КОМПАРТМЕНТАЛИЗАЦИЯ

Начнём с основ. Вспоминаем гистологию (мы под надзором Глины, смирись…)

Клетка – это не просто цитоплазма с разбросанными по ней органоидами, внутри неё – сложная, упорядоченная система. У клетки есть определенные участки, ограниченные мембраной. – компартменты. Они относительно изолированы от других компартментов, т.е. в клетке могут протекать абсолютно противоположные процессы! В одном участке происходит синтез белка, в соседнем – его распад, в ещё одном - лизис чужеродных частиц, ты понял суть, да. Если бы клетка не была поделена на компартменты, то все биохимические процессы внутри неё протекали бы либо крайне медленно, либо вообще не протекали, ибо эта была бы просто каша из ферментов и

На еду моим общажным тараканам: 5469

субстратов с кучей смешанных между собой

интермедиатов (промежуточных

продуктов различных реакций). Это был бы настоящий биохимический хаос!

На еду моим общажным тараканам: 5469

Как органоиды группируются в компартменты, так и ферменты со своими субстратами сосредотачиваются в одном определенном месте (в данном случае – органелле). Есть специализированный комплекс ферментов, выполняющий специализированные функции, присущих определенным органоидам: только митохондриям (дыхательная цепь на внутренней мембране), только ЭПР, лизосомам, пероксисомам, рибосомам (рибозимы рРНК).

Вот такая чёткая группировка ферментов по функциям способствует высокой концентрации интермедиатов

внутри органеллы (продукты не рассеиваются) и более эффективному синтезу.

Каждый фермент знает своё место, и на чужую территорию не лезет.

А теперь переходим непосредственно к делу! Разбираем механизмы регуляции активности ферментов.

И первый из них, как ни странно……..

На еду моим общажным тараканам: 5469

ИЗМЕНЕНИЕКОЛИЧЕСТВАФЕРМЕНТА

Фермент не берётся из воздуха. Он тоже синтезируется (он же белок, там процессы транскрипции, трансляции, фолдинга, помнишь?), и синтезом этого фермента можно

управлять. То есть можно синтезировать либо больше, либо меньше фермента. Логично?)

Обычно этим занимаются гормоны, они могут как снижать, как и повышать синтез фермента.

Кто внимательно читал прошлый файл, тот помнит, что при длительном голодании из-за понижения pH в клетках запускаются процессы глюконеогенеза – синтеза глюкозы в клетках печени. Глюконеогенез запускается тогда, когда все запасы сахара в организме истощены, а это, несомненно, огромный стресс для нас, кушац всё таки хочеца, а глюкозы нет. Ферменты, специфичные для глюконеогенеза синтезируются под действием кортизола –

гормона стресса (ну когда кушац хочешь тут не до веселья, знаешь).

Во время голодания так же изменяется секреция кишечных гормонов, а это как следствие приводит к исчезновению пищеварительных ферментов (пепсина, трипсина, амилазы и т.д). Как только человек начинает кушац – гормональный фон нормализуется, и ферменты снова могут спокойно синтезироваться.

Как кортизол стимулирует синтез ферментов глюконеогенеза, так и под воздействием

На еду моим общажным тараканам: 5469

лактотропного гормона в молочной железе при беременности идёт синтез лактозосинтазы

(проверь себя и вспомни, что это за класс ферментов).

На еду моим общажным тараканам: 5469

ИЗМЕНЕНИЕДОСТУПНОСТИФЕРМЕНТАИКОФЕРМЕНТА

Это второй механизм регуляции активности ферментов. Здесь работает закон действия масс

– при постоянной температуре скорость химической реакции пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ. Или упрощенно – скорость, с которой вещества реагируют друг с другом, зависит от их концентрации. Таким образом, изменение количества хотя бы одного из субстратов прекращает или начинает реакцию. Причём концентрация некоторых ферментов играет ключевую, «пусковую», роль.

