Úrovně regulace aktivity enzymů. Regulace aktivity enzymů a jejich metody Molekulární mechanismy regulace aktivity enzymů
Jako jednotka živé hmoty fungující jako komplex otevřených biologických systémů si buňka neustále vyměňuje látky a energii s vnějším prostředím. Pro udržení homeostázy existuje skupina speciálních bílkovinných látek – enzymů. Struktura, funkce a regulace enzymové aktivity jsou studovány speciálním oborem biochemie zvaným enzymologie. V tomto článku na konkrétních příkladech zvážíme různé mechanismy a metody regulace enzymové aktivity vlastní vyšším savcům a lidem.
Podmínky potřebné pro optimální aktivitu enzymu
Biologicky aktivní látky, které selektivně ovlivňují asimilační i degradační reakce, vykazují za určitých podmínek své katalytické vlastnosti v buňkách. Například je důležité zjistit, ve které části buňky probíhá chemický proces, na kterém se podílejí enzymy. Díky kompartmentaci (rozdělení cytoplazmy na úseky) dochází v jejích různých částech a organelách k antagonistickým reakcím.
V ribozomech tedy dochází k syntéze proteinů a k jejich rozpadu dochází v hyaloplazmě. Buněčná regulace aktivity enzymů, které katalyzují opačné biochemické reakce, zajišťuje nejen optimální rychlost metabolismu, ale také zabraňuje vzniku energeticky neužitečných metabolických drah.
Multienzymový komplex
Strukturní a funkční organizace enzymů tvoří enzymatický aparát buňky. Většina chemických reakcí v něm probíhajících je vzájemně propojena. Je-li ve vícestupňové reakci produktem první reakce činidlem pro reakci následující, je v tomto případě prostorové uspořádání enzymů v buňce zvláště výrazné.
Je třeba mít na paměti, že enzymy jsou v přírodě buď jednoduché, nebo složité proteiny. A jejich citlivost na buněčný substrát se vysvětluje především změnami vnitřní prostorové konfigurace terciární nebo kvartérní struktury peptidu. Enzymy také reagují na změny nejen v rámci buněčných parametrů, jako je chemické složení hyaloplazmy, koncentrace činidel a reakčních produktů, teplota, ale i na změny probíhající v sousedních buňkách nebo v mezibuněčné tekutině.
Proč je buňka rozdělena na oddíly?
Racionalita a logika struktury živé přírody je prostě úžasná. To plně platí pro vitální projevy charakteristické pro buňku. Pro chemického vědce je naprosto jasné, že vícesměrné enzymatické chemické reakce, například syntéza glukózy a glykolýza, nemohou probíhat ve stejné zkumavce. Jak pak dochází k opačným reakcím v hyaloplazmě jedné buňky, která je substrátem pro jejich realizaci? Ukazuje se, že buněčný obsah – cytosol – ve kterém probíhají antagonistické chemické procesy, je prostorově oddělen a tvoří izolovaná lokusy – kompartmenty. Díky nim jsou zvláště přesně regulovány metabolické reakce vyšších savců a člověka a metabolické produkty se přeměňují na formy, které volně pronikají přepážkami buněčných oblastí. Poté obnoví svou původní strukturu. Kromě cytosolu jsou v organelách obsaženy enzymy: ribozomy, mitochondrie, jádro, lysozomy.
Úloha enzymů v energetickém metabolismu
Uvažujme oxidativní dekarboxylaci pyruvátu. Regulace katalytické aktivity enzymů v něm byla dobře prostudována enzymologií. Tento biochemický proces se vyskytuje v mitochondriích – dvoumembránových organelách eukaryotických buněk – a je přechodným procesem mezi bezkyslíkovým rozkladem glukózy a komplexem pyruvátdehydrogenázy – PDH – obsahuje tři enzymy. U vyšších savců a lidí k jeho poklesu dochází se zvýšením koncentrace Acetyl-CoA a NATH, tedy v případě objevení se alternativních možností tvorby molekul Acetyl-CoA. Pokud buňka potřebuje další část energie a vyžaduje nové akceptorové molekuly pro posílení reakcí cyklu trikarboxylových kyselin, pak jsou enzymy aktivovány.
Co je alosterická inhibice
Regulaci enzymové aktivity lze provádět speciálními látkami - katalytickými inhibitory. Mohou se kovalentně vázat na určitá místa enzymu a obcházet jeho aