Аллостерические ферменты
Один из самых обычных способов регуляции метаболических путей — это регуляция с помощью аллостерических ферментов. Аллостерическими называют ферменты, действие которых «по определению» связано с изменением формы (alios — иной, другой; stereos — форма).
Активность таких ферментов регулируют вещества, действующие подобно неконкурентным ингибиторам. Эти вещества присоединяются к ферментам в особых участках, удаленных от активного центра, и меняют активность фермента, вызывая обратимое изменение в структуре активного центра. В результате меняется и способность субстрата связываться с ферментом (чем данное явление и отличается от неконкурентного ингибирования). Действующие таким образом вещества называются аллостерическими ингибиторами. Рисунок поясняет механизм аллостерического ингибирования.
Примером данного явления служит реакция, протекающая во время гликолиза, который составляет одну из стадий процесса клеточного дыхания. Клеточное дыхание служит источником АТФ. Если концентрация АТФ высока, то АТФ, действуя как аллостерический ингибитор, подавляет активность одного из ферментов гликолиза. Если же клеточный метаболизм усиливается, а следовательно, АТФ расходуется, и его общая концентрация падает, то после того как ингибитор будет удален, данный метаболический путь снова вступает в действие. Это может также служить примером ингибирования конечным продуктом.
8. Аллостерические регуляция активности. Примеры метаболических путей, регулируемых аллостерическими ферментами.
Аллостерические ферменты - ферменты, активность которых регулируется не только количеством молекул субстрата, но и другими веществами, называемыми эффекторами. Участвующие в аллостерической регуляции эффекторы - клеточные метаболиты часто именно того пути, регуляцию которого они осуществляют.
Аллостерические ферменты играют важную роль в метаболизме, так как они чрезвычайно быстро реагируют на малейшие изменения внутреннего состояния клетки. Аллостерическая регуляция имеет большое значение в следующих ситуациях:
при анаболических процессах. Ингибирование конечным продуктом метаболического пути и активация начальными метаболитами позволяют осуществлять регуляцию синтеза этих соединений;
при катаболических процессах. В случае накопления АТФ в клетке происходит ингибирование метаболических путей, обеспечивающих синтез энергии. Субстраты при этом расходуются на реакции запасания резервных питательных веществ;
для координации анаболических и катаболических путей. АТФ и АДФ - аллостерические эффекторы, действующие как антагонисты;
для координации параллельно протекающих и взаимосвязанных метаболических путей (например, синтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, используемых для синтеза нуклеиновых кислот). Таким образом, конечные продукты одного метаболического пути могут быть аллостерическими эффекторами другого метаболического пути.
Аллостерические эффекторы.
Эффектор, вызывающий снижение (ингибирование) активности фермента, называют отрицательным эффектором, или ингибитором.
Эффектор, вызывающий повышение (активацию) активности ферментов, называют положительным эффектором, или активатором.
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.
Более редкий случай аллостерической регуляции, когда сам субстрат может выступать в качестве положительного эффектора. Такая регуляция называется гомотропной (эффектор и субстрат - одно и то же вещество). Эти ферменты имеют несколько центров связывания для субстрата, которые могут выполнять двойную функцию: каталитическую и регуляторную. Аллостерические ферменты такого типа используются в ситуации, когда субстрат накапливается в избытке и должен быстро преобразоваться в продукт.
Выявить ферменты с аллостерической регуляцией можно, изучая кинетику этих ферментов.
Особенности строения и функционирования аллостерических ферментов:
обычно это олигомерные белки, состоящие из нескольких протомеров или имеющие доменное строение;
они имеют аллостерический центр, пространственно удалённый от каталитического активного центра;
эффекторы присоединяются к ферменту нековалентно в аллостерических (регуляторных) центрах;
аллостерические центры, так же, как и каталитические, могут проявлять различную специфичность по отношению к лигандам: она может быть абсолютной и групповой. Некоторые ферменты имеют несколько аллостерических центров, одни из которых специфичны к активаторам, другие - к ингибиторам.
протомер, на котором находится аллостерический центр, - регуляторный протомер, в отличие от каталитического протомера, содержащего активный центр, в котором проходит химическая реакция;
аллостерические ферменты обладают свойством кооперативности: взаимодействие аллостерического эффектора с аллостерическим центром вызывает последовательное кооперативное изменение конформации всех субъединиц, приводящее к изменению конформации активного центра и изменению сродства фермента к субстрату, что снижает или увеличивает каталитическую активность фермента;
регуляция аллостерических ферментов обратима: отсоединение эффектора от регуляторной субъединицы восстанавливает исходную каталитическую активность фермента;
аллостерические ферменты катализируют ключевые реакции данного метаболического пути.
Работа аллостерического фермента А - действие отрицательного эффектора (ингибитора); Б - действие положительного эффектора (активатора).
Локализация аллостерических ферментов в метаболическом пути.
Скорость метаболических процессов зависит от концентрации веществ, использующихся и образующихся в данной цепи реакций. Такая регуляция представляется логичной, так как при накоплении конечного продукта он (конечный продукт) может действовать как аллостерический ингибитор фермента, катализирующего чаще всего начальный этап данного метаболического пути:
Фермент, катализирующий превращение субстрата А в продукт В, имеет аллостерический центр для отрицательного эффектора, которым служит конечный продукт метаболического пути F. Если концентрация F увеличивается (т.е. вещество F синтезируется быстрее, чем расходуется), ингибируется активность одного из начальных ферментов. Такую регуляцию называют отрицательной обратной связью, или ретроингибированием. Отрицательная обратная связь - часто встречающийся механизм регуляции метаболизма в клетке.
В центральных метаболических путях исходные вещества могут быть активаторами ключевых ферментов метаболического пути. Как правило, при этом аллостерической активации подвергаются ферменты, катализирующие ключевые реакции заключительных этапов метаболического пути:
В качестве примера можно рассмотреть принципы регуляции гликолиза - специфического (начального) пути распада глюкозы. Один из конечных продуктов распада глюкозы - молекула АТФ. При избытке в клетке АТФ происходит ретроингибирование аллостерических ферментов фосфофруктокиназы и пируваткиназы. При образовании большого количества фруктозо-1,6-бисфосфата наблюдают аллостерическую активацию фермента пируваткиназы.
Схема положительной и отрицательной регуляции катаболизма глюкозы
Молекула АТФ участвует в ретроингибировании аллостерических ферментов фосфофруктокиназы и пируваткиназы. Фруктозе-1,6-бисфосфат – активатор метаболического пути распада глюкозы. Плюсами отмечена активация, минусами - ингибирование ферментов.
Благодаря такой регуляции осуществляется слаженность протекания метаболического пути распада глюкозы.
