2. 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. 3).
Рис. 3 График зависимости скорости ферментативной реакции от количества субстрата
Это может продолжаться до тех пор, пока не произойдет полного насыщения ферментов 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 ее увеличения, 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. Так, окисление жирных кислот регулируется скоростью их поступления в митохондрии, где сосредоточены ферменты β-окисления.
2. от скорости предыдущей реакции, продукт которой является субстратом для данной реакции. Так, скорость реакции, катализируемой ферментом Е2, будет зависеть от скорости превращения субстрата А в продукт В.
3. от конкуренции ферментов за общий субстрат. Как показано на схеме ферменты Е1, Е2, Е3, Е4, конкурируют за общий субстрат А. Как правило альтернативные пути превращения субстрата подавляются регуляторами и весь пул имеющегося субстрата направляется на образование необходимого в данный момент времени продукта.
Зависимость скорости реакции от количества субстрата необходимо учитывать при проведении биохимического определения активности ферментов. В этом случае в среде должен быть создан молярный избыток субстрата.
3. 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.
4. 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 органе. 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 обратимо 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. Донором фосфатной группы выступает АТФ. 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 серина. Фосфорилирование и дефосфорилирование катализируется соответственно протеинкиназами и протеинфосфатазами, которые в некоторых случаях сами являются обратимо модифицируемыми ферментами.