Regulacja aktywności enzymu i jej metody

Funkcjonująca jako jednostka materii żywejKomórka jako kompleks otwartych biosystemów nieustannie wymienia substancje i energię ze środowiskiem zewnętrznym. Dla utrzymania homeostazy zawiera grupę specjalnych substancji o charakterze białkowym - enzymów. Struktura, funkcja i regulacja aktywności enzymów są badane przez specjalną gałąź biochemii zwaną enzymologią. W tym artykule, używając konkretnych przykładów, rozważymy różne mechanizmy i metody regulacji aktywności enzymów właściwych dla wyższych ssaków i ludzi.

Warunki optymalnej aktywności enzymu

Substancje biologicznie czynne selektywniewpływając zarówno na reakcje asymilacji, jak i rozszczepienie, wykazują swoje właściwości katalityczne w komórkach w określonych warunkach. Na przykład ważne jest, aby dowiedzieć się, w której części komórki zachodzi proces chemiczny, w którym biorą udział enzymy. Ze względu na kompartmentację (podział cytoplazmy na odcinki) w jej różnych częściach i organellach zachodzą reakcje antagonistyczne.

Tak więc synteza białek odbywa się w rybosomach iich rozszczepienie zachodzi w hialoplazmie. Komórkowa regulacja aktywności enzymów katalizujących przeciwstawne reakcje biochemiczne zapewnia nie tylko optymalne tempo przemiany materii, ale także zapobiega powstawaniu bezużytecznych energetycznie szlaków metabolicznych.

Kompleks wielu enzymów

Strukturalna i funkcjonalna organizacja enzymówtworzy enzymatyczny aparat komórki. Większość zachodzących w nim reakcji chemicznych jest ze sobą powiązanych. Jeżeli w wieloetapowym procesie chemicznym produkt pierwszej reakcji jest odczynnikiem dla następnej, to w tym przypadku przestrzenne rozmieszczenie enzymów w komórce jest szczególnie wyraźne.

Należy pamiętać, że enzymy są na swój sposóbnatura z prostymi lub złożonymi białkami. Ich wrażliwość na substrat komórkowy tłumaczy się przede wszystkim zmianą ich własnej konfiguracji przestrzennej trzeciorzędowej lub czwartorzędowej struktury peptydu. Enzymy reagują również na zmiany nie tylko w zakresie parametrów komórkowych, takich jak skład chemiczny hialoplazmy, stężenie odczynników i produktów reakcji, temperatura, ale także na zmiany w sąsiednich komórkach lub w płynie międzykomórkowym.

Dlaczego komórka jest podzielona na przedziały

Rozsądność i spójność urządzenia żywej naturypo prostu niesamowite. Dotyczy to w pełni przejawów życia charakterystycznych dla komórki. Dla chemika jest całkowicie jasne, że wielokierunkowe enzymatyczne reakcje chemiczne, takie jak synteza glukozy i glikoliza, nie mogą zachodzić w tej samej probówce. Jak zatem zachodzą przeciwne reakcje w hialoplazmie jednej komórki, która jest substratem do ich realizacji? Okazuje się, że zawartość komórkowa - cytozol - w którym zachodzą antagonistyczne procesy chemiczne, jest przestrzennie oddzielona i tworzy izolowane loci - przedziały. Dzięki nim reakcje metaboliczne ssaków wyższych i ludzi są regulowane szczególnie precyzyjnie, a produkty przemiany materii przekształcane są w formy, które swobodnie przenikają przez przegrody komórkowe. Następnie przywracają swoją pierwotną strukturę. Oprócz cytozolu w organellach znajdują się enzymy: rybosomy, mitochondria, jądro, lizosomy.

Rola enzymów w metabolizmie energetycznym

Rozważ oksydacyjną dekarboksylacjępirogronian. Regulacja aktywności katalitycznej enzymów w nim jest dobrze zbadana przez enzymologię. Ten biochemiczny proces zachodzi w mitochondriach - dwóch organellach błonowych komórek eukariotycznych - i jest procesem pośrednim między beztlenowym rozpadem glukozy a cyklem Krebsa. Kompleks dehydrogenazy pirogronianowej - PDH - zawiera trzy enzymy. U wyższych ssaków i ludzi jego spadek następuje wraz ze wzrostem stężenia acetylo-CoA i NATH, czyli w przypadku pojawienia się alternatywnych możliwości tworzenia cząsteczek acetylo-CoA. Jeśli komórka potrzebuje dodatkowej porcji energii i potrzebuje nowych cząsteczek akceptora do wzmocnienia reakcji cyklu kwasu trikarboksylowego, wówczas enzymy są aktywowane.