Итак, пример: великий могучий ЦТК – цикл трикарбоновых кислот. Веществом, которое как бы «подталкивает» реакции цикла является оксалоацетат. Он прямо кричит «Алло, папаш, я тут, запускай ЦТК! Я хочу поскорее превратиться в цитрат!». В итоге приходит фермент – цитратсинтаза и в данную реакцию вовлекаются молекулы ацетил-SКоА, который, являясь коферментом, отдаёт свою ацетильную группу оксалоацетату, а тот превращается в лимонную кислотуцитрат.

Именно из-за недостатка оксалоацетата (относительного или

абсолютного) при голодании и инсулинзависимом сахарном диабете

развивается опасное для жизни состояние – кетоацидоз, т.к.

метаболизм ЦТК нарушен и происходит накопление ацетил-SКоА в

организме, которые могут трансформироваться в

кетоновые тела. Получаем мы что? Если нет оксалоацетата, то кофермент, соответственно,

На еду моим общажным тараканам: 5469

не сможет вовлекаться в процессы метаболизма, у него просто не будет к нему нормального

доступа.

На еду моим общажным тараканам: 5469

РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ ПРОТЕОЛИЗОМ.

ПРОФЕРМЕНТЫЖКТ.СХЕМЫАКТИВАЦИИПЕПСИНАИ

ТРИПСИНА

А теперь давай рассмотрим самый обширный и интересный третий механизм. Тут мы уже будем играть с изменением каталитической активности молекулы самого фермента.

Некоторые ферменты синтезируются сначала в неактивном виде (например, внеклеточные ферменты – в ЖКТ и плазме крови). Помним, что ферменты преимущественно состоят из аминокислот, связанных пептидными связями, да? Так вот, чтобы активировать наш неактивный фермент, необходимо гидролизовать одну или несколько пептидных связей в этом ферменте, то есть отщепить кусочек от неактивного фермента.

Допустим:

целое яблоко – это неактивный фермент, яблоко, которое укусили – активный

То, что осталось от фермента – наше образное откусанное яблоко - претерпевает конформационные изменения и ВАОЛЯ, запускается активный центр, фермент готов к труду и обороне!

На еду моим общажным тараканам: 5469

Это называется частичным или ограниченным протеолизом (частичный, потому что

гидролизовались лишь несколько пептидных групп в ферменте) и он необратим.

На еду моим общажным тараканам: 5469

Давай посмотрим на этот процесс на примере ферментов ЖКТ:

Видим сначала неактивный пепсиноген – профермент пепсина. Здесь интересный случай – гидролиз пептида активируется соляной кислотой желудочного сока и самим пепсином – происходит аутокатализ, т.е. молекулы синтезированного пепсина активируют и другие молекулы пепсиногена. Видишь, под стрелочкой подошла вода

(гидролиз), а ушёл оторванный пептид. Так происходит активация

пепсина из более крупного неактивного предшественника –

На этой схеме представлен трипсиноген- профермент трипсина, выделяемый в поджелудочной железе. Правила игры такие же – под действием фермента эпителия кишечника энтеропептидазы (тоже гидролаза) от трипсиногена отщепляется пептид и образуется активная, более мелкая (потому что ушло несколько аминокислот из-

На еду моим общажным тараканам: 5469

за гидролиза) форма – трипсин. Он, кстати, тоже может

осуществлять аутокатализ, а так же активировать остальные

протеолитические ферменты панкреатического сока.

На еду моим общажным тараканам: 5469

Зачем нам вообще нужен протеолиз: т.к. эти ферменты находятся ВНЕ клетки, то есть либо в соках ЖКТ или в плазме крови, то это позволяет сохранить клетки от повреждения или

сохранить белок до наступления определённого момента (протромбин, фибриноген, белки комплемента – на случай кровотечения или реализации иммунного ответа).

РЕГУЛЯЦИЯАКТИВНОСТИПУТЁМКОВЕЛЕНТНОЙ

МОДИФИКАЦИИ. ГЛИКОГЕНСИТАЗА И

ГЛИКОГЕНФОСФОРИЛАЗА. МЕХАНИЗМ РЕГУЛЯЦИИ

Ковалентная модификация – это ещё один способ регуляции активности фермента путём изменения его каталитической активности (третьего механизма).

