Доступность субстрата или кофактора - важный элемент регуляции активности ферментов

Межклеточная концентрация многих метаболитов - значительно ниже значений Kmдля субстрата данного фермента. КонцентрацияD-глицеральдегид-З-фосфата в мышце -Змкмоль/л. Это - значительно ниже значенияKm, составляющего для дегидрогеназы 70 мкмолль/л. Учитывая, что концентрация субстрата низкая, скорость реакции будет опре­деляться концентрацией субстрата. Там, где концентрация субстрата - выше значенийKm, концентрация субстрата не будет оказывать сильного влияния на скорость реакции. На­пример, фруктоза-1-6-дифосфат альдолаза. Концентрация субстрата для этого фермента в клетках - 200 мкмоль/л, а Км фермента - 12. Эти данные указывают на значение локаль­ной концентрации субстратов и кофакторов и определение локальной концентрации суб­стратов позволило бы решить является ли концентрация ограничивающим фактором для активности фермента. Разделение клетки на отдельные компартменты может приводить к созданию высоких локальных концентраций и фермента и субстрата. К сожалению, боль­шинство методов исследования дают лишь представление об общей концентрации суб­страта в клетке. Значение концентраций субстратов и Км ферментов особую значимость приобретает и для понимания межорганных различий. Это хорошо можно увидеть на следующем примере. Различия в значениях Км и Vmax, клетками используются для регуляции ключевых процессов и влияют на распреде­ление различных метаболитов в тканях. Примером могут служить два схожих фер­мента гексокиназа и глюкокиназа, которые катализируют превращение глюкозы в глюкозо-6-фосфат - промежуточное соединение на пути окисления глюкозы. Как только глюкоза попадает в клетку и превращается в глюкоза-6-фосфат, она уже не может поки­нуть клетку и используется только в метаболизме данной клетки. Это важно для мозга, клетки которого не могут синтезировать глюкозу, и нуждаются в прямом поступлении глюкозы из крови. Хотя гексокиназа и глю­кокиназа катализируют одну и ту же реакцию, они значительно различаются между со­бой.

Гексокиназа обнаружена в мозге и в скелетной мышце, и является регуляторным ферментом (т.е. ингибируется высокими концентрациями продукта). Она также имеет бо­лее высокое сродство к глюкозе, со значением Km 5X10^-5М. Наоборот, глюкокиназа найдена в печени и отсутствует в мозге и мышцах. Она не является регуляторным фер­ментом и имеет более низкое сродство к глюкозе-(Км - 2X10^-2М). Для сравнения, следует отметить, что нормальная концентрация глюкозы в крови находится между этими двумя значениями. При нормальном уровне глюкозы в крови гексокиназа работает вблизиVmax, гарантируя получение мозгом вполне доста­точного количества глюкозы. Глюкокиназа работает значительно ниже своейVmaxв этих условиях. Если повышение глюкозы крови значительно, гексокиназа может слегка ускориться, но активность глюкокиназы резко повышается . Таким образом, избыточная глюкоза крови принимается печенью и преобразовывается в гликоген и липиды. Если уровень глюкозы крови падает ниже нормы, гексокиназа все еще работает околоVmax, в то время как глюкокиназа по существу неактивна. Таким образом, постоянная поставка глюкозы обеспечена для мозга всегда.

Рис 2-17.Схема образования генетически детерминированных множественных форм фермента (подробности в тексте)

Отдельные компартменты клетки отличаются условиями микроокружения, что стало предпосылкой образования множественных форм ферментов. Это ферменты, которые ка­тализируют одинаковые реакции, но отличаются между собой по аминокислотному со­ставу и физико-химическим свойствам. Разновидностью таких ферментов являются изоферменты. Это генетически детерминированные множе­ственные формы ферментов. Принцип их формирования показан на рис 2-17. Тетрамерный фермент, состоящий из двух кодируемых генетически субъединиц А и В может быть представлен пятью изоферментами А4, АЗВ1, А2В2, А1ВЗ и В4. Каждый из изоферментов может катали­зировать одинаковую реак­цию, но отличается по своим свойствам, что важно при использовании этих ферментов в разных условиях. Таким путем Природа «экономит» генетический материал, созда­вая многообразие.