Будучи одиницею живої матерії, що функціонує як комплекс відкритих біосистем, клітина постійно обмінюється з зовнішнім середовищем речовинами і енергією. Для підтримки гомеостазу в ній існує група особливих речовин білкової природи – ензимів. Будова, функції, а також регуляція активності ферментів вивчаються спеціальною галуззю біохімії, званої ензимологией. У даній статті на конкретних прикладах ми розглянемо різні механізми і способи регуляції активності ферментів, властиві вищим ссавцям і людині.

Умови, необхідні для оптимальної активності ензимів

Біологічно активні речовини, що вибірково впливають як на реакції асиміляції, так і на розщеплення, проявляють свої каталітичні властивості в клітинах при певних умовах. Наприклад, важливо з'ясувати, у якій ділянці клітини протікає хімічний процес, в якому беруть участь ензими. Завдяки компартментации (поділу цитоплазми на дільниці) антагоністичні реакції відбуваються в різних її частинах і органоидах. Так, синтез білків здійснюється в рибосомах, а їх розщеплення - у гиалоплазме. Клітинна регуляція активності ферментів, що каталізують протилежні біохімічні реакції, забезпечує не тільки оптимальну швидкість протікання обміну речовин, але і перешкоджає формуванню енергетично непотрібних метаболічних шляхів.

Мультиферментний комплекс

Структурно-функціональна організація ензимів утворює ферментативний апарат клітини. Більшість хімічних реакцій, що протікають у ньому, взаємопов'язані. Якщо в багатостадійному хімічному процесі продукт першої реакції є реагентом для подальшої, в цьому випадку просторове розташування ензимів у клітці виражено особливо сильно.


Потрібно пам'ятати, що ферменти є за своєю природою простими або складними білками. І їх чутливість до клітинного субстрату пояснюється насамперед зміною власної просторової конфігурації третинної або четвертинної структури пептиду. Ензими реагують і на зміни не тільки усередині клітинних параметрів, таких як хімічний склад гиалоплазми, концентрацію реагентів і продуктів реакції, температуру, але і на зміни, що відбуваються в сусідніх клітках або в міжклітинній рідині.

Чому клітина розділена на компартменти

Розумність і логічність пристрою живої природи просто разюча. Це повною мірою відноситься і до життєвих проявів, характерних для клітини. Для вченого-хіміка абсолютно зрозуміло, що різноспрямовані ферментативні хімічні реакції, наприклад синтез глюкози і гліколіз, не можуть протікати в одній і тій самій пробірці. Як же тоді відбуваються протилежні реакції в гиалоплазме однієї клітини, яка є субстратом для їх проведення? Виявляється, клітинний вміст – цитозрль, – у якому здійснюються хімічні антагоністичні процеси, просторово розділене і утворює ізольовані локуси – компартменти. Завдяки їм метаболічні реакції вищих ссавців і людини регулюються особливо точно, а продукти обміну перетворюються на форми, вільно проникають через перегородки клітинних ділянок. Далі вони відновлюють свою первісну структуру. Крім цитозолю, ферменти містяться в органелах: рибосомах, мітохондріях, ядрі, лізосомах.

Роль ензимів в енергетичному обміні

Розглянемо окислювальне декарбоксилювання пірувату. Регуляція каталітичної активності ферментів у ньому добре вивчена ензимологией. Даний біохімічний процес протікає в мітохондріях – двумембранних органелах еукариотических кліток – і є проміжним між процесом бескислородним розщеплення глюкози і циклом Кребса. Пируватдегидрогеназний комплекс – PDH – містить три ферменту. У вищих ссавців і людини зниження його відбувається при підвищенні концентрації Ацетил-КоА і NATH, тобто в разі появи альтернативних можливостей утворення молекул Ацетил-КоА . Якщо ж клітина потребує додаткової порції енергії і вимагає нових молекул акцептора для посилення реакцій циклу трикарбонових кислот, то ферменти активуються.

Що таке аллостерическое інгібування

Регуляція активності ферментів може здійснюватися спеціальними речовинами – каталітичними інгібіторами. Вони можуть ковалентно зв'язуватися з певними локусами ензиму, минаючи його активний центр. Це призводить до деформації просторової структури каталізатора і автоматично тягне за собою зниження його ферментативних властивостей. Іншими словами, відбувається аллостерическая регуляція активності ферментів. Додамо також, що така форма каталітичного впливу притаманна олигомерним ензимам, тобто тим, чиї молекули складаються з двох і більше полімерних білкових субодиниць. Розглянутий у попередньому заголовку PDH-комплекс якраз і містить три олігомерних ферменту: піруват дегидрогеназу, дегидролипоил дегидрогеназу і гидролипоил трансацетилазу.

Регуляторні ферменти

Дослідження в ензимології встановили той факт, що швидкість хімічних реакцій залежить як від концентрації, так і від активності каталізатора. Найчастіше метаболічні шляхи містять головні ферменти, що регулюють швидкість реакцій на всіх його ділянках.
Вони називаються регуляторними і зазвичай впливають на початкові реакції комплексу, а також можуть брати участь у найбільш повільно протікають хімічні процеси в незворотних реакціях, або ж приєднаються до реагентів в точках розгалуження метаболічного шляху.

