Введение

Регулирующий фермент – это фермент в биохимическом пути, который посредством своей реакции на присутствие определенных других биомолекул регулирует активность этого пути. Обычно это происходит в путях, продукты которых могут требоваться в различном количестве в разное время, например, при производстве гормонов. Регулирующие ферменты присутствуют в высоких концентрациях (имеют низкую Vmax), что позволяет увеличивать или уменьшать их активность при изменении концентрации субстрата.

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

Обзор

Как правило, считается, что гиперболически структурированный белок в определенных условиях среды готов выполнять свою функцию, то есть активен, однако некоторые специфические механизмы деактивации отвечают за регуляцию определенных метаболических путей. Регулирующие ферменты обычно являются первым ферментом в мультиферментной системе: продукт реакции, катализируемой первым ферментом, служит субстратом для второго фермента, таким образом, клетка может контролировать количество конечного продукта, регулируя активность первого фермента в данном пути. Существует множество стратегий активации и деактивации регулирующих ферментов. Для того чтобы стать функциональными, например, каталитическими ферментами (регулирующими ферментами), регулирующие ферменты требуют дополнительного процесса активации и должны претерпеть определенные модификации в своей трехмерной структуре. Регулирование активации этих каталитических ферментов необходимо для контроля общей скорости реакции, чтобы в любой момент времени можно было получить требуемое количество продукта, что и определяет биологическую значимость регулирующих ферментов. Таким образом, регулирующие ферменты, благодаря контролируемой активации, подразделяются на два типа: аллостерические ферменты и ферменты, подвергающиеся ковалентной модификации; однако, один и тот же фермент может использовать оба типа регуляции.

Ингибирование обратной связи

В некоторых мультиферментных системах фермент ингибируется конечным продуктом, когда его концентрация превышает потребности клетки. Таким образом, скорость реакции может регулироваться количеством продукта, необходимого клетке (чем ниже потребность, тем медленнее протекает реакция). Ингибирование обратной связью – одна из важнейших функций белков. Благодаря ингибированию обратной связью клетка способна определять, достаточно ли произведено продукта для её жизнедеятельности, или наблюдается его недостаток (либо избыток). Клетка может реагировать на подобные ситуации автоматически и решать проблему с количеством продукта. Примером ингибирования обратной связью в клетках человека является белок аконитаза (фермент, катализирующий изомеризацию цитрата в изоцитрат). Когда клетке требуется железо, этот фермент теряет молекулу железа и изменяет свою форму. В этом случае аконитаза превращается в IRPF1 – репрессор трансляции или стабилизатор мРНК, который подавляет синтез белков, связывающих железо, и способствует образованию белков, способных извлекать железо из запасов клетки.

Ковалентномодулированные ферменты

Здесь активная и неактивная формы ферментов изменяются из-за ковалентной модификации их структуры, которая катализируется другими ферментами. Этот тип регуляции заключается в добавлении или удалении определенных молекул, способных присоединяться к белку фермента. Наиболее важными группами, выступающими в качестве модификаторов, являются фосфат, метил, уридин, аденин и аденозиндифосфатрибоза. Эти группы присоединяются к белку или удаляются из него другими ферментами. Наиболее значимой ковалентной модификацией является фосфорилирование. Серин, треонин и тирозин – распространенные аминокислоты, участвующие в ковалентных модификациях и используемые для контроля каталитической активности ферментов. Киназы и фосфатазы – хорошо известные ферменты, влияющие на эти модификации, что приводит к изменению конформационных состояний и, как следствие, сдвигу аффинности к субстрату.

Фосфорилирование

Фосфорилирование – это присоединение фосфатных групп к белкам, являющееся наиболее распространенным регуляторным механизмом модификации в наших клетках. Этот процесс происходит в прокариотических и эукариотических клетках (в этом типе клеток третья или половина белков подвергаются фосфорилированию). Благодаря своей частоте, фосфорилирование играет важную роль в регуляторных путях клеток. Присоединение фосфорильной группы к ферменту катализируется киназами, а удаление этой группы – фосфатазами. Высокая частота фосфорилирования как регуляторного механизма обусловлена легкостью перехода между фосфорилированной и дефосфорилированной формами. Фосфорилирование или дефосфорилирование обеспечивают функциональность фермента именно тогда, когда клетке необходима реакция. Эффекты, вызываемые присоединением фосфорильных групп и регулирующие кинетику реакции, можно разделить на две группы:
Фосфорилирование изменяет конформацию фермента, делая его более активным или неактивным (например, регуляция гликогенфосфорилазы). Каждая фосфатная группа несет два отрицательных заряда, поэтому ее присоединение может вызывать значительные изменения в конформации фермента. Фосфат может притягивать положительно заряженные аминокислоты или создавать отталкивающие взаимодействия с отрицательно заряженными аминокислотами. Эти взаимодействия могут изменять конформацию и функцию фермента. Когда фермент фосфатаза удаляет фосфатные группы, фермент возвращается к своей исходной конформации. Фосфорилирование изменяет аффинность фермента к субстрату (например, фосфорилирование изоцитратдегидрогеназы создает электростатическое отталкивание, ингибирующее связывание субстрата с активным центром). Фосфорилирование может происходить в активном центре фермента, изменяя его конформацию и, следовательно, способность распознавать субстрат. Кроме того, ионизированный фосфат может притягивать определенные части субстрата, способствуя его связыванию с ферментом. Фосфорилирование и дефосфорилирование могут происходить в ответ на сигналы, указывающие на изменение состояния клетки. Это означает, что некоторые пути, в которых участвуют регуляторные ферменты, регулируются фосфорилированием после получения определенного сигнала – в ответ на изменение в клетке. Некоторые ферменты могут фосфорилироваться в нескольких участках. Наличие фосфорильной группы в определенной части белка может зависеть от его укладки (которая может сделать белок более или менее доступным для киназ) и близости других фосфорильных групп.