Регуляторный фермент

— Регуляторный фермент это фермент биохимического регулирует активность этого пути пути , который посредством реакции на присутствие определенных других биомолекул . Обычно это делается для путей, продукты которых могут быть необходимы в разных количествах в разное время, например, для производства гормонов . Регуляторные ферменты существуют в высоких концентрациях (низкий Vmax), поэтому их активность может увеличиваться или уменьшаться при изменении концентрации субстрата.

Ферменты, которые многократно катализируют химические реакции, называются регуляторными ферментами.

Обзор

Обычно считается, что белок с гиперболической структурой в определенных условиях среды готов выполнять свою задачу, он активен, но за регуляцию некоторых путей метаболизма отвечает некоторая специфическая дезактивация. Регуляторные ферменты обычно являются первым ферментом в мультиферментной системе: продукт реакции, катализируемой первым ферментом, является субстратом второго фермента, поэтому клетка может контролировать количество образующегося продукта, регулируя активность первого фермента мультиферментной системы. путь.

Существует множество стратегий активации и деактивации регуляторных ферментов. Регуляторные ферменты требуют дополнительного процесса активации и должны пройти некоторые модификации в своем 3D, чтобы стать функциональными, например, катализирующие ферменты (регуляторные ферменты). Регуляция активации этих катализирующих ферментов необходима для того, чтобы регулировать всю скорость реакции, чтобы можно было в любой момент получить необходимое количество продукта, что придает регуляторным ферментам биологическое значение . Следовательно, регуляторные ферменты по своей контролируемой активации делятся на два типа: аллостерические ферменты и ковалентно модулированные ферменты; однако фермент может сочетать оба типа регуляции.

Аллостерические ферменты

Этот тип ферментов имеет два сайта связывания: субстрат фермента и эффекторы . Эффекторы — это небольшие молекулы, которые модулируют активность фермента; они функционируют посредством обратимого нековалентного связывания регуляторного метаболита в аллостерическом сайте (который не является активным сайтом). Связавшись, эти метаболиты не участвуют непосредственно в катализе , но они все равно необходимы: приводят к конформационным изменениям в конкретной части фермента. Эти изменения влияют на общую конформацию активного центра, вызывая изменения в активности реакции . ^[1]

Характеристики

Аллостерические ферменты обычно больше по массе, чем другие ферменты. В отличие от фермента с одной субъединицей, в этом случае они состоят из нескольких субъединиц, которые содержат активные центры и сайты связывания регуляторных молекул.

Они представляют особую кинетику: сотрудничество . Здесь изменения конфигурации в каждой цепи белка усиливают изменения в других цепях. Эти изменения происходят на третичном и четвертичном уровнях организации.

В зависимости от модуляции их можно разделить на две группы:

Гомотропные аллостерические ферменты : субстрат и эффектор играют роль в модуляции фермента, что влияет на каталитическую активность фермента.
Гетеротропные аллостерические ферменты : роль модуляции выполняет только эффектор.

Подавление обратной связи

В некоторых мультиферментных системах фермент ингибируется конечным продуктом всякий раз, когда его концентрация превышает потребности клетки. Итак, скорость реакции можно контролировать количеством продукта, необходимого клетке (чем ниже потребность, тем медленнее идет реакция).

Торможение по принципу обратной связи — одна из важнейших функций белков. За счет торможения по обратной связи клетка способна узнать, достаточно ли количества продукта для ее существования или продукта не хватает (или продукта слишком много). Клетка способна механически отреагировать на такого рода ситуацию и решить проблему количества продукта. Примером ингибирования по принципу обратной связи в клетках человека является белок аконитаза (фермент, катализирующий изомерацию цитрата в изоцитрат). Когда клетка нуждается в железе, этот фермент теряет молекулу железа и ее форма меняется. Когда это происходит, аконитаза преобразуется в IRPF1 , репрессор трансляции или стабилизатор мРНК, который подавляет образование железосвязывающих белков и способствует образованию белков, которые могут получать железо из резерваций клетки. ^[1]^[2]

