Регулирующий фермент - Regulatory enzyme

А регуляторный фермент является фермент в биохимический путь который, благодаря своей реакции на присутствие некоторых других биомолекулы, регулирует активность пути. Обычно это делается для путей, продукты которых могут потребоваться в разном количестве в разное время, например: гормон производство. Регулирующие ферменты существуют в высоких концентрациях (низкий Vmax), поэтому их активность может увеличиваться или уменьшаться при изменении концентрации субстрата.

Ферменты, которые снова и снова катализируют химические реакции, называются регуляторными ферментами.

Обзор

Как правило, считается, что белок с гиперболической структурой в определенных условиях среды готов выполнять свою задачу, он активен, но имеет некоторую специфическую дезактивацию, отвечающую за регуляцию некоторых путей метаболизма. Регуляторные ферменты обычно являются первым ферментом в мультиферментной системе: продукт реакции, катализируемой первым ферментом, является субстратом второго фермента, поэтому клетка может контролировать количество получаемого продукта, регулируя активность первого фермента путь.

Существует множество стратегий активации и дезактивации регуляторных ферментов. Регулирующие ферменты требуют дополнительного процесса активации и должны пройти через некоторые модификации в их 3D, чтобы стать функциональными, например, катализирующие ферменты (регуляторные ферменты). Регулирование активации этих каталитических ферментов необходимо для того, чтобы регулировать скорость реакции в целом, чтобы можно было получить необходимое количество продукта в любое время, что позволяет регуляторным ферментам биологическое значение. Следовательно, регуляторные ферменты, благодаря своей контролируемой активации, бывают двух типов: аллостерические ферменты и ковалентно модулируемые ферменты; однако фермент может сочетать оба типа регуляции.

Аллостерические ферменты

В а) аллостерический фермент функционирует нормально. В б) он подавлен

Этот тип ферментов имеет два сайта связывания: субстрат фермента и эффекторы. Эффекторы - это небольшие молекулы, которые модулируют активность фермента; они действуют посредством обратимого нековалентного связывания регуляторного метаболита в аллостерическом сайте (который не является активным сайтом). При связывании эти метаболиты не участвуют в катализ непосредственно, но они по-прежнему важны: они приводят к конформационным изменениям в конкретной части фермента. Эти изменения влияют на общую конформацию активного сайта, вызывая изменения в активности реакция.[1]

Характеристики

Аллостерические ферменты обычно больше по массе, чем другие ферменты. В отличие от фермента с одной субъединицей, в этом случае они состоят из нескольких субъединиц, которые содержат активные сайты и сайты связывания регуляторных молекул.

У них особая кинетика: сотрудничество. Здесь изменения конфигурации в каждой цепи белка усиливают изменения в других цепях. Эти изменения происходят на третичном и четвертичном уровнях организации.

По модуляции их можно разделить на две разные группы:

  • Гомотропные аллостерические ферменты: субстрат и эффектор играют роль в модуляции фермента, что влияет на каталитическую активность фермента.
  • Гетеротропные аллостерические ферменты: только эффектор выполняет роль модуляции.

Подавление обратной связи

В некоторых мультиферментных системах фермент ингибируется конечным продуктом всякий раз, когда его концентрация превышает потребности клетки. Таким образом, скорость реакции можно контролировать с помощью количества продукта, необходимого клетке (чем ниже требования, тем медленнее идет реакция).

