2.9. Регуляция ферментативных реакций

Общая характеристика принципов и механизмов регуляции ферментативных реакций.

Регуляция ферментативных реакций  основа адаптации живых систем к изменяющимся условиям внешней среды. Благодаря возможности изменять скорость протекающих в организме биохимических процессов, создаются условия для поддержания постоянства внутренней среды организма, т.е. гомеостаза.

Основные принципы и механизмы регуляции ферментативных реакций.

1.регулирование скорости реакции путем изменения количества субстрата

2.регулирование скорости ферментативной реакции путем изменения количества фермента

3.регулирование скорости ферментативной реакции путем изменения каталитической активности фермента

Каталитическая активность фермента может быть изменена с помощью следующих механизмов;

а) ковалентная модификация структуры фермента

б) аллостерическое регулирование

в) каскадный механизм регулирования активности поли-ферментной системы.

г) изостерическое или конкурентное ингибирование

Кроме того, на активность фермента могут оказывать влияние следующие факторы, не являющиеся регуляторными, но при определенных условиях изменяющие скорость функционирования ферментов:

1.изменение температуры

2.изменение рН среды

3.воздействие ингибиторов

Регулирование ферментативных реакций путем изменения количества субстрата.

В физиологическом диапазоне концентраций существует прямая зависимость между количеством субстрата и скоростью ферментативной реакции, т.е. при увеличении концентрации субстрата и сохранении всех остальных условий скорость ферментативной реакции увеличивается (рис.2.3). Это может продолжаться до тех пор, пока не произойдет полного насыщения фермента субстратом, в этом случае в комплексе с субстратом будут находиться все молекулы фермента и дальнейшего повышения скорости реакции не будет. В физиологических условиях насыщающих концентраций, как правило, не наблюдается, поэтому изменением уровня субстрата можно изменить скорость реакции, как в сторону повышения, так и в сторону уменьшения.

Содержание субстрата в клетке зависит от следующих факторов:

1.от состояния проницаемости мембран для субстратов, поступающих извне в данный компартмент клетки

2.от скорости предыдущей реакции, продукт которой является субстратом для данной реакции

3.от конкуренции ферментов за общий субстрат.

Рис.2.3 График зависимости скорости ферментативной реакции от количества субстрата.

Зависимость скорости реакции от количества субстрата необходимо учитывать при проведении биохимического эксперимента. В этом случае молярный избыток субстрата должен составлять 10⁶ .

Регуляция ферментативных реакций количеством фермента

Между количеством фермента и скоростью ферментативной реакции существует прямая зависимость, т.е. с увеличением количества фермента скорость реакции увеличивается при условии молярного избытка субстрата.

Абсолютное количество фермента в клетке определяется скоростями его синтеза и распада. Соответственно количество фермента увеличивается либо в результате повышения скорости его синтеза, либо снижения скорости распада, либо обоими процессами сразу. В свою очередь синтез фермента зависит от состояния механизмов индукции и репрессии. Индукция  это усиление синтеза ферментов, а репрессия  это подавление синтеза ферментов. Распад ферментов осуществляется тканевыми протеиназами.

Регуляция активности ферментов ковалентной модификацией их структуры

Регуляция активности ферментов ковалентной модификацией  это изменение активности за счет изменения конформации фермента в результате отщепления фрагмента его молекулы, а также ковалентного присоединения или отщепления определенных групп. Ковалентная модификация может быть обратимой и необратимой.

Необратимая ковалентная модификация наблюдается в тех случаях, когда происходит активация каталитически неактивного предшественника фермента. Некоторые ферменты синтезируются в клетках одной ткани или органа , а проявляют активность в другом. Для того, чтобы исключить повреждающее действие фермента на клетки, он синтезируется в виде профермента. Например, протеиназы ЖКТ, ферменты системы свертывания крови.

Обратимая ковалентная модификация может осуществляться путем ковалентного присоединения фосфатной группы

( преобладает у млекопитающих) или нуклеотида (преобладает у бактерий). Ферменты, подверженные ковалентной модификации, называют обратимой модифицируемыми ферментами. Обратимо модифицируемые ферменты могут находиться в двух состояниях, одно из которых характеризуется высокой, а другое - низкой каталитической активностью. В зависимости от конкретной ситуации более активным фермент может быть в фосфорилированной, либо в дефосфорилированной форме. Обычно фосфорилируется специфический остаток серина и образуется остаток О-фосфосерина. Хотя обратимо модифицируемый фермент может содержать много остатков серина, фосфорилирование происходит в высшей степени избирательно и затрагивает лишь небольшое число остатков. Фосфорилирование и дефосфорилирование катализируется соответственно протеинкиназами и протеинфосфатазами, которые в некоторых случаях сами являются обратимо модифицируемыми ферментами.