1. Регуляция количества молекул фермента в клетке
Белки в клетке постоянно обновляются. Количество молекул фермента в клетке определяется соотношением 2 процессов - синтеза и распада белковой молекулы фермента:
Синтез и фолдинг белка - многостадийный процесс. Регуляция синтеза белка может происходить на любой стадии формирования белковой молекулы. Наиболее изучен механизм регуляции синтеза белковой молекулы на уровне транскрипции, который осуществляется определёнными метаболитами, гормонами и рядом биологически активных молекул.
Что касается распада ферментов, то регуляция этого процесса менее изучена. Это сложный механизм, возможно, определяемый на генетическом уровне.
2. Регуляция скорости ферментативной реакции доступностью молекул субстрата и коферментов
Важный параметр - это наличие первого субстрата. Чем больше концентрация исходного субстрата, тем выше скорость метаболического пути.
Другой параметр - наличие регенерированных коферментов. Например, в реакциях дегидрирования коферментом дегидрогеназ служат окисленные формы NAD+, FAD, FMN, которые восстанавливаются в ходе реакции. Чтобы коферменты вновь участвовали в реакции, необходима их регенерация, т.е. превращение в окисленную форму.
3. Регуляция каталитической активности ферментов
Важнейшее - регуляция каталитической активности одного или нескольких ключевых ферментов данного метаболического пути. Это высокоэффективный и быстрый способ регуляции метаболизма.
Основные способы регуляции активности ферментов:
Аллостерическая регуляция
Аллостерические ферменты: активность регулируется эффекторами (клеточные метаболиты часто именно того пути, регуляцию которого они осуществляют).
Роль аллостерических ферментов в метаболизме клетки - быстро реагируют на малейшие изменения внутреннего состояния клетки:
1.при анаболических процессах: ингибирование конечным продуктом метаболического пути и активация начальными метаболитами позволяют осуществлять регуляцию синтеза этих соединений;
2.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;
3.для координации анаболических и катаболических путей: АТФ и АДФ - аллостерические эффекторы, действующие как антагонисты;
4.для координации параллельно протекающих и взаимосвязанных метаболических путей (например, синтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, используемых для синтеза нуклеиновых кислот).
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 - часто ингибиторы,
исходные вещества - активаторы.
Это гетеротропная регуляция, распространённая в биологических системах.
Более редкий случай: субстрат выступает 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. Эти ферменты не подчиняются законам Михаэлиса-Ментен, они имеют характерную S-образную кривую зависимости скорости реакции от концентрации субстрата.
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.
Схема работы аллостерического фермента. А - действие отрицательного эффектора (ингибитора); Б - действие положительного эффектора (активатора).
Влияние концентрации субстрата на скорость реакции, катализируемой типичным аллостерическим ферментом.
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 ретро-ингибированием. 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 ретро-ингибирование аллостерических ферментов фосфофруктокиназы и пируваткиназы. При образовании большого количества фруктозо-1,6-бисфосфата наблюдают аллостерическую активацию фермента пируваткиназы.
Благодаря такой регуляции осуществляется слаженность протекания метаболического пути распада глюкозы.
Схема положительной и отрицательной регуляции катаболизма глюкозы. Молекула АТФ участвует в ингибировании (ретроингибировании) аллостерических ферментов фосфофруктокиназы и пируваткиназы. Фруктоза-1,6-бисфосфат - активатор метаболического пути распада глюкозы. Плюсами отмечена активация, минусами - ингибирование ферментов.