Кіріспе
Регуляторлық фермент – биохимиялық жолдың ішіндегі, басқа биомолекулалардың болуына реакция жасай отырып, жолдың активтілігін реттейтін фермент. Мұндай реттеу әсіресе өнімдері әртүрлі уақытта әртүрлі мөлшерде қажет болатын жолдар үшін тән, мысалы, гормон өндірісі сияқты. Регуляторлық ферменттер жоғары концентрацияда (төмен Vmax) кездеседі, сондықтан олардың активтілігі субстрат концентрациясының өзгеруіне байланысты арта немесе кемеді.
Химилық реакцияларды қайта-қайта катализдейтін ферменттер де регуляторлық ферменттер деп аталады.
Шолу
Жалпы алғанда, гиперболалық құрылымды ақуыз белгілі бір орта жағдайларында өз міндетін орындауға дайын, яғни белсенді, бірақ кейбір метаболизм жолдарының реттелуіне нақты деактивациялар жауапты болады. Регуляторлық ферменттер көбінесе көпферментті жүйедегі алғашқы фермент болып табылады: бірінші фермент катализдейтін реакцияның өнімі екінші фермент үшін субстратқа айналады, сондықтан жасуша жолдың бірінші ферментінің активтілігін реттеу арқылы түзілетін өнімнің мөлшерін бақылай алады. Регуляторлық ферменттерді белсенділендіру және деактивациялаудың көптеген стратегиялары бар. Регуляторлық ферменттерге қосымша белсенділендіру процесі қажет, және функционалды болу үшін олардың үш өлшемді құрылымында өзгерістер болуы керек, мысалы, катализдейтін ферменттер (регуляторлық ферменттер). Осы катализдейтін ферменттердің белсенділігін реттеу реакция жылдамдығын толығымен бақылау үшін қажет, осылайша кез келген уақытта қажетті өнім мөлшерін алуға болады, бұл реттегіш ферменттердің биологиялық маңыздылығын көрсетеді. Сондықтан, реттегіш ферменттер бақыланатын белсенділігі арқылы екі түрге бөлінеді: аллостериялық ферменттер және коваленттік түрлендірілген ферменттер; алайда, фермент реттелудің екі түрін де біріктіре алады.
Қайта байланыс ингибициясы
Кейбір мультифермент жүйелерінде фермент, жасушаның қажеттілігінен асып кеткенде, соңғы өніммен тежеледі. Осылайша, реакцияның жылдамдығы жасушаға қажетті өнімнің мөлшерімен реттеледі (қажеттілік неғұрлым төмен болса, реакция соғұрлым баяулайды). Кері байланыс тежелуі – ақуыздардың маңызды функцияларының бірі. Кері байланыс тежелуінің арқасында жасуша өнімнің мөлшері өмірлік қызметіне жеткілікті ме, әлде жетіспейді ме (немесе артық көлемде ме) екенін анықтай алады. Жасуша осындай жағдайға автоматты түрде ден қойып, өнімнің мөлшерімен байланысты мәселені шеше алады. Адам жасушаларындағы кері байланыс тежелуінің мысалы – аконитаза ақуызы (цитратты изоцитратқа катализдейтін фермент). Жасушаға темір қажет болғанда, бұл фермент темір молекуласын жоғалтады және құрылымы өзгереді. Осы кезде аконитаза IRPF1-ге айналады, ол трансляцияны тежегіш немесе мРНҚ тұрақтандырғыш болып табылады, темір байланыстыратын ақуыздардың түзілуін тежейді және жасуша қорындағы темірді алуға қабілетті ақуыздардың түзілуін күшейтеді.
Ковалентті модуляцияланған ферменттер
Бұл жерде ферменттердің белсенді және белсенді емес түрлері өз құрылымының коваленттік модификациялануы нәтижесінде өзгереді, бұл өзгеріс басқа ферменттермен катализделеді. Бұл реттеу түрі ферменттік ақуызға қосылатын немесе алынатын кейбір молекулаларды қосудан немесе жоюдан тұрады. Модификаторлар ретінде ең маңызды топтар – фосфат, метил, уридин, аденозин және аденозин дифосфат рибозил. Бұл топтар басқа ферменттер арқылы ақуызға қосылады немесе одан алынып тасталады. Ең маңызды коваленттік модификация – фосфорилирлеу. Серин, треонин және тирозин – коваленттік модификацияларға қатысатын және ферменттердің катализдік белсенділігін реттеу үшін қолданылатын жиі кездесетін аминқышқылдары. Киназалар мен фосфатазалар – бұл модификацияларға әсер ететін және нәтижесінде субстратқа байланысу қабілетінің конформациялық күйлерінің өзгеруіне алып келетін ферменттер.