Co to jest hamowanie allosteryczne

Regulacja aktywności enzymatycznej możeprzeprowadzane za pomocą specjalnych substancji - inhibitorów katalitycznych. Mogą wiązać się kowalencyjnie z określonymi loci enzymu, omijając jego centrum aktywne. Prowadzi to do deformacji struktury przestrzennej katalizatora i automatycznie pociąga za sobą obniżenie jego właściwości enzymatycznych. Innymi słowy, zachodzi allosteryczna regulacja aktywności enzymów. Dodajemy również, że ta forma działania katalitycznego jest nieodłączna dla enzymów oligomerycznych, to znaczy tych, których cząsteczki składają się z dwóch lub więcej podjednostek białek polimerowych. Kompleks PDH rozważany w poprzednim tytule zawiera trzy oligomeryczne enzymy: dehydrogenazę pirogronianową, dehydrogenazę dehydrolipoilu i transacetylazę hydrolipoilową.

Enzymy regulatorowe

Badania w dziedzinie enzymologii potwierdziły ten faktże szybkość reakcji chemicznych zależy zarówno od stężenia, jak i od aktywności katalizatora. Najczęściej szlaki metaboliczne zawierają główne enzymy, które regulują szybkość reakcji we wszystkich jej częściach.

Nazywa się je regulacyjnymi i zwykle tak jestwpływają na początkowe reakcje kompleksu, a także mogą uczestniczyć w najwolniejszych procesach chemicznych w reakcjach nieodwracalnych lub mogą łączyć odczynniki w punktach rozgałęzienia szlaku metabolicznego.

Jak działa interakcja peptydów

Jeden ze sposobów, w jaki się pojawiająRegulacja aktywności enzymatycznej w komórce polega na oddziaływaniu białko-białko. O czym gadamy? Następuje przyłączenie białek regulatorowych do cząsteczki enzymu, w wyniku czego następuje ich aktywacja. Na przykład enzym cyklaza adenylanowa znajduje się na wewnętrznej powierzchni błony komórkowej i może oddziaływać ze strukturami, takimi jak receptor hormonu, a także z peptydem znajdującym się między nim a enzymem. Ponieważ w wyniku połączenia hormonu i receptora białko pośrednie zmienia swoje potwierdzenie przestrzenne, ten sposób wzmacniania katalitycznych właściwości cyklazy adenylanowej w biochemii nazywany jest „aktywacją przez przyłączenie białek regulatorowych”.

Protomery i ich rola w biochemii

Ta grupa substancji, zwana inaczej kinazami białkowymi, przyspieszy transfer anionu PO₄^3- na grupach hydroksylowych aminokwasów zawartych wmakrocząsteczka peptydu. Rozważymy regulację aktywności enzymów protomerycznych na przykładzie kinazy białkowej A.Jej cząsteczka, tetramer, składa się z dwóch katalitycznych i dwóch regulatorowych podjednostek peptydowych i nie działa jako katalizator, dopóki cztery cząsteczki cAMP nie zostaną przyłączone do regulatorowego regiony protomeru. Powoduje to przekształcenie struktury przestrzennej białek regulatorowych, co prowadzi do uwolnienia dwóch aktywowanych katalitycznie cząstek białka, czyli następuje dysocjacja protomerów. Jeśli cząsteczki cAMP są oddzielone od podjednostek regulatorowych, wówczas nieaktywny kompleks kinazy białkowej jest ponownie redukowany do tetrameru, ponieważ następuje asocjacja cząsteczek peptydu katalitycznego i regulatorowego. Zatem powyższe sposoby regulacji aktywności enzymów zapewniają ich odwracalny charakter.

