Регуляция активности ферментов

1. Изменение количества фермента – в результате увеличения или снижения синтеза, например:

· исчезновение пищеварительных ферментов при длительном голодании и их появление в восстановительный период,

· при беременности и родах в молочной железе активируется синтез фермента лактозосинтазы,

· этанол, барбитураты стимулируют синтез «своего» изофермента цитохрома Р450 в печени, который обезвреживает спирт.

Увеличение или снижение синтеза фермента обычно зависит от наличия субстрата и/или количества определенных гормонов.

2. Доступность субстрата (или кофермента), т.е. закон действия масс – увеличение количества одного из субстратов сдвигает равновесие реакции или начинает ее.

Например, для цикла трикарбоновых кислот таким субстратом является щавелевоуксусная кислота (оксалоацетат).

3. Компартментализация – сосредоточение ферментов и их субстратов в одном компартменте (одной органелле) – в эндоплазматическом ретикулуме, митохондриях, лизосомах.

Например, b-окисление жирных кислот протекает в митохондриях, синтез белка – в рибосомах.

4. Ограниченный протеолиз проферментов – синтез ферментов осуществляется в виде предшественника (трипсиноген, пепсиноген, фибриноген), который при поступлении в нужное место активируется через отщепление от него одного или нескольких пептидных фрагментов.

Секреция ряда ферментов за пределы клетки в неактивном состоянии позволяет предохранить клетки от повреждения (пищеварительные ферменты) или сохранить белок до наступления определенного момента (фибриноген, белки комплемента).

5. Наличие изоферментов. Изоферменты – это молекулярные формы одного и того же фермента, возникшие в результате небольших генетических различий в первичной структуре фермента. Различные изоферменты определяют скорость и направление реакции благодаря разному сродству к субстрату.

Например, существует пять изоферментов лактатдегидрогеназы, фермента, участвующего в обмене глюкозы. Лактатдегидрогеназа-1 (ЛДГ-1) присутствует в миокарде, обладает высоким сродством к молочной кислоте, лактатдегидрогеназа-5 (ЛДГ-5) – находится в печени и скелетных мышцах, обладает низким сродством к лактату. Благодаря этому различию, в скелетных мышцах, несущих ЛДГ-5, часть энергии, особенно в бескислородных условиях, образуется при превращении глюкозы через пируват в лактат. Миокард может использовать для получения энергии молочную кислоту, захватываемую из крови, но только в аэробных условиях.

Дополнение

В отсутствие кислорода пировиноградная кислота накапливается в сердечной мышце, т.к. в воду и углекислый газ превратиться не может и, в тоже время, ЛДГ-1 не позволяет ей существенно превращаться в лактат. В результате токсичный пируват начинает повреждать внутриклеточные структуры и сердечная клетка погибает, развивается инфаркт миокарда. В скелетной мышце при отсутствии кислорода пируват превращается в молочную кислоту, которая быстро покидает миоцит. Мышца, хоть и не в состоянии работать долго в таких условиях, все-таки сохраняет жизнеспособность.

6. Формирование мультиферментных комплексов – комплекс нескольких ферментов (например, Е₁, Е₂, Е₃), осуществляющих ряд последовательных реакций. Благодаря таким комплексам значительно ускоряется скорость превращения молекул.

Например, пируватдегидрогеназный комплекс, a‑кетоглутаратдегидрогеназный комплекс, комплекс под названиями синтаза жирных кислот или пальмитатсинтаза.

7. Ковалентная (химическая) модификация – обратимое присоединение или отщепление определенной группы, благодаря которому изменяется активность фермента. Чаще всего такой группой является фосфорная кислота, реже метильные и ацетильные группы. Фосфорилирование фермента происходит по остаткам серина, треонина, тирозина.

Ферменты могут быть активны как в фосфорилированном, так и в нефосфорилированном состоянии. Например, гликогенфосфорилаза и гликогенсинтаза.

8. Аллостерическая регуляция

Аллостерические ферменты построены из двух и более субъединиц: часть субъединиц формирует каталитический центр, другая часть является регуляторной. Присоединение эффектора к регуляторной части изменяет конформацию белка и активность каталитической субъединицы. В качестве эффектора обычно выступает продукт данной или последующих реакций, но может быть субстрат реакции или какое-то иное вещество. Например, цАМФ для протеинкиназы.

Аллостерическими ферментами часто являются ферменты, стоящие в начале метаболических путей и от их активности зависит течение многих последующих реакций.

Например, фосфофруктокиназа регулируется НАД, лимонной кислотой, АТФ, фруктозо-1,6-дифосфатом, АДФ, АМФ.