Enzīmu aktivitātes un to metožu regulēšana

Dzīves vienības būtība, kas darbojas kā atvērtu biosistēmu komplekss, šūna pastāvīgi apmainās ar vielām un enerģiju ar ārējo vidi. Lai tajā uzturētu homeostazi, pastāv īpašu proteīnu grupas vielu grupa - fermenti. Enzīmu aktivitātes struktūra, funkcijas un regulēšana tiek pētīta ar speciālu bioķīmijas nozari, ko dēvē par enzimoloģiju. Šajā rakstā par konkrētiem piemēriem mēs apsvērsim dažādus mehānismus un metodes fermentu aktivitātes regulēšanai, kas ir raksturīgi augstākiem zīdītājiem un cilvēkiem.

Nosacījumi, kas vajadzīgi, lai nodrošinātu optimālu enzīmu aktivitāti

Bioloģiski aktīvās vielas, kas selektīvi ietekmē asimilācijas reakciju un šķelšanos, zināmos apstākļos parāda to katalītiskās īpašības šūnās. Piemēram, ir svarīgi noskaidrot, kurā šūnas daļā notiek ķīmiskais process, kurā piedalās fermenti. Sakarā ar sadrumstalošanos (citoplazma sadalīšanu sekcijās), tās dažādās daļās un organoīdos rodas antagonistiskas reakcijas.

Tādējādi proteīnu sintēze tiek veikta ribosomās, un to sadalīšana - hialoplazmā. Fermentu aktivitātes šūnu regulēšana, kas katalizē pretējās bioķīmiskās reakcijas, nodrošina ne tikai optimālu metabolisma ātrumu, bet arī novērš enerģijas nevajadzīgo metabolisma veidošanos.

Daudzenzīmu komplekss

Fermentu strukturālā un funkcionālā organizācija veido šūnas fermentatīvo aparātu. Lielākā daļa ķīmisko reakciju, kas tajā notiek, ir savstarpēji saistīti. Ja daudzpakāpju ķīmiskajā procesā pirmās reakcijas produkts ir reaģents nākamajai reakcijai, šajā gadījumā fermentu telpiskā izvietošana šūnā ir īpaši izteikta.

Jāatceras, ka fermenti pēc sava rakstura ir vienkārši vai sarežģīti proteīni. Un to jutība pret šūnu substrātu galvenokārt ir saistīta ar peptīda terciāro vai ceturtējās struktūras telpiskās konfigurācijas izmaiņām. Fermenti reaģē arī uz izmaiņām ne tikai šūnu parametros, piemēram, hialoplazmas ķīmiskajā sastāvā, reaģentu un reakcijas produktu koncentrācijā, temperatūrā, bet arī citās šūnās vai starpšūnu šķidrumā.

Kāpēc šūna ir sadalīta nodalījumos

Dzīva rakstura izkārtojuma saprātīgums un loģika ir vienkārši pārsteidzoša. Tas pilnībā attiecas uz šūnu raksturīgajām dzīvības izpausmēm. Pētniecei-ķīmiķim ir pilnīgi skaidrs, ka dažāda virziena fermentatīvās ķīmiskās reakcijas, piemēram, glikozes un glikolīzes sintēze, nevar turpināties vienā un tajā pašā mēģenē. Kā tad, pretēji reakcijām, rodas vienas šūnas hialoplazmā, kas ir viņu rīcības pamatne? Izrādās, ka šūnu saturs - citozols -, kurā tiek veikti antagonisti ķīmiskie procesi, ir telpiski nošķirti un veido izolētus loku nodalījumus. Pateicoties tiem, īpaši precīzi tiek regulētas augstāko zīdītāju un cilvēku vielmaiņas reakcijas, un vielmaiņas produkti tiek pārveidoti formās, kas brīvi iekļūst caur starpsienu starpsienām. Tad viņi atjauno sākotnējo struktūru. Papildus citozolam organellos atrodami arī fermenti: ribosomas, mitohondriji, kodoli, lizosomas.

Enzīmu loma enerģijas vielmaiņas procesā

Apsveriet piruvāta oksidatīvo dekarboksilēšanu. Enzīmu katalītiskās aktivitātes regulēšana tajā ir labi pētīta ar enzimoloģiju. Šis bioķīmiskais process notiek mitohondrijās, eikalato šūnu divvāku membrānas organellās, un tas ir starpposms starp anoksiskā glikozes šķelšanos un Krebs ciklu. Piravāta dehidrogenāzes komplekss - PDH - satur trīs fermentus. Augstākajiem zīdītājiem un cilvēkiem tā samazināšanās notiek, palielinoties Acetyl-CoA un NATH koncentrācijai, tas ir, ja rodas alternatīvas Acetyl-CoA molekulu veidošanās iespējas. Ja šūnai nepieciešama papildu enerģija un nepieciešamas jaunas akceptoru molekulas, lai uzlabotu trikarbonskābes cikla reakcijas, fermenti tiek aktivizēti.

