Биохимия человека Том 1 - Марри Р. 1993

Структура и функции белков и ферментов
Ферменты: регуляция активности
Регуляция каталитической активности ферментов

Определения

Если в результате физиологических процессов изменяется активность фермента, то мы часто не можем сказать, чем это обусловлено — изменением количества фермента или эффективности его функционирования. Мы будем называть все изменения активности фермента, происходящие при постоянном количестве присутствующего фермента, изменением его каталитической эффективности.

Таблица 10.1. Некоторые ферменты печени крысы, скорость синтеза которых изменяется в зависимости от условий среды¹⁾

¹⁾ Все данные, за исключением данных по HMG-CoA-редуктазе, взяты из работы Annu. Rev. Biochem. 1970: 39: 929.

Концентрации реактантов

Изучение кинетических и регуляторных свойств ферментов позволяет лучше понять характер физиологических процессов, протекающих в неповрежденных клетках, в тканях и целом организме. Однако большая часть информации получена при изучении ферментов in vitro, в условиях, существенно отличающихся от тех, которые имеют место в живых клетках. Поэтому распространение полученных данных на условия in vivo требует осторожности. Например, концентрации субстратов in vitro могут значительно отличаться от тех, которые имеются in vivo.

Компартментация ферментов

Роль компартментации (пространственного разделения) метаболических процессов в клетках эукариот, в том числе в клетках млекопитающих, трудно переоценить. Локализация специфических метаболических процессов в цитозоле или в клеточных органеллах облегчает независимую регуляцию этих процессов. Развитая компартментация метаболических процессов особенно характерна для высших форм живых организмов — она позволяет осуществлять наиболее тонкую регуляцию метаболизма. Одновременно при этом возникает новая проблема — прохождение метаболитов через разделяющие барьеры. Эта проблема решается с помощью «челночных механизмов», переводящих метаболит в форму, которая способна проходить через барьер. Затем по другую сторону барьера происходит обратное превращение метаболита в первоначальную форму. В связи с наличием барьеров возникает потребность в функционировании, например, цитозольной и митохондриальной форм некоторых ферментов. Поскольку эти формы фермента физически разделены, их независимая регуляция облегчается. Роль челночных механизмов в поддержании равновесия между метаболическими пулами восстановительных эквивалентов промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты и ряда других интермедиатов обсуждается в гл. 17.

Макромолекулярные комплексы

Объединение набора ферментов, катализирующих многоступенчатую последовательность метаболических реакций, в макромолекулярный комплекс позволяет координировать работу ферментов и канализирует перемещения интермедиатов по метаболическому пути. Адекватное взаимное расположение ферментов облегчает перенос продукта от одного фермента к другому без его предварительного уравновешивания с метаболическим пулом. Это обеспечивает более эффективный метаболический контроль, чем в том случае, когда компоненты комплекса изолированы друг от друга. Кроме того, конформационные изменения в одном из компоненте могут передаваться через межбелковые взаимодействия на другие компоненты комплекса. Это позволяет усиливать регуляторные эффекты.

Эффективные концентрации субстратов, коферментов и катионов

Средние внутриклеточные концентрации субстрата, кофермента или ионов металлов мало что могут сказать нам о поведении фермента in vivo. Необходимо иметь информацию о концентрациях соответствующих метаболитов в непосредственном окружении рассматриваемого фермента. Однако даже измерение концентрации метаболита в отдельных компартментах клетки не позволяет учесть локальные перепады его концентрации внутри компартмента, обусловленные, например, приближением к месту поступления или синтеза метаболита. Наконец, далеко не всегда обращают достаточное внимание на различие между общей концентрацией метаболита и концентрацией свободного метаболита. Например, общая концентрация 2,3-бисфосфоглицерата в эритроцитах очень велика, тогда как концентрация свободного бисфосфоглицерата в этих клетках сравнима с его концентрацией в других тканях. Эритроциты содержат приблизительно 5 ммолей гемоглобина, которые связывают 1 моль бисфосфоглицерата на моль дезоксигенированного тетрамера. Поэтому при общем содержании бисфосфоглицерата 4 ммоля концентрация свободного бисфосфоглицерата в эритроцитах венозной крови оказывается значительно меньше. Подобные же явления наблюдаются и в случае других метаболитов в присутствии эффективно связывающих их белков, значительно понижающих концентрацию свободных метаболитов.

Кинетический анализ Михаэлиса—Ментен основан на предположении, что общая концентрация субстрата равна концентрации свободного субстрата. Как мы видим, in vivo это предположение может не выполняться, поскольку в этом случае концентрация свободного субстрата часто бывает примерно того же порядка, что и концентрация фермента.

Ионы металлов, играющие каталитическую и структурную роль в действии многих ферментов (в их число попадает свыше четверти всех известных ферментов, см. гл. 9), могут осуществлять и регуляторные функции, особенно в тех случаях, когда субстратом служит АТР. В реакциях, в которых в качестве субстрата фигурирует комплекс между АТР и ионом металла, максимальная активность чаще всего наблюдается при молярном отношении ATP/металл ≃ 1. Избыток металла или избыток АТР оказывает ингибирующее действие. Поскольку нуклеозидди- и трифосфаты образуют прочные комплексы с двухвалентными катионами, внутриклеточные концентрации нуклеотидов сказываются и на внутриклеточных концентрациях свободных ионов металлов, а следовательно, и на активности некоторых ферментов. Например, в отсутствие ионов металлов глутаминсинтаза в клетках Е. coli принимает «релаксированную», каталитически неактивную конформацию. Ионы Mg²⁺ или Мn²⁺ превращают синтазу в активную, «напряженную» форму. Кроме того, аденилирование синтазы меняет ее специфичность — фермент отдает предпочтение уже не Mg²⁺, а Мn²⁺. И наконец, активность аденилированного фермента становится чувствительной к отношению ATP/Mg²⁺, тогда как неаденилированная форма этой особенностью не обладает.