Ковалентно модулированные ферменты

При этом активная и неактивная форма ферментов изменяются вследствие ковалентной модификации их структур, катализируемой другими ферментами. Этот тип регуляции заключается в добавлении или удалении некоторых молекул, которые могут быть присоединены к белку-ферменту. Наиболее важными группами, которые действуют как модификаторы, являются фосфат, метил, уридин, аденин и аденозиндифосфатрибозил. Эти группы присоединяются к белку или удаляются из него другими ферментами. Наиболее примечательной ковалентной модификацией является фосфорилирование .Серин, треонин и тирозин — распространенные аминокислоты, которые участвуют в ковалентных модификациях и используются для контроля каталитической активности ферментов. Киназа и фосфатазы являются общеизвестными ферментами, которые влияют на эти модификации, приводящие к сдвигу конформационных состояний сродства связывания с субстратом.

фосфорилирование

Фосфорилирование — это добавление фосфатных групп к белкам, которое является наиболее частым механизмом регуляторной модификации в наших клетках. Этот процесс происходит в прокариотических и эукариотических клетках (в клетках этого типа фосфорилируется треть или половина белков). Из-за своей частоты фосфорилирование имеет большое значение в регуляторных путях в клетках.

Присоединение фосфорильной группы к ферменту катализируется ферментами киназами , а отщепление этой группы — ферментами фосфатазами . Частота фосфорилирования как регуляторного механизма обусловлена легкостью перехода от фосфорилированной формы к дефосфорилированной форме.

Фосфорилирование или дефосфорилирование заставляют фермент функционировать в тот момент, когда клетка нуждается в реакции. Эффекты, вызываемые добавлением фосфорильных групп, регулирующих кинетику реакции, можно разделить на две группы:

Фосфорилирование изменяет конформацию фермента в более активную или неактивную сторону (например, регуляция гликогенфосфорилазы ). Каждая фосфатная группа содержит два отрицательных заряда, поэтому добавление этой группы может вызвать важное изменение конформации фермента. Фосфат может притягивать положительно заряженные аминокислоты или создавать отталкивающие взаимодействия с отрицательно заряженными аминокислотами. Эти взаимодействия могут изменить конформацию и функцию фермента. Когда фермент фосфатаза удаляет фосфатные группы, этот фермент возвращается к своей исходной конформации.
Фосфорилирование изменяет сродство фермента к субстрату (например, фосфорилирование изоцитратдегидрогеназы создает электростатическое отталкивание, которое ингибирует соединение субстрата с активным центром). Фосфорилирование может происходить в активном центре фермента. Он может изменить конформацию этого активного центра, поэтому он может распознавать субстрат или нет. Кроме того, ионизированный фосфат может притягивать некоторые части субстрата, которые могут присоединиться к ферменту.

Фосфорилирование и дефосфорилирование могут происходить в результате ответа на сигналы, предупреждающие об изменении состояния клетки. Это означает, что некоторые пути, в которых участвуют регуляторные ферменты, регулируются фосфорилированием после определенного сигнала: изменения в клетке.

Некоторые ферменты могут фосфорилироваться в нескольких местах. Наличие фосфорильной группы в части белка может зависеть от сворачивания фермента (что может сделать белок более или менее доступным для киназных белков) и близости других фосфорильных групп. ^[1]^[3]^[4]

Протеолиз

Химотрипсиноген (предшественник химотрипсина). Красным цветом обозначен остаток ILE16, а зеленым — остаток ARG15, оба участвующие в активации фермента. Темно-синим цветом выделен остаток ASP 194, который позже будет взаимодействовать с ILE 16.

Некоторым ферментам необходимо пройти процесс созревания, чтобы активироваться. предшественник (неактивное состояние, более известное как зимоген Сначала синтезируется ), а затем путем разрезания некоторых специфических пептидных связей (ферментативный катализ путем гидролитического селективного расщепления) его 3D-конформация сильно модифицируется до каталитического функционального состояния, получая активный фермент.

Протеолиз является необратимым и обычно неспецифическим процессом. Один и тот же активатор может модулировать различные регуляторные ферменты: как только трипсин активируется, он активирует многие другие гидролитические ферменты. Протеолиз также может быть быстрым и простым, поэтому гидролиза одной пептидной связи может быть достаточно, чтобы изменить конформацию белка и создать активную зону, обеспечивающую взаимодействие между ферментом и субстратом, например, химотрипсина активацию (поскольку он может видно на изображениях).

