Регуляция активности ферментов. Особое значение в регуляции метаболизма приобретает регуляция активности ферментов, лимитирующих скорость обменных процессов

Особое значение в регуляции метаболизма приобретает регуляция активности ферментов, лимитирующих скорость обменных процессов. Как правило, несколько реакций метаболического пути катализируются так называемыми скорость лимитирующими ферментами. Эти реакции представляют собой своеобразное “узкое место” процесса. Их скорость определяет скорость процесса в целом (рис. 155). Энзимы, катализирующие подобные реакции, являются “ключевыми” ферментами. Ключевыми ферментами гликолиза являются гексокиназа, фосфофруктокиназа и пируваткиназа, цикла трикарбоновых кислот – цитратсинтаза и изоцитратдегидрогеназа, биосинтеза высших жирных кислот – ацетил-КоА-карбоксилаза и т.д. Из приведенных примеров нетрудно заметить, что к подобным энзимам относятся те из них, которые катализируют начальную реакцию метаболического процесса.

Рисунок 155 – ”Узкое место” метаболического пути

Жирность стрелки на рис 155 отражает скорость каталитического превращения. С наименьшей скоростью идет превращение вещества А в В. Эта реакция представляет собой скорость лимитирующее звено процесса превращения вещества А в конечный продукт

Скорость-лимитирующая реакция метаболического пути, как правило, катализируется аллостерическим ферментом, что определяет дополнительные возможности его регуляции. Особое значение при этом приобретает возможность регуляции ферментативной активности посредством изменения концентрации промежуточных продуктов процесса. Тонкая регуляция обеспечивается с помощью реципрокных (обратных) механизмов, связанных с разнонаправленными эффектами различных промежуточных продуктов обмена в отношении одного и того же фермента (рис. 156).

Рисунок 156 – Механизм реципрокной регуляции гликолиза и глюконеогенеза

(АМФ выступает в роли активатора фосфофруктокиназы (ФФК)

и ингибитора фруктозо-1,6-дифосфатазы (ФДФазы))

Реципрокный механизм регуляции может быть проиллюстрирован на примере регуляции процессов гликолиза и глюконеогенеза. В роли активатора ключевого фермента гликолиза фосфофруктокиназы выступает продукт пирофосфоролитического гидролиза АТФ – АМФ. Тот же самый АМФ является ингибитором ключевого фермента глюконеогенеза фруктозо-1,6-дифосфатазы. С другой стороны, АТФ проявляет свойства ингибитора фосфофруктокиназы.

Координированные регуляторные эффекты адениловых нуклеотидов на активность ключевых ферментов гликолиза и глюконеогенеза позволяют обеспечивать тонкую регуляцию энергетического обмена. В условиях понижения уровня энергетического обеспечения клетки, когда в ней уменьшается содержание АТФ и возрастает концентрация продуктов его распада (АМФ и АДФ), с одной стороны, усиливается продукция АТФ в процессе гликолиза, а с другой, понижается интенсивность глюконеогенеза, процесса, связанного с потреблением большого количества макроэргических фосфатов.

Важное значение в регуляции активности ключевых ферментов приобретают:

· ретроингибирование– ингибирование фермента продуктом реакции или продуктом метаболического процесса. Примером ретроингибирования может служить ингибирование гексокиназы глюкозо-6-фосфатом, цитратсинтазы – сукцинил-КоА, ацетил-КоА-карбоксилазы – пальмитиновой кислотой и др. (рис. 157).

Рисунок 157 – Ретроингибирование в регуляции превращений в

цикле трикарбоновых кислот.

Лимонная кислота (цитрат) выступает в роли ингибитора цитратсинтазы, сукцинил-КоА – в роли ингибитора α-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса и цитратсинтазы;

· субстратная стимуляция – активация фермента субстратом. Примером субстратной активации может служить активация цитратсинтазы оксолоацетатом или ацетил-КоА-карбоксилазы – ацетил-коэнзимом А.

Регуляторные воздействия на ферменты позволяют поддерживать стационарную концентрацию промежуточных и конечных продуктов обмена веществ в клетках и, таким образом, обеспечивать поддержание гомеостаза (постоянство внутренней среды организма).

Помимо активаторов и ингибиторов, оказывающих прямое воздействие на каталитические свойства ферментов, важную роль в регуляции активности энзимов приобретает механизм ковалентной модификации их полипептидной цепи. Присоединение к аминокислотным остаткам, включенным в состав молекулы фермента различных функциональных групп (фосфатной, ацильной, карбоксильной и др.), приводит к изменению конформации полипептидной цепи. В результате этого возникают конформационные перестройки в структуре активного центра и, как следствие того – изменение активности фермента.

Наиболее широкое распространение из возможных путей ковалентной модификации приобретает фосфорилирование. Как правило, в качестве донора фосфатной группы выступает молекула АТФ. Присоединение же фосфорной кислоты происходит по остаткам тирозина, треонина и серина. Регуляция активности ферментов путем их фосфорилирования обеспечивается существованием комплекса регуляторных ферментов, к числу которых относятся киназы и фосфатазы.

Иллюстрацией роли фосфорилирования в регуляции обменных процессов является регуляция окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты (рис. 89), фосфоролиза гликогена, липолиза и многих др.

Процесс окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты играет ключевую роль в регуляции энергетического обмена. Это связано с тем, что он выступает в роли основного поставщика ацетил-КоА для окислительно-восстановительных процессов, связанных с тканевым дыханием. В этой связи неудивительно, что именно концентрация АТФ оказывает решающее значение в его регуляции. В условиях высокого уровня энергетического обеспечения клетки, для которого характерно высокое содержание АТФ, пируватдегидрогеназа фосфорилируется и утрачивает свои каталитические свойства (ингибируется). В результате этого понижается скорость окислительного декарбоксилирования пирувата и снижается субстратное обеспечение цикла трикарбоновых кислот, что предопределяет уменьшение скорости образования АТФ.

При понижении уровня энергетического обеспечения клетки в ней снижается концентрация АТФ и, наоборот, возрастает концентрация продуктов его гидролиза (АМФ и АДФ). При этом происходит активация фермента фосфатазы пируватдегидрогеназы. Данный энзим обеспечивает гидролитическое отщепление остатка фосфорной кислоты от пируватдегидрогеназы и тем самым ее активацию.

Регуляция синтеза ферментов

Важное значение в регуляции обменных процессов в организме приобретает регуляция синтеза ферментов. Этот механизм реализуется через регуляцию скорости экспрессии генов.

Особое значение в регуляции синтеза ферментов приобретают следующие процессы:

· субстратная индукция. Увеличение внутриклеточной концентрации некоторых субстратов способствует стимуляции транскрипции генов ферментов, участвующих в их утилизации. За счет этого при повышении концентрации субстрата в клетке формируются условия для повышения скорости его катаболизма. В качестве примера явления субстратной индукции можно привести индукцию альдегидредуктазы альдегидами.

· гормональная индукция. Регуляторный эффект действия целого ряда гормонов на обмен веществ обусловлен их свойством оказывать стимулирующее влияние на экспрессию генов ферментов. Механизм гормональной индукции белков ранее уже обсуждался при рассмотрении первичных регуляторных эффектов стероидных гормонов. Под контролем разных гормонов находится синтез разных энзимов. Так, стероидные гормоны контролируют синтез ключевых ферментов глюконеогенеза, тиреоидные – энзимов, принимающих участие в биоэнергетических процессах и т.д.