Ковалентная модификация - обратимое присоединение или отщепление определённой группы (чаще всего это фосфорная кислота), благодаря чему изменяется активность фермента. Помимо фосфорной кислоты это могут быть метильные и ацетильные группы, но это встречается реже.

А теперь давай рассмотрим схему регуляции активности фермента путём ковалентной модификации.

На еду моим общажным тараканам: 5469

Дисклеймер: кружочек и квадратик на схеме – это всё ферменты. Их деятельность мы пытаемся сейчас регулировать. Чтобы к ним присоединилась или отщепилась фосфатная группа, тоже нужен фермент. То есть ферменты катализируют превращение ферментов, это просто надо понять, чтобы дальше не запутаться. Понял, в чём прикол? Ферменты тоже нуждаются в ферментах. Это ебаный мать его биохимический конвейер.

Ниже я буду называть исходный фермент и продукт-фермент кружочком и квадратиком, а те ферменты, что над стрелочкой, просто ферментами, чтобы не запутаться в этих энзимах совсем.

Глядим в оба.

Реакция ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ . На

кружочек (это фермент, действие которого мы пытаемся регулировать, понял?), исходя из определения ковалентной модификации, переносится фосфат, значит реакцию присоединения к ферменту фосфата

катализирует класс трансфераз, так ведь? Называются эти ферменты протеинкиназы

(протеин – белок, киназа – это всегда трансфераза). Донор фосфатной группы – АТФ. Благодаря

На еду моим общажным тараканам: 5469

протеинкиназе к квадратику присоединился фосфат.

На еду моим общажным тараканам: 5469

Реакция ДЕФОСФОРИЛИРОВАНИЯ. Мы видим, что процесс обратимый. Только обратная реакция катализируется уже другим классом ферментов - происходит отщепление фосфатной группы гидролитическим путём, а это какой класс? Правильно. Гидролазы.

В данном случае фермент будет называться протеинфосфатаза – потому что произошёл гидролиз фосфатной группы, присоединённой к белку. Всё это рабочие названия, учти.

Гликогенфосфорилаза и гликогенсинтаза являются ключевыми ферментами метаболических путей обмена гликогена, активность которых может регулироваться

фосфорилированием и дефосфорилированием, т.е. КОВАЛЕНТНЫМИ МОДИФИКАЦИЯМИ.

На еду моим общажным тараканам: 5469

дефосфоренированная помощи протеин-фосфатазы, т.е. это реакция

дефосфорилирования – отщепления

фосфатной группы (путь от квадратика к кружочку)

На еду моим общажным тараканам: 5469

РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВАЛЛОСТЕРИЧЕСКИМИ

МЕХАНИЗМАМИ

Скорость нашего метаболизма зависит от концентрации веществ, использующихся и образующихся в данной реакции. Мы можем регулировать активность ферментов при помощи

аллостерических факторов. Давай вспомним, что это такое с прошлой методы.

Аллостерический центр (не у всех ферментов!) - это часть фермента, являющаяся полимерным белком. Он отделён от его активного центра (якорный и каталитический участки) и обеспечивает

регуляцию активности фермента. С аллостерическим центром связывается молекула – ингибитор или активатор,

называемые эффекторами. Они (эффекторы) присоединяются к аллостерическому центру нековалентно и влияют на конфигурацию самого фермента, а как следствие – на сродство активного центра к субстрату и регулирует его деятельность.

Главное тут слово для нас – регуляция. Разбираемся.

На еду моим общажным тараканам: 5469

Аллостерические центры вообще очень важны, так как они быстро реагируют на малейшее изменение внутреннего состояния клетки, участвуют как в анаболических процессах (синтез), так и в катаболических (распад), регулируют координацию анаболических и катаболических путей и так же параллельно протекающих реакций (например, синтез пуриновых и пиримидиновых оснований, используемых для синтеза ДНК и РНК).

Аллостерические эффекторы могут быть:

1)Ингибиторами(отрицательные эффекторы) – вызывают снижение активности фермента.

2)Активаторами (положительный эффектор) – вызывают повышение активности фермента.

Смотри, есть определенный фермент, который должен связаться с субстратом, да? Деятельность этого фермента регулируется аллостерическим центром, к которому присоединяется эффектор. Если этот эффектор является активатором, то активность фермента повышается, если ингибитор – снижается, либо вообще реакция взаимодействия фермента и субстрата останавливается.

