2.2.4. Регуляция путём ковалентной модификации

В биологических системах часто встречается механизм регуляции активности энзимов с помощью ковалентной модификации в нихаминокислотных остатков. Быстрый и широко распространённый способ подобного явления - фосфорилирование/дефосфорилирование. Модификации подвергаются ОН-группы серина активного центра фермента. Фосфорилирование тоже требует работы биокатализаторов и осуществляется ферментами протеинкиназами, а дефосфорилирование - фосфопротеинфосфатазами. Присоединение остатка фосфорной кислоты приводит к изменению конформации активного центра и его каталитической способности. При этом результат может быть двояким: одни ферменты при фосфорилировании активируются, другие, напротив, становятся менее активными (рис. 5).

Изменение активности фермента, вызванное фосфорилированием, обратимо. Активность протеинкиназ и фосфопротеинфосфатаз регулируется гормонами, что позволяет быстро изменять направленность хода процесса в зависимости от возникающих условий. Антагонистичные по функции гормоны по-разному влияют на фосфорилирование/дефосфорилирование ферментов, вызывая противоположные эффекты в метаболизме.

Например, под действием глюкагона (в период между приёмами пищи) в клетках замедляется синтез энергетического материала (жиров, гликогена), но усиливает их распад (мобилизация), спровоцированные фосфорилированием ключевых ферментов этих процессов. Под действием же инсулина (во время пищеварения), наоборот, активируется образование гликогена, за счёт происходящего дефосфорилирования тех же энзимов.

2.2.5. Частичный протеолиз – как способ активации энзима (активация зимогена)

Зимоген, или профермент – это неактивная форма фермента. Когда активный центр энзима закрыт олигопептидным фрагментом белковой цепи, субстрат не может с ним взаимодействовать.

Некоторые биокатализаторы, функционирующие вне клеток (в полости ЖКТ или в плазме крови), синтезируются в виде неактивных предшественников и их преобразование осуществляется с помощью гидролиза одной или нескольких определённых пептидных связей, что приводит к отщеплению участка белковой молекулы предшественника. В результате в оставшейся части апофермента происходит конформационная перестройка и открывается его активный центр.

Рассмотрим механизм на примере активации протеолитического энзима трипсина. Трипсиноген, зимоген данного фермента синтезируемый в поджелудочной железе, по её протокам поступает в двенадцатиперстную кишку, где и активируется выше упомянутым способом под действием фермента кишечника энтеропептидазы, отщепляющей гексапептид с N-конца молекулы, в результате формируется активный центр в сохранившейся части мицеллы.

Частичный протеолиз - пример регуляции, когда активность биокатализатора изменяется необратимо. Такие ферменты функционируют, как правило, в течение короткого времени, определяемого сроком жизни белковой молекулы. Данный способ регуляции лежит в основе активации не только протеаз, но и белков свёртывающей системы крови и фибринолиза, протеинов системы комплемента, а также пептидных гормонов.

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.