Chemiczna regulacja aktywności enzymów

Biochemia również badała takie mechanizmy regulacyjneaktywności enzymatyczne, takie jak fosforylacja, defosforylacja. Mechanizm regulacji aktywności enzymu w tym przypadku jest następujący: reszty aminokwasowe enzymu zawierające grupy OH^-zmieniają chemiczną modyfikację z powoduwpływ na nie fosfatazy fosfoproteinowych. W tym przypadku aktywne centrum enzymu nadaje się do korekcji, a dla niektórych enzymów jest to powód, który je aktywuje, a dla innych działa hamująco. Z kolei właściwości katalityczne samych fosfataz fosfoproteinowych są regulowane przez hormon. Na przykład skrobia zwierzęca - glikogen - i tłuszcz między posiłkami są rozkładane w przewodzie pokarmowym, a dokładniej w dwunastnicy pod wpływem glukagonu, enzymu trzustkowego.

Ten proces jest wzmocniony przezfosforylacja enzymów troficznych przewodu pokarmowego. W okresie aktywnego trawienia, kiedy pokarm dostaje się do dwunastnicy z żołądka, dochodzi do nasilenia syntezy glukagonu. Insulina, inny enzym trzustkowy wytwarzany przez komórki alfa wysepek Langerhansa, oddziałuje z receptorem, aktywując mechanizm fosforylacji tych samych enzymów trawiennych.

Częściowa proteoliza

Jak widać, poziomy regulacji aktywności enzymóww komórce są zróżnicowane. W przypadku enzymów zlokalizowanych poza cytozolem lub organellami (w osoczu krwi lub w przewodzie pokarmowym), proces hydrolizy wiązań peptydowych CO-NH służy jako metoda ich aktywacji. Jest to konieczne, ponieważ takie enzymy są syntetyzowane w postaci nieaktywnej. Część peptydowa zostaje odcięta od cząsteczki enzymu, a centrum aktywne ulega modyfikacji w pozostałej strukturze. Prowadzi to do tego, że enzym „wchodzi w stan roboczy”, to znaczy staje się zdolny do wpływania na przebieg procesu chemicznego. Na przykład nieaktywny enzym trzustkowy trypsynogen nie rozkłada białek pokarmowych wchodzących do dwunastnicy. W nim pod działaniem enteropeptydazy zachodzi proteoliza. Po czym enzym jest aktywowany i teraz nazywa się trypsyną. Częściowa proteoliza jest procesem odwracalnym. Występuje w przypadkach, takich jak aktywacja enzymów, które rozkładają polipeptydy podczas krzepnięcia krwi.

Rola stężenia substancji wyjściowych w metabolizmie komórek

Regulacja aktywności enzymów poprzez dostępnośćSubstrat był przez nas częściowo rozważany w podtytule „Kompleks wieloenzymatyczny”. Szybkość reakcji katalitycznych, które zachodzą w kilku etapach, silnie zależy od tego, ile cząsteczek substancji wyjściowej znajduje się w hialoplazmie lub organellach komórkowych. Wynika to z faktu, że tempo szlaku metabolicznego jest wprost proporcjonalne do stężenia substancji macierzystej. Im więcej cząsteczek odczynnika znajduje się w cytozolu, tym wyższa jest szybkość wszystkich kolejnych reakcji chemicznych.

Regulacja allosteryczna

Enzymy, których aktywność nie jest kontrolowanatak zwana regulacja allosteryczna jest nieodłącznie związana tylko ze stężeniem początkowych substancji odczynnikowych, ale także z substancjami efektorowymi. Najczęściej takie enzymy są reprezentowane przez pośrednie produkty przemiany materii w komórce. Dzięki efektom następuje regulacja aktywności enzymów. Biochemia udowodniła, że ​​takie związki, zwane enzymami allosterycznymi, są bardzo ważne dla metabolizmu komórki, ponieważ są niezwykle wrażliwe na zmiany w jej homeostazie. Jeśli enzym hamuje reakcję chemiczną, czyli zmniejsza jej szybkość, nazywany jest efektorem ujemnym (inhibitorem). W odwrotnym przypadku, gdy obserwuje się wzrost szybkości reakcji, mówimy o aktywatorze - efektorze dodatnim. W większości przypadków rolę aktywatorów pełnią substancje wyjściowe, czyli odczynniki wchodzące w interakcje chemiczne. Produkty końcowe powstałe w wyniku wieloetapowych reakcji zachowują się jak inhibitory. Ten rodzaj regulacji, oparty na relacji między stężeniem odczynników i produktów, nazywany jest heterotroficznym.