То есть этот аллостерический центр в зависимости от того, что к нему присоединилось – активатор или ингибитор – говорит ферменту либо РАБОТАЙ, либо ОСТАНОВИТЭС

(абьюзер).

На еду моим общажным тараканам: 5469

Он руководит ферментом, регулирует его активность!

А это как раз то, о чём мы сегодня говорим.

На еду моим общажным тараканам: 5469

А сейчас очень внимательно. Мы рассмотрим несколько сценариев взаимодействия аллостерических центров с эффекторами. Схемы очень логичные, тебе просто надо вникнуть.

Рассмотрим данную цепочку реакций (A,B,C… - субстраты, E – ферменты, катализирующие их превращения)

Есть фермент E1, который регулирует превращение стартового вещества A в B. Этот фермент E1 имеет свой аллостерический центр, который может присоединить

ингибитор. Ингибитором для фермента E1 будет служить последний продукт данного пути – F.

Если концентрация конечного продукта F повышена (в случае, когда его синтез происходит быстрее, чем он успевает расходоваться и возникает его избыток), он, являясь ингибитором, соединяется с аллостерическим центром фермента E1, катализирующего самую первую(!)

реакцию в этой цепочке, а значит, все остальные превращения в ней либо останавливаются, либо сильно замедляются.

ТО ЕСТЬ:

На еду моим общажным тараканам: 5469

Если эта цепочка работает слишком активно и образуется много продукта F, его избыток блокирует

активность начального фермента, подавляя синтез самого себя (конечного продукта реакции).

Такая регуляция называется отрицательной обратной связью или реингибированием

На еду моим общажным тараканам: 5469

Сценарий номер 2.

Исходные вещества могут быть

активаторами ключевых ферментов метаболического пути (метаболический путь это наша с тобой цепочка). При аллостерической активации, как правило,

ключевыми ферментами являются те, которые

катализируют заключительные этапы цепочки (превращение E в F). То есть фермент, имеющий аллостерический центр, это E5. Без этого фермента завершение метаболического процесса невозможно, поэтому к его аллостерическому центру присоединяется начальный продукт A, являющимся эффектором – активатором, и фермент E5 может спокойно катализировать превращение E в F. Ферштейн?

Такая регуляция активности фермента называется положительной прямой связью.

На еду моим общажным тараканам: 5469

В качестве примера, уже полюбившийся нам гликолиз (см.ниже)

На еду моим общажным тараканам: 5469

! Не пугайся этой схемы, читай и параллельно смотри на неё, следи за стрелочками и ты всё поймёшь, правда.

Одним из конечных продуктов данной цепочки является молекула АТФ. Если его образуется слишком много, он присоединяется к аллостерическим центрам таких ферментов, как пируваткиназа и фосфофруктокиназа

и действует как ингибитор по принципу обратной отрицательной связи (-) на эти два фермента. Синтез конечного АТФ снижается за счёт того, что промежуточные превращения данного метаболического пути замедленны, ингибированы.

А вот фруктозо-1,6-фосфат наоборот является

активатором для пируваткиназы. Соединяясь с его аллостерическим центром, фруктозо-1,6-фосфат регулирует (активирует) превращение фосфоенолпирувата в пируват – ты можешь увидеть это не схеме, проследив за стрелкой. Он как бы говорит пируваткиназе: «Вот, я здесь,

На еду моим общажным тараканам: 5469

можешь работать». Это уже пример положительной

прямой связи.

На еду моим общажным тараканам: 5469

!!! Благодаря такой регуляции процесс метаболического распада глюкозы осуществляется

слаженно и его ход можно регулировать, блокируя или активируя некоторые ферменты (в

данном случае фосфофруктокиназу и пируваткиназу).

На еду моим общажным тараканам: 5469

РЕГУЛЯЦИЯБЕЛОК-БЕЛКОВЫМИВЗАИМОДЕЙСТВИЯМИ.

