно­гих важных для клетки белков, а следовательно, и интенсивности процессов, в которых последние принимают участие.