Вопрос36. Олигомерная структура ключевых ферментов и принципы аллостерической регуляции метаболизма.

Олигомерные ферменты, образованные несколькими идентичными (мышечная фосфорилаза) или различными (аспартат- карбамоилтрансфераза из E.coli) субъединицами, связанными некова- лентными связями. Для регуляторных ферментов характерна олигомерная структура, т. е. наличие нескольких субъединиц . В каждый активный центр таких ферментов входят функциональные группы от нескольких субъединиц, поэтому изменение агрегатного состояния фермента влияет на активность ферментов: при диссоциации олигомерного фермента на мономеры происходит его инактивация.

АЛЛОСТЕРИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ (от алло.... и греч. stereos - пространственный), контроль за скоростью протекания отдельных метаболических процессов в организме за счёт изменения активности регуляторных (аллостерических) ферментов. Направлена на наиболее экономичное использование материальных и энергетических ресурсов клетки. Аллостерические ферменты обладают четвертичной структурой (состоят из нескольких полипептидных цепей) и помимо активного центра имеют обособленные "аллостерические" центры (один или несколько) на поверхности своих молекул. К этим центрам присоединяются специфические регуляторы, так называемые эффекторы, изменяющие активность фермента, а следовательно, и всего метаболического процесса в целом. В качестве эффекторов часто выступают нуклеотиды (например, адениловая кислота, АТФ и т. п.), аминокислоты (в реакциях биосинтеза др. аминокислот) и другие. Аллостерическая регуляция анаболических (биосинтетических) путей осуществляется в основном по принципу обратной связи, когда конечный продукт биосинтетической цепи подавляет действие фермента, катализирующего начальную стадию всего процесса (так называемое ретроингибирование). В катаболических путях, обеспечивающих клетку энергией, активность первого фермента контролируется соединениями, которые показывают уровень энергетического состояния клетки в каждый данный момент, например, фосфатами и адениловыми нуклеотидами. Для некоторых метаболических путей известна ситуация, когда первый метаболит в цепи последовательных реакций активирует фермент, катализирующий последнюю стадию, обеспечивая так называемую активацию предшественником.

Вопрос37. Роль ковалентных модификаций в образовании ферментных каскадов. Примеры избирательного протеолиза, реакций фосфорилирования/дефосфорилирования, глюкозилирования и др.

В ряде случаев каталитическая активность ферментов может изменяться в результате разрыва или образования ковалентных связей в молекуле. Существует несколько вариантов ковалентной модификации, из которых наибольший интерес представляют частичный протеолиз и регуляция путём фосфорилирования — дефосфорилирования.

Активация белков путем частичного протеолиза - процесс, широко распространенный в биологических системах. Вот несколько примеров.пищеварительные ферменты, гидролизующие белки, синтезируются в желудке и поджелудочной железе в виде проферментов: пепсин – в виде пепсиногена, трипсин – в виде трипсиногена и т.д. свертывание крови представляет собой каскад реакций протеолитической активации проферментов. Это обеспечивает быструю ответную реакцию на повреждение кровеносного сосуда. некоторые белковые гормоны синтезируются в виде неактивных предшественников. Например, инсулин образуется из проинсулина. фибриллярный белок соединительной ткани коллаген также образуется из предшественника — проколлагена. Активацию неактивных предшественников ферментов путем частичного протеолиза можно рассмотреть на примере превращения трипсиногена в трипсин. Этот процесс происходит под действием фермента энтеропептидазы в просвете двенадцатиперстной кишки и сводится к отщеплению с N-конца полипептидной цепи 6 аминокислотных остатков и соответственно укорочению полипептидной цепи (рисунок 3.11). Такое же действие на трипсиноген оказывает и активный трипсин.

В результате изменения первичной структуры в молекуле профермента возникают новые нековалентные связи, изменяется конформация полипептидной цепи и формируется активный центр. В молекуле профермента активный центр отсутствует.

Фосфорилирование – дефосфорилирование ферментов – присоединение или отщепление фосфатной группы. В отличие от частичного протеолиза, это обратимое изменение каталитической активности ферментов.

Такие ферменты могут существовать в двух формах – фосфорилированной и дефосфорилированной. В зависимости от конкретного случая, одна из этих форм будет обладать более высокой, а другая – более низкой каталитической активностью.

Фосфорилированию обычно подвергаются остатки серина, реже тирозина или треонина. Донором фосфатной группы является молекула АТФ. Фосфорилирование происходит избирательно и затрагивает лишь небольшое число аминокислотных остатков, не обязательно в активном центре фермента. Присоединение фосфата приводит к изменению конформации фермента и его активности. Фосфатные группы, связанные с остатками аминокислот, удаляются путём гидролиза с образованием неорганической фосфорной кислоты.

Примером фермента, активность которого регулируется путём обратимого фосфорилирования, является гликогенфосфорилаза, участвующая в распаде гликогена в клетках печени и мышц

Неактивная форма фермента (дефосфорилированная) превращается в активную форму (фосфорилированную) при помощи другого фермента – киназы фосфорилазы. Реакцию дефосфорилирования катализирует фосфатаза фосфорилазы которая инактивирует фосфорилазу.