Фосфорилирлеу
Фосфорилирлеу – бұл белоктарға фосфат топтарын қосу, және бұл біздің жасушаларымыздағы ең жиі кездесетін реттеуші модификация механизмі. Бұл процесс прокариоттық және эукариоттық жасушаларда жүзеге асады (осындай жасушаларда белоктардың үштен бірі немесе жартысы фосфорилирлеуге ұшырайды). Осының жиілігіне байланысты, фосфорилирлеу жасушалардағы реттеу жолдары үшін маңызды рөл атқарады. Ферментке фосфорил тобын қосу киназа ферменттерімен катализделеді, ал осы топты жою – фосфатаза ферменттерімен катализделеді. Фосфорилирлеудің реттеу механизмі ретінде жиі кездесуі, фосфорилданған түйіннен дефосфорилданған түйінге оңай өтуге байланысты. Фосфорилирлеу немесе дефосфорилирлеу ферментті жасушаға реакция қажет болған кезде ғана функционалды етеді. Реакцияның кинетикасын реттейтін фосфорил топтарын қосу нәтижесінде туындайтын әсерлерді екі топқа бөлуге болады: Фосфорилирлеу ферменттің конформациясын белсенді немесе белсенді емес күйге өзгертеді (мысалы, гликоген фосфорилазасын реттеу). Әрбір фосфат тобында екі теріс заряд болады, сондықтан осы топты қосу ферменттің конформациясында маңызды өзгерістер тудыруы мүмкін. Фосфат оң зарядталған аминқышқылдарын тарту арқылы немесе теріс зарядталған аминқышқылдарымен итеркіс әрекеттесулерді тудыру арқылы конформацияны өзгерте алады. Бұл өзара әрекеттесулер ферменттің конформациясы мен функциясын өзгертеді. Фосфатаза ферменті фосфат топтарын алып тастағанда, фермент бастапқы конформациясына оралады. Фосфорилирлеу ферменттің субстратқа деген туыстығын өзгертеді (мысалы, изоцитрат дегидрогеназаның фосфорилирлеуі субстраттың белсенді орталыққа байланысуын тежейтін электростатикалық итеркіс күшін тудырады). Фосфорилирлеу ферменттің белсенді орталығында жүзеге асуы мүмкін. Бұл белсенді орталықтың конформациясын өзгертіп, субстратты тануына немесе тана алмауына әкелуі мүмкін. Сондай-ақ, иондалған фосфат субстраттың кейбір бөліктерін тартып, ферментке байланысуына мүмкіндік береді. Фосфорилирлеу және дефосфорилирлеу жасуша күйіндегі өзгерістер туралы ескертетін сигналдарға жауап ретінде жүзеге асуы мүмкін. Яғни, реттегіш ферменттер қатысатын кейбір жолдар белгілі бір сигналдан кейін – жасушадағы өзгерістен кейін фосфорилирлеу арқылы реттеледі. Кейбір ферменттер бірнеше орында фосфорилирленуі мүмкін. Белоктың бір бөлігінде фосфорил тобының болуы ферменттің бүктелуіне (бұл белокты киназалық белоктарға көбірек немесе азырақ қолжетімді ете алады) және басқа фосфорил топтарының жақын орналасуына байланысты болуы мүмкін.
Phosphorylation changes the conformation of an enzyme to a more active or inactive way (e. g. regulation of glycogen phosphorylase). Each phosphate group contains two negative charges, so the addition of this group can cause an important change in the conformation of the enzyme. The phosphate can attract positively charged amino acids or create repulsive interactions with negatively charged amino acids. These interactions can change the conformation and the function of the enzyme. When a phosphatase enzyme removes the phosphate groups, this enzyme returns to its initial conformation. Phosphorylation modifies the affinity of the enzyme to the substrate (e. g. phosphorylation of isocitrate dehydrogenase creates electrostatic repulsion which inhibits the union of the substrate to the active center). Phosphorylation can take place in the active center of the enzyme. It can change the conformation of this active center, so it can recognize the substrate or not. Also, the ionized phosphate can attract some parts of the substrate, which can join to the enzyme. Phosphorylation and dephosphorylation may take place as a result of the response to signals that warn about a change in the cell state. This means that some pathways where regulatory enzymes participate are regulated by phosphorylation after a specific signal: a change in the cell. Some enzymes can be phosphorylated in multiple sites. The presence of a phosphoryl group in a part of a protein may depend on the folding of the enzyme (which can make the protein more or less accessible to kinase proteins) and the proximity of other phosphoryl groups.