Регуляция активности некоторых ферментов осуществляется при помощи белок-

белковых взаимодействий. Существует 2 механизма:

1)Активация ферментов при помощи регуляторных специфичных белков

2)Изменение каталитической активности ферментов вследствие ассоциации или диссоциации

Давай начнём с белков, с первого механизма. Рассмотрим очередную схему.

Видим клеточную мембрану. На ней сидят

рецептор, специфичный неактивный G- белок и пока что неактивный фермент - аденилатциклаза. Когда к рецептору

присоединяется специфичный гормон

(адреналин, глюкагон), происходит изменение конформации G- белка, его

активация. Одна из субъединиц G-белка

– альфа-ГТФ, отщепляется от него и идёт к нашему ферменту. Альфа-ГТФ имеет высокое сродство

На еду моим общажным тараканам: 5469

к аденилатциклазе, и присоединяясь к ней, активирует её. Наш фермент заработал!

На еду моим общажным тараканам: 5469

Теперь о втором механизме белок-белковых взаимодействий на примере протеинкиназы А.

Вспоминаем, протеинкиназы – это группа ферментов, катализирующих перенос остатка фосфорной кислоты с АТФ на OH-группы аминокислотных остатков белков (реакция

фосфорилирования). Мы с тобой очень подробно это обсуждали с разделе с ковалетными модификациями, кружочек-квадратик там..

Вспоминай, протеинкиназы были ферментами, которые катализировали фосфорилирование других ферментов, регулируя их активность. Но каталитическую активность самих протеинкиназ тоже необходимо регулировать! Тут то и вступает второй механизм белокбелковых взаимодействий – ассоциация и диссоциация протомеров.

Протеинкиназа-А состоит из 4 субъединиц:

2 каталитические (C) и 2 регуляторные (R).

Такой комплекс (тетрамер) не обладает никакой каталитической активностью, он не работает. Но в его регуляторных (R) участках имеются центры для

связывания цАМФ(циклический аденозинмонофосфат), по 2 на каждую субъединицу, т.е.

На еду моим общажным тараканам: 5469

всего таких центров 4.

Пы.Сы. Будешь умницей, если перемотаешь страницу назад и найдёшь, откуда взялся этот цАМФ)

На еду моим общажным тараканам: 5469

Таким образом, 4 молекулы цАМФ связываются с четырьмя регуляторными центрами протеинкиназы А и изменяют её конформацию – тетрамер диссоциирует на субъединицы, при этом освобождаются 2 активные каталитические субъединицы, являющиеся ферментом – активной Протеинкиназой А. В таком несвязанном состоянии они уже могут осуществлять катализ – фосфорилирование белков, не забыл, надеюсь.

Этот процесс обратим. Молекулы цАМФ могут отсоединиться от регуляторных субъединиц R, что приведёт к соединению R и C протомеров. Снова образуется неактивный комплекс - тетрамер.

На еду моим общажным тараканам: 5469

АДЕНИЛАТЦИКЛАЗНЫЙМЕХАНИЗМАКТИВАЦИИФЕРМЕНТОВ

Не пугайся, глядя на эту схему. Всё, что здесь показано – ты уже знаешь. Это оба механизма белок-белковых взаимодействий, которые мы уже разобрали, на одной картинке. Следи за моими словами и параллельно смотри на схему.

Первый механизм – с участием специфичного белка.

Соединение гормона с рецептором (R) вызывает превращения в G- белке, состоящем из альфа, бета и гамма субъединиц. Под влиянием активированного рецептора, ГТФ (аналог АТФ) в альфа-субъединице белка превращается в ГДФ, это приводит к диссоциации G-белка. Его отделившаяся альфа-субъединица присоединяется к ферменту -

аденилатциклазе(АЦ), активируя её.

Второй механизм – диссоциация. Аденилатциклаза

катализирует превращение АТФ в цАМФ, которая в свою очередь являются регулятором диссоциации

На еду моим общажным тараканам: 5469

протеинкиназ, осуществляющих фосфорилирование

белков (ковалетные

модификации). Всё очень просто, если понять механизм. Я в тебя верю!<3

На еду моим общажным тараканам: 5469

Автор снова не сдержался и стал готкой делает перерыв на мемчики….

На еду моим общажным тараканам: 5469