Ковалентная модификация
Ковалентная модификация — это механизм регуляции активности ферментов за счет присоединения в регуляторном центре фермента с помощью ковалентной связи атомной группировки или отщепления этой группировки. Это приводит к изменению конформации белка-фермента, что сопровождается изменением структуры активного центра и эффективности катализа. Для эффективной работы этого механизма требуется два дополнительных фермента: один фермент обеспечивает присоединение группировки-модулятора к регуляторному ферменту, второй фермент обеспечивает удаление этой группировки.
Отщепление группировки обеспечивает восстановление исходной конформации фермента, а следовательно, и возвращение к исходному уровню его каталитической активности.
В качестве модифицирующих группировок чаще всего выступают остатки фосфорной кислоты. В качестве примера можно привести:
- активацию гликогенфосфорилазы путем ее фосфорилирования,
- - снижение активности гликогенсинтетазы путем ее фосфорилирования,
- снижение активности пируватдегидрогеназного комплекса в результате его фосфорилирования,
Белок-белковое взаимодействие
По современным представлениям ферменты отдельных метаболических путей объединены в клетках в мультиэнзимные комплексы — метаболоны. Следовательно, каталитическая активность каждого отдельного фермента будет зависеть от состояния других ферментов.
В клетках и во внеклеточной жидкости присутствуют белки, которые могут взаимодействовать с белками-ферментами, регулируя их активность. Эти белки получили название белков-модуляторов. Так, в состав липопротеидов плазмы крови входят апобелки апо-С-II и апо-С-I, которые взаимодействуя с ферментами липопротеидлипазой и лецитинхолестеролацилтрансферазой соответственно, увеличивают их активность. В плазме крови присутствует также белок-модулятор антитромбин-III, который взаимодействуя с ферментом системы свертывания крови тромбином, инактивирует последний.
Примером внутриклеточного белка-модулятора может служить кальмодулин. Он присутствует в свободном неактивном состоянии в цитозоле клеток различных органов и тканей. При увеличении концентрации в цитозоле ионов Са2+ образуется Са-кальмодулиновый комплекс, конформация кальмодулина изменяется и Са-кальмодулиновый комплекс приобретает способность взаимодействовать с различными внутриклеточными ферментами. При этом взаимодействии конформация белка-фермента изменяется и, следовательно, изменяется его каталитическая активность.
При снижении концентрации Са2+ в цитозоле Са-кальмодулиновый комплекс распадается, свободный кальмодулин из-за изменения конформации молекулы теряет сродство к ферменту. В результате фермент высвобождается из комплекса и его каталитическая активность возвращается к исходному уровню.
Этим способом регулируется каталитическая активность таких ферментов как гуанилатциклаза, фосфодиэстераза циклических нуклеотидов, пируваткарбоксилаза, НАД-киназа и др.
Конкурентное и неконкурентное ингибирование в регуляции активности ферментов в клетке используются крайне редко. Примером конкурентного ингибирования, принято считать угнетение активности сукцинатдегидрогеназы — фермента цикла трикарбоновых кислот — высокими концентрации щавелевоуксусной кислоты или малата, являющимися промежуточными продуктами того же самого метаболического пути. Снижение концентрации последних снимает ингибирование, т.е. регуляторный эффект обратим.
Необходимо иметь в виду, что лекарственные препараты часто являются конкурентными или неконкурентными ингибиторами различных ферментов. Так, лекарственный препарат алллопуринол, используемый при лечении подагры, является типичным конкурентным ингибитором фермента ксантиноксидазы, работающей в клетке на завершающем этапе метаболического пути синтеза мочевой кислоты. Снижение активности этого фермента приводит к падению концентрации мочевой кислоты в крови и тканях и предотвращает характерное для подагры повторное выпадение кристаллов мочевой кислоты в тканях.
Среди множества ферментов, имеющихся в клетке, далеко не все являются регуляторными. Тем не менее, в каждый метаболический путь включены один или несколько (2, иногда даже 3) ферментов, контролирующих интенсивность потока метаболитов. Эти ферменты обычно катализируют одну из первых реакций данного метаболического пути, являющихся необратимыми по термодинамическим причинам. Это предотвращает накопление промежуточных продуктов метаболического пути в клетке при снижении активности фермента.