1. Пространственная локализация ферментов

Большинство ферментов имеет внутриклеточную локализацию и распределены в организме неравномерно. Все ферменты одного метаболического пути, как правило, находятся в одном отделе клетки. Особенно разделение метаболических путей важно для противоположно направленных катаболических и анаболических процессов. Например, синтез жирных кислот происходит в цитоплазме, а их распад в митохондриях. Если бы такого разделения не существовало, образовывались бы бесполезные с функциональной и энергетической точки зрения пути.

В метаболических путях продукт первой ферментативной реакции служит субстратом второй и так далее до формирования конечного продукта. Промежуточные продукты метаболического пути могут высвобождаться из последовательности реакций и использоваться в других метаболических путях, т.е. метаболические пути связаны между собой промежуточными продуктами.

В ряде случаев пространственная организация ферментов настолько сильно выражена, что продукт реакции ни при каких условиях не может быть вычленен из метаболического пути и обязательно служит субстратом следующей реакции. Такая организация метаболического пути носит название мультиферментного комплекса и возникает в результате структурно-функциональной организации ферментов. Обычно такие комплексы связаны с мембранами. В качестве примеров мультиферментных комплексов можно привести пируватдегидрогеназный комплекс, под действием которого происходит окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты (пирувата), синтазу жирных кислот, катализирующую синтез пальмитиновой кислоты.

2. Структура метаболических путей

Структура метаболических путей в клетке крайне разнообразна: а) субстрат в результате ряда ферментативных процессов превращается в один продукт - линейный метаболический путь; б) разветвлённые метаболические пути - приводят к синтезу различных конечных продуктов в зависимости от потребности клетки; в) встречаются также циклический и спиральный метаболические пути.

Типы метаболических путей

Схема	Название	Пример
А→В→С→D→Е	Линейный	Гликолиз
	Разветвлённый	Синтез нуклеотидов
	Циклический	Цикл трикарбоновых кислот
		Синтез мочевины
	Спиральный	β-окисление жирных кислот

Органоспецифичность

В процессе дифференцировки клеток происходит изменение ферментного состава клеток. Аргиназа, участвующая в синтезе мочевины, - только в клетках печени, а кислая фосфатаза, участвующая в гидролизе моноэфиров ортофосфорной кислоты, - в клетках простаты. Это так называемые органоспецифичные ферменты.

В узко специализированных клетках находится больше ферментов, чем в других:

в клетках сердечной мышцы имеется повышенное количество креатинкиназы и аспартатаминотрансферазы,

в клетках печени - аланинаминотрансферазы и аспартатаминотрансферазы,

в остеобластах - щелочной фосфатазы и т.д.

Компартментализация

Пространственная регуляция связана со строгой локализацией определённых ферментов в различных органеллах.

Ядро - ферменты, связанные с синтезом молекул ДНК и РНК, в ядре хранится генетическая информация, происходят процессы репликации ДНК, транскрипции (образование мРНК и тРНК, рРНК образуется в ядрышке), созревание первичных транскриптов;

Цитоплазма – распад углеводов (гликолиз, апотомический распад) и их синтеза (глюконеогенез, биосинтез гликогена), синтез жирных кислот и липидов, превращение аминокислот;

Митохондрии - ферменты ЦТК (матрикс), во внутренней мембране митохондрий - ферменты цепи переноса электронов; а также процессы: окислительное фосфорилирование, окислительное декарбоксилирование пирувата, бета-окисление жирных кислот;

Микросомная часть клетки (ЭПС, рибосомы) – биосинтез белков, стероидов, нуклеотидов, метаболизм (окисление) ксенобиотиков;

Аппарат Гольджи - синтез полисахаридов и гликопротеинов;

Лизосомы - гидролитические ферменты обеспечивают процессы разложения (гидролиза) веществ;

Пероксисомы - обезвреживание пероксида водорода и радикалов кислорода.

Некоторые биохимические процессы начинаются в одном компартменте клетки, а завершаются в другом. Частично протекают в цитоплазме, а частично в митохондриях - биосинтез мочевины, биосинтез гема, полный аэробный дихотомический распад глюкозы, глюконеогенез.

Внутриклеточная локализация ферментов.

Конститутивные ферменты - концентрация в клетке постоянна, их синтез не регулируется.

Адаптивные (индуцируемые, индуцибельные) - концентрация в клетке не постоянна, их синтез стимулируется индуктором.

Репрессируемые (репрессибельные) - синтез подавляется при накоплении в клетке корепрессоров (продуктов процесса).

Принципы регуляции метаболических путей

Обычно в метаболических путях есть ключевые ферменты, благодаря которым происходит регуляция скорости всего пути. Эти ферменты (один или несколько в метаболическом пути) называются регуляторными ферментами; они катализируют, как правило, начальные реакции метаболического пути, необратимые реакции, скорость лимитирующие реакции (самые медленные) или реакции в месте переключения метаболического пути (точки ветвления).

Регуляция скорости ферментативных реакций осуществляется на 3 независимых уровнях:

• изменением количества молекул фермента;

• доступностью молекул субстрата и кофермента;

• изменением каталитической активности молекулы фермента.