Kas ir alosētiskā inhibīcija

Fermentu aktivitātes regulēšanu var veikt ar īpašām vielām - katalītiskiem inhibitoriem. Tie var kovalenti saistīties ar specifiskiem enzīma lokiem, apejot tā aktīvo centru. Tas noved pie katalizatora telpiskās struktūras deformācijas un automātiski noved pie tā fermentatīvo īpašību samazināšanās. Citiem vārdiem sakot, notiek fermentu aktivitātes alosteriskais regulējums. Mēs arī piebilst, ka šāda veida katalītiska iedarbība ir raksturīga oligomēriem enzīmiem, tas ir, tiem, kuru molekulas sastāv no diviem vai vairākiem polimēru proteīnu apakšvienībām. Iepriekšējā nodaļā apskatītais PDH komplekss satur tieši trīs oligomēru enzīmus: piruvātdehidrogenāzi, dehidrolipoildehidrogenāzi un hidrolilpiola transacetilāzi.

Regulējošie fermenti

Enzimoloģijas pētījumi ir pierādījuši faktu, ka ķīmisko reakciju ātrums ir atkarīgs gan no katalizatora koncentrācijas, gan aktivitātes. Visbiežāk metabolisma ceļi satur galvenos enzīmus, kas regulē reakciju ātrumu visās tās daļās.

Tos sauc par regulējošiem un parasti ietekmē kompleksa sākotnējās reakcijas, kā arī var piedalīties vislēnākos ķīmiskos procesos ar neatgriezeniskām reakcijām vai arī tās pievienojas reaģentiem metabolisma ceļa posmos.

Kā notiek peptīdu mijiedarbība?

Viens no veidiem, kā notiek fermentu aktivitātes regulēšana šūnā, ir olbaltumvielu un olbaltumvielu mijiedarbība. Par ko mēs runājam? Tiek realizēta fermenta molekulas regulējošo olbaltumvielu pievienošana, kā rezultātā notiek aktivācija. Piemēram, enzīmu adenilāta ciklāze atrodas uz šūnu membrānas iekšējās virsmas un var mijiedarboties ar tādām struktūrām kā hormonu receptors, kā arī ar peptīdu, kas atrodas starp to un fermentu. Tā kā starpproteīns pārveido savu telpisko apstiprinājumu hormona un receptora kombinācijas rezultātā, šo metodi adenilāta ciklāļa katalītisko īpašību uzlabošanai bioķīmijā sauc par "aktivāciju regulatīvo olbaltumvielu piestiprināšanas dēļ".

Protomēri un to loma bioķīmijā

Šī vielu grupa, ko sauc par proteīnu kināzes, paātrinās anjona PO ₄ ^3- pārnese uz aminoskābju hidroksilgrupu, kas nonāk peptīdu makromolekulā. Protomēru fermentu aktivitātes regulēšana mūs aplūko ar proteīnkināzes A. piemērs. Tās molekula, tetramere, sastāv no diviem katalītiskajiem un diviem regulējošiem peptīdu subvienojumiem un nedarbojas kā katalizators, kamēr protokola regulatīvajos rajonos nav piestiprinātas četras cAMP molekulas. Tas izraisa regulējošo olbaltumvielu telpiskās struktūras pārveidi, kas izraisa divu aktivēto katalītisko olbaltumvielu daļiņu izdalīšanos, tas ir, notiek protomēru disociācija. Ja cAMP molekulas tiek atdalītas no regulatīvajām apakšvienībām, neaktīvā proteīna kināzes komplekss atkal tiek atjaunots tetrameeram, jo rodas katalītisko un regulējošo peptīdu daļiņu saistība. Tādējādi iepriekš apskatītie fermentu aktivitātes regulēšanas veidi nodrošina to atgriezenisko raksturu.