Як здійснюється пептидні взаємодія

Одним із способів, за допомогою якого відбуваються регуляція активності ферментів у клітині, є білок-білкові взаємодії. Про що мова? Здійснюється приєднання регуляторних білків до молекулі ензимів, внаслідок чого відбувається їх активація. Наприклад, фермент аденилатциклаза знаходиться на внутрішній поверхні клітинної мембрани і може взаємодіяти з такими структурами, як рецептор гормону, а також з пептидом, розташованим між ним і ферментом. Так як в результаті з'єднання гормону і рецептора проміжний білок змінює свою просторову конфірмовані, цей спосіб посилення каталітичних властивостей аденілатциклази в біохімії носить назву «активації внаслідок приєднання білків-регуляторів».

Протомери та їх роль в біохімії

Ця група речовин, інакше звана протеинкиназами, прискорять перенесення аніона PO 4 3 - на гидроксогруппи амінокислот, що входять в пептидний макромолекулу. Регуляція активності ферментів протомеров буде розглянуто нами на прикладі протеїнкінази А. Її молекула – тетрамер, складається з двох каталітичних і двох регуляторних пептидних субодиниць і не функціонує як каталізатор до тих пір, поки до регуляторних ділянок протомера не прикріпити чотири молекули цАМФ. Це викликає трансформацію просторової структури білків-регуляторів, що призводить до вивільнення двох активованих каталітичних білкових частинок, тобто відбувається дисоціація протомеров. Якщо ж від регуляторних субодиниць відокремлюються молекули цАМФ, то неактивний комплекс протеїнкінази знову відновлюється до тетрамера, так як відбувається асоціація каталітичних та регуляторних пептидних частинок. Таким чином, розглянуті вище шляхи регуляції активності ферментів забезпечують їх оборотний характер.

Хімічна регуляція активності ферментів

Біохімія вивчила і такі механізми регуляції активності ферментів, як фосфорилювання, дефосфорилирование. Механізм регуляції активності ферментів в даному випадку має наступний вигляд: амінокислотні залишки ензиму, що містять групи ВІН - , змінюють свою хімічну модифікацію внаслідок впливу на них фосфопротеинфосфатаз. В цьому випадку піддається корекції активний центр ферменту, причому для одних ензимів це є причиною, активує їх, а для інших - інгібуючої. У свою чергу каталітичні властивості самих фосфопротеинфосфатаз регулюються гормоном. Наприклад, тваринний крохмаль – глікоген і жир в проміжках між прийомами їжі розщеплюються в шлунково-кишковому тракті, точніше, у дванадцятипалій кишці під впливом глюкагону – панкреатичного ферменту. Цей процес посилюється завдяки фосфорилированию трофічних ензимів ШКТ. В період активного травлення, коли їжа надходить зі шлунка в дванадцятипалу кишку, синтез глюкагону посилюється. Інсулін – ще один фермент підшлункової залози, що виробляється альфа-клітинами острівців Лангерганса, – взаємодіє з рецептором, включаючи механізм фосфорилювання тих же травних ензимів.

Частковий протеоліз

Як бачимо, рівні регуляції активності ферментів у клітині різноманітні. Для ензимів, що знаходяться поза цитозолю або органоїдів (в плазмі крові або в шлунково-кишковому тракті), способом їх активації служить процес гідролізу пептидних зв'язків CO-NH. Він необхідний, так як такі ферменти синтезуються в неактивній формі. Від молекули ензиму відщеплюється це частина, а решти структурі модифікації піддається активний центр. Це призводить до того, що фермент «входить в робочий стан», тобто стає здатним впливати на перебіг хімічного процесу. Наприклад, неактивний фермент підшлункової залози трипсиноген не розщеплює білки їжі, що надходять у дванадцятипалу кишку. В ній під дією ентеропептидази відбувається протеоліз. Після чого ензим активується і називається тепер трипсином. Частковий протеоліз – процес оборотний. Він відбувається в таких випадках, як активація ферментів, що розщеплюють поліпептиди, у процесах згортання крові.

Роль концентрації вихідних речовин у метаболізмі клітини

Регуляція активності ферменту доступністю субстрату частково розглядалася нами в підзаголовку «Мультиферментний комплекс». Швидкість протікання каталітичних реакцій, що проходять кілька стадій, сильно залежить від того, скільки молекул вихідної речовини знаходиться в гиалоплазме або органелах клітини. Це пов'язано з тим, що швидкість метаболічного шляху прямо пропорційна концентрації вихідної речовини. Чим більше молекул реагенту знаходиться в цитозолі, тим вище швидкість всіх подальших хімічних реакцій.

Аллостерическая регулювання

Ферментів, активність яких контролюється не тільки концентрацією вихідних речовин-реагентів, але ще і речовинами-ефекторами, властива так звана аллостерическая регулювання. Найчастіше такі ензими представлені проміжними продуктами обміну речовин в клітині. Завдяки еффекторам і здійснюється регуляція активності ферментів. Біохімія довела, що такі з'єднання, названі аллостерическими ензимами, дуже важливі для метаболізму клітини, так як володіють надзвичайно високою чутливістю до змін її гомеостазу. Якщо ензим пригнічує хімічну реакцію, тобто знижує його швидкість – його називають негативним ефекторів (інгібітором). В протилежному випадку, коли спостерігається збільшення швидкості реакції, мова йде про активаторі – позитивному еффекторе. У більшості випадків вихідні речовини, тобто реагенти, які вступають в хімічні взаємодії, відіграють роль активаторів. Кінцеві ж, продукти, що утворилися в результаті багатостадійних реакцій, що ведуть себе як інгібітори. Такий вид регулювання, побудований на взаємозв'язку концентрації реагентів і продуктів, називається гетеротрофним.