Подавление обратной связи - одна из важнейших функций белков. Благодаря ингибированию обратной связи клетка может знать, достаточно ли количества продукта для ее существования или продукта не хватает (или продукта слишком много). Клетка способна механически реагировать на такую ​​ситуацию и решать проблему количества продукта. Примером ингибирования обратной связи в клетках человека является белок аконитаза (фермент, катализирующий изомеризацию цитрата в изоцитрат). Когда клетке требуется железо, этот фермент теряет молекулу железа, и ее форма изменяется. Когда это происходит, аконитаза превращается в IRPF1, репрессор трансляции или стабилизатор мРНК, который подавляет образование железосвязывающие белки и способствует образованию белков, которые могут получать железо из резервов клетки [1][2]

Ковалентно модулированные ферменты

Здесь активная и неактивная форма ферментов изменяется из-за ковалентной модификации их структур, которая катализируется другими ферментами. Этот тип регуляции заключается в добавлении или удалении некоторых молекул, которые могут быть прикреплены к ферментному белку. Наиболее важными группами, которые работают как модификаторы, являются фосфат, метил, уридин, аденин и аденозиндифосфат рибозил. Эти группы присоединяются к белку или удаляются из него другими ферментами. Самая замечательная ковалентная модификация - это фосфорилирование.Серин, треонин и тирозин - обычные аминокислоты, которые участвуют в ковалентных модификациях и используются для контроля каталитической активности ферментов. Киназа и фосфатазы являются общеизвестными ферментами, которые влияют на эти модификации, которые приводят к смещению конформационных состояний аффинности связывания с субстратом.

Фосфорилирование

Фосфорилирование фермента

Фосфорилирование - это добавление фосфат групп в белки, что является наиболее частым механизмом регуляторной модификации в наших клетках. Этот процесс происходит в прокариотических и эукариотических клетках (в клетках этого типа фосфорилируется треть или половина белков). Из-за своей частоты фосфорилирование имеет большое значение в регуляторных путях в клетках.

Добавление фосфорильной группы к ферменту катализируется ферменты киназы, а отщепление этой группы катализируется ферменты фосфатазы. Частота фосфорилирования как регуляторного механизма обусловлена ​​легкостью перехода от фосфорилированной формы к дефосфорилированной форме.

Фосфорилирование или дефосфорилирование заставляет фермент функционировать в то время, когда клетке требуется реакция. Эффекты, вызываемые добавлением фосфорильных групп, регулирующих кинетику реакции, можно разделить на две группы:

  • Фосфорилирование изменяет конформацию фермента на более активный или неактивный путь (например, регуляция гликогенфосфорилаза ). Каждая фосфатная группа содержит два отрицательных заряда, поэтому добавление этой группы может вызвать важное изменение конформации фермента. Фосфат может притягивать положительно заряженные аминокислоты или создавать отталкивающие взаимодействия с отрицательно заряженными аминокислотами. Эти взаимодействия могут изменить конформацию и функцию фермента. Когда фермент фосфатаза удаляет фосфатные группы, этот фермент возвращается к своей исходной конформации.
  • Фосфорилирование изменяет сродство фермента к субстрату (например, фосфорилирование изоцитратдегидрогеназа создает электростатическое отталкивание, которое препятствует соединению подложки с активным центром). Фосфорилирование может происходить в активном центре фермента. Он может изменять конформацию этого активного центра, поэтому он может распознавать субстрат или нет. Кроме того, ионизированный фосфат может притягивать некоторые части субстрата, которые могут присоединяться к ферменту.

Фосфорилирование и дефосфорилирование могут происходить в результате реакции на сигналы, предупреждающие об изменении состояния клетки. Это означает, что некоторые пути, в которых участвуют регуляторные ферменты, регулируются фосфорилированием после определенного сигнала: изменения в клетке.

Некоторые ферменты могут фосфорилироваться по нескольким сайтам. Присутствие фосфорильной группы в части белка может зависеть от укладки фермента (что может сделать белок более или менее доступным для белков киназ) и близости других фосфорильных групп.[1][3][4]

Протеолиз

Химотрипсиноген (предшественник химотрипсина). Окрашенный в красный цвет остаток ILE16 и зеленый остаток ARG15 оба участвуют в активации фермента. Темно-синим цветом обозначен остаток ASP 194, который позже будет взаимодействовать с ILE 16.
Гамма-химотрипсин. Красный цвет - остаток ILE16, который теперь взаимодействует с ASP194, темно-синий. Первый этап активации фермента: пептидная связь ARG15-ILE16 гидролизована с высвобождением амина ILE16, положительно заряженного в физиологических условиях. Амин будет сильно взаимодействовать с отрицательно заряженным радикалом из ASP194, будет установлена ​​ионная связь.
Гамма-химотрипсин, комплекс альфа-химотрипсина. Изображения изменены из pdb