Ķīmiskais enzīmu aktivitātes regulējums

Bioķīmija ir pētījusi arī tādus mehānismus fermentu aktivitātes regulēšanai kā fosforilēšana, defosforilēšana. Šajā gadījumā fermentu aktivitātes regulēšanas mehānismam ir šāda forma: fermentu, kas satur OH grupas, aminoskābju atlikumi maina to ķīmiskās modifikācijas, ņemot vērā to ietekmi uz fosfoproteīna fosfatāzes. Šajā gadījumā tiek koriģēta fermenta aktīvais centrs, un dažiem fermentiem tas ir iemesls, kas tos aktivizē, bet citiem - inhibitoru. Savukārt pašas fosfoproteīna fosfatāzes katalītiskās īpašības regulē hormons. Piemēram, dzīvnieku cietes - glikogēna un tauku daudzums starp ēdienreizēm tiek sadalīts kuņģa un zarnu traktā, precīzāk, divpadsmitpirkstu zarnā glikagona - aizkuņģa dziedzera fermenta ietekmē.

Šo procesu pastiprina trofisko gremošanas trakta enzīmu fosforilēšana. Aktīvā gremošanas perioda laikā, kad pārtika nāk no kuņģa divpadsmitpirkstu zarnā, tiek uzlabota glikagona sintēze. Insulīns - cits enzīms aizkuņģa dziedzerī, ko ražo Langerhansas alfabēta šūnas, - mijiedarbojas ar receptoru, ieskaitot to pašu gremošanas enzīmu fosforilēšanas mehānismu.

Daļēja proteolīze

Kā redzam, fermentu aktivitātes līmenis šūnā ir daudzveidīgs. Enzīmiem, kas atrodas ārpus citozola vai organoīdiem (asins plazmā vai kuņģa-zarnu traktā), to aktivācijas process ir CO-NH peptīdu saišu hidrolīzes process. Tas ir nepieciešams, jo šādi fermenti tiek sintezēti neaktīvā formā. No fermenta molekulas peptīda daļa tiek nošķelta, un aktīvo centru pakļauj pārējai modifikācijas struktūrai. Tas noved pie tā, ka ferments "nonāk darba stāvoklī", tas ir, tas spēj ietekmēt ķīmiskā procesa gaitu. Piemēram, neaktīvs aizkuņģa dziedzera ferments, tripsinogēns, neizšķīst pārtikas proteīnus, kas nonāk divpadsmitpirkstu zarnā. Tā pakļauti proteolīzei enteropeptidāzes iedarbības ceļā. Pēc tam fermentu aktivizē un tagad sauc par tripsīnu. Daļēja proteolīze ir atgriezenisks process. Tas notiek tādos gadījumos kā enzīmu aktivizēšana, kas šķelina polipeptīdi asinsreces procesos.

Sākumvielu koncentrācijas loma šūnas vielmaiņas procesā

Fermenta aktivitātes regulēšana, pateicoties substrāta pieejamībai, daļēji tika pārbaudīta apakšnodaļā "Daudzenzīmu komplekss". Katalītisko reakciju ātrums, kas iet cauri vairākiem posmiem, lielā mērā ir atkarīgs no tā, cik daudzas sākotnējās vielas molekulas atrodas šūnas hialoplazmā vai organellās. Tas ir saistīts ar faktu, ka metabolisma ceļš ir tieši proporcionāls izejmateriāla koncentrācijai. Jo vairāk reaģentu molekulas atrodas citosolā, jo visās turpmākajās ķīmiskās reakcijās ir lielāks ātrums.

Allosteriskais regulējums

Fermenti, kuru darbību kontrolē ne tikai sākotnējo reaģentu vielu koncentrācija, bet arī efektoru vielas, ir tā saucamais allosētiskais regulējums. Visbiežāk šādus enzīmus apzīmē ar vielmaiņas starpproduktiem šūnā. Pateicoties efektoriem, fermentu aktivitāte tiek regulēta. Bioķīmija ir pierādījusi, ka šādi savienojumi, ko sauc par alosētisko enzīmu, ir ļoti svarīgi šūnu vielmaiņas procesā, jo tiem ir ļoti liela jutība pret pārmaiņām tās homeostāzē. Ja ferments inhibē ķīmisko reakciju, tas ir, samazina tā ātrumu - to sauc par negatīvu efektoru (inhibitoru). Pretējā gadījumā, kad reakcijas ātrums palielinās, tas ir aktivators, pozitīvs efektētājs. Vairumā gadījumu izejmateriāli, tas ir, reaģenti, kas nonāk ķīmiskajā mijiedarbībā, spēlē aktivētāju lomu. Galīgie produkti, kas veidojas daudzpakāpju reakciju rezultātā, rīkojas kā inhibitori. Šāda regulējuma forma, kas balstīta uz attiecībām starp reaģentu un produktu koncentrāciju, tiek saukta par heterotrofisku.