Множество различных типов белков, играющих разную роль в метаболизме, активируются в результате протеолиза по важным причинам:

Мощные гидролитические ферменты, например, пищеварительные ферменты, активируются в результате протеолиза, поэтому мы можем гарантировать, что они не смогут гидролизовать какой-либо нежелательный белок, пока тот не попадет в нужное место: гидролизующие протеиновые зимогены синтезируются в поджелудочной железе и накапливаются в везикулах, где и остаются. безвреден. Когда они необходимы, какой-либо гормональный или нервный стимул вызывает высвобождение зимогенов прямо в кишечник, и они активируются.
Некоторые возможные реакции должны быть немедленными, поэтому ферменты, катализирующие эти реакции, должны быть подготовлены, но не активны, по этой причине зимоген синтезируется и остается готовым к быстрой активации. Реакция коагуляции основана на созревании ферментативного каскадного протеолиза. Таким образом, активируя один первый катализирующий фермент, активируется большое количество следующих ферментов, и необходимое количество продукта достигается по мере необходимости.
Белки соединительной ткани, такие как коллаген (зимоген: проколаген), гормоны, такие как инсулин (зимоген: проинсулин), а также белки, участвующие в процессах развития и апоптозе (запрограммированной гибели клеток), также активируются путем протеолиза.

Протеолиз необратим, что предполагает необходимость процесса дезактивации ферментов. Специфические ингибиторы, аналогичные субстрату, прочно присоединяются к ферменту, блокируя присоединение субстрата к ферменту. Этот союз может длиться месяцами. ^[1]^[5]

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Нельсон, Д.Л.; Кокс, ММ (2009). Ленингер: Принципы биохимии (5-е изд.). Барселона: Омега. стр. 220–228. ISBN 978-84-282-1486-5 .
^ Копли, SD (июль 2012 г.). «Подработка по совместительству является мейнстримом: требуется корректировка парадигмы». Биоэссе . 34 (7): 578–588. doi : 10.1002/bies.201100191 . ПМИД 22696112 .
^ Альбертс, Б; Джонсон, А. (2008). Молекулярная биология клетки (5-е изд.). Нью-Йорк: Garland Science (GS). стр. 175–176. ISBN 978-0-8153-4106-2 .
^ Мюррей, РК; Бендер, ДА; Ботам, КМ; Кеннели, ПиДжей; Родвелл, VW; Вейл, Пенсильвания (2010). Харпер. Иллюстрированная биохимия (28-е изд.). Мексика DF: Мак Гроу Хилл. стр. 80–81. ISBN 978-0-07-162591-3 .
^ Страйер, Л; Берг, Дж. М.; Тимочко, Дж. Л. (2012). Биохимия (Седьмое изд.). Нью-Йорк: Пэлгрейв, Макмиллан. стр. 312–324. ISBN 978-1-4292-7635-1 .

[Lehninger-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Нельсон, Д.Л.; Кокс, ММ (2009). Ленингер: Принципы биохимии (5-е изд.). Барселона: Омега. стр. 220–228. ISBN 978-84-282-1486-5 .

[2] Копли, SD (июль 2012 г.). «Подработка по совместительству является мейнстримом: требуется корректировка парадигмы». Биоэссе . 34 (7): 578–588. doi : 10.1002/bies.201100191 . ПМИД 22696112 .

[3] Альбертс, Б; Джонсон, А. (2008). Молекулярная биология клетки (5-е изд.). Нью-Йорк: Garland Science (GS). стр. 175–176. ISBN 978-0-8153-4106-2 .

[4] Мюррей, РК; Бендер, ДА; Ботам, КМ; Кеннели, ПиДжей; Родвелл, VW; Вейл, Пенсильвания (2010). Харпер. Иллюстрированная биохимия (28-е изд.). Мексика DF: Мак Гроу Хилл. стр. 80–81. ISBN 978-0-07-162591-3 .

[5] Страйер, Л; Берг, Дж. М.; Тимочко, Дж. Л. (2012). Биохимия (Седьмое изд.). Нью-Йорк: Пэлгрейв, Макмиллан. стр. 312–324. ISBN 978-1-4292-7635-1 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]