Підручник з Біології і екології (профільний рівень). 11 клас. Задорожний - Нова програма

§ 21. Саморегуляція на молекулярному рівні

Поміркуйте

  • Для чого клітина регулює швидкість роботи ферментів?

Згадайте

  • Ферменти
  • Метаболічні шляхи
  • Каталітичний центр ферменту
  • Алостерична регуляція

Загальні шляхи регуляції активності ферментів

Регуляція активності ферментів спрямовує всі клітинні процеси. Ферменти здатні реагувати на внутрішній стан клітини й на зовнішні фактори, що впливають на неї. Така чутливість ферментів дає змогу відреагувати на зміни навколишнього середовища, пристосуватиклітину до нових умов, дати відповідь на гормональні сигнали.

Рівень активності ферментів регулюється двома шляхами: контролем кількості ферменту й контролем його активності. Кількість ферменту визначається співвідношенням швидкостей його синтезу й розпаду. Інтенсивність синтезу ферменту регулюється на етапах експресії гена цього ферменту (докладніше див. § 22).

Контроль активності ферменту здійснюється шляхом алостеричної регуляції (взаємодії з певними речовинами, що змінюють конформацію активного центру), хімічної модифікації (приєднанням певних хімічних груп) або обмеженим протеолізом (відщепленням пептидних фрагментів).

Доступність субстрату

Одним із простих способів регуляції активності ферментів є зміна концентрації субстратів реакції. Як ви знаєте, швидкість, із якою речовини реагують між собою, залежить від їхньої концентрації. Чим більше молекул субстрату є в наявності, тим швидшим стає процес. При насиченні всіх молекул ферменту субстратом швидкість реакції стає максимальною. Наприклад, для циклу трикарбонових кислот таким субстратом виступає оксалоацетат. Наявність оксалоацетату «підштовхує» реакції циклу.

Алостерична регуляція

Алостерична регуляція ферментної активності базується на зміні третинної структури молекул ферменту. Ця зміна відбувається внаслідок приєднання до ферменту молекули іншої речовини.

Алостеричні ферменти мають два активні центри: каталітичний і алостеричний. До алостеричного центру приєднується молекула речовини-ефектора. Це змінює конформацію білка й, відповідно, його ферментну активність (мал. 21.1).

Алостерична регуляція може бути як позитивною, так і негативною. Позитивними регуляторами (активаторами) можуть бути молекули, що передають сигнал (зокрема, гормональний) з клітинних рецепторів усередину клітини (докладніше див. § 22). Негативним регулятором (інгібітором) може бути кінцевий метаболіт біохімічного процесу або продукт цієї реакції, тобто діє механізм негативного зворотного зв'язку (мал. 20.1).

Мал. 21.1. Загальний принцип алостеричної регуляції

Хімічна регуляція

На активність ферментів можна вплинути шляхом їхньої хімічної модифікації. Хімічна модифікація здійснюється приєднанням до амінокислот білка певних груп: фосфатної групи, залишку жирної кислоти, вуглеводних компонентів. Приєднання додаткових хімічних груп суттєво впливає на структуру ферменту, а отже, і на його ферментативну активність.

Найбільш поширений спосіб змінити властивості білків — це фосфорилювання й дефосфорилювання (приєднання або від'єднання залишку ортофосфатної кислоти). Наприклад, фосфорилювання інгибує фермент глікогенсинтазу (знижується синтез глікогену), але активує ліпазу (посилюється розпад ліпідів). Фосфорилювання певних білків активує скорочення м'язів.

Обмежений протеоліз

Обмежений (частковий) протеоліз передбачає, що синтез деяких ферментів здійснюється у вигляді більшого попередника — проферменту. Фермент активується шляхом відщеплення від нього одного або кількох пептидних фрагментів. Тоді в частині молекули, що залишилася, відбувається конформаційна перебудова й формується активний центр (мал. 21.2). Фермент стає активним.

Прикладом є активація протеолітичних ферментів шлунково-кишкового тракту (трипсиногену, пепсиногену), факторів системи зсідання крові (фібриногену), лізосомальних ферментів, пептидних гормонів (інсуліну). Наприклад, неактивний трипсиноген, синтезований у підшлунковій залозі, надходить у кишечник, де відбувається його обмежений протеоліз. У результаті утворюється активний трипсин.

Мал. 21.2. Активація ферменту обмеженим протеолізом

Такий механізм захищає організм від ушкоджень (наприклад, щоб слизова підшлункової залози не зруйнувалася під дією трипсину) або зберігає білок до моменту, коли знадобиться його активність (під час згортання крові).

Метаболічні ланцюги

Зазвичай ферментативні реакції в клітині об'єднані в метаболічні ланцюги або цикли.

У кожного метаболічного ланцюга є ключовий фермент, який визначає швидкість усього ланцюжка реакцій. Як правило, ключові ферменти є першими в ланцюжку. Найчастіше це алостеричні ферменти. Вони інгібуються кінцевими продуктами (мал. 20.1, с. 43) і можуть активуватись молекулами вторинних посередників (докладніше див. § 22). У такий спосіб регулюється швидкість усього метаболічного шляху.

Також функціонування клітини забезпечується просторовою регуляцією метаболічних шляхів. Цей тип регуляції пов'язаний із локалізацією певних ферментів у різних органелах: у ядрі містяться ферменти синтезу ДНК і РНК, у цитоплазмі — ферменти гліколізу, у мітохондріях — ферменти циклу трикарбонових кислот. Найвищий рівень просторової організації спостерігається, коли ферментні комплекси пов'язані з мембранами. У такому разі речовини, що перетворюються, послідовно пересуваються вздовж ланцюга ферментів. Приклади таких комплексів — АТФази і переносники електронів у мембранах хлоропластів і мітохондрій. Чітка просторова локалізація ферментів у клітині забезпечує їх узгоджену діяльність.

Ключова ідея

Регуляція активності ферментів спрямовує всі клітинні процеси. Рівень ферментної активності регулюється двома шляхами: контролем кількості ферменту й контролем його активності.

Запитання та завдання

1. Алостеричні ферменти найчастіше мають четвертинну структуру: складаються з декількох субодиниць. Чому? 2. Як ви вважаєте, які з розглянутих способів регуляції активності ферментів є оборотними, а які — необоротними?