Некоторые ферменты должны пройти процесс созревания, чтобы активироваться. Предшественник (неактивное состояние, более известное как зимоген ) сначала синтезируется, а затем путем разрезания некоторых специфических пептидных связей (ферментативный катализ путем гидролитического селективного расщепления) его трехмерная конформация сильно модифицируется до каталитического функционального статуса, получая активный фермент.

Протеолиз - необратимый и обычно неспецифический процесс. Один и тот же активатор может модулировать разные регуляторные ферменты: один раз трипсин активируется, он активирует многие другие гидролитические ферменты. Протеолиз также может быть быстрым и простым, поэтому гидролиз одного пептидная связь может быть достаточно, чтобы изменить конформацию белка и создать активную зону, позволяющую взаимодействовать между ферментом и субстратом, например, химотрипсин активация (как это видно на изображениях).

Многие разные типы белков с разной ролью в метаболизме активируются протеолизом по большим причинам:

  • Мощные гидролитические ферменты, например, пищеварительные ферменты, активируются протеолизом, поэтому мы можем гарантировать, что они не могут гидролизовать нежелательный белок, пока не попадут в нужное место: зимогены гидролизованного белка синтезируются в поджелудочной железе и накапливаются в пузырьках, где они остаются. безвреден. Когда они необходимы, некоторые гормональные или нервные раздражители вызывают выброс зимогенов прямо в кишечник, и они активируются.
  • Некоторые возможные реакции должны быть немедленными, поэтому ферменты, которые катализируют эти реакции, должны быть подготовлены, но не активны, по этой причине синтезируется зимоген, который остается готовым к быстрой активации. Коагуляционный ответ основан на созревании ферментативного каскада протеолиза. Таким образом, при активации одного первого каталитического фермента активируется большое количество следующих ферментов, и количество требуемого продукта достигается по мере необходимости.
  • Белки соединительной ткани как коллаген (зимоген: проколаген), гормоны, такие как инсулин (зимоген: проинсулин) и белки, участвующие в процессах развития и апоптоз (запрограммированная гибель клеток) также активируются протеолизом.

Протеолиз необратим, что означает необходимость дезактивации ферментов. Специфические ингибиторы, аналогичные субстрату, будут прочно присоединяться к ферменту, блокируя соединение субстрата с ферментом. Этот союз может длиться месяцами.[1][5]

Рекомендации

  1. ^ а б c d Nelson, DL; Кокс, ММ (2009). Ленингер: Principios de bioquímica (5-е изд.). Барселона: Омега. С. 220–228. ISBN  978-84-282-1486-5.
  2. ^ Копли, SD (июль 2012 г.). «Подработка - мейнстрим: требуется корректировка парадигмы». BioEssays. 34 (7): 578–588. Дои:10.1002 / bies.201100191. PMID  22696112.
  3. ^ Альбертс, B; Джонсон, А (2008). Молекулярная биология клетки (5-е изд.). Нью-Йорк: Наука Гарланд (GS). С. 175–176. ISBN  978-0-8153-4106-2.
  4. ^ Мюррей, РК; Бендер Д.А.; Botham, KM; Kennely, PJ; Родвелл, VW; Weil, PA (2010). Харпер. Bioquímica ilustrada (28-е изд.). Мексика DF: Мак Гроу Хилл. С. 80–81. ISBN  978-0-07-162591-3.
  5. ^ Страйер, L; Берг, JM; Тимочко, JL (2012). Биохимия (Седьмое изд.). Нью-Йорк: Пэлгрейв, Макмиллан. С. 312–324. ISBN  978-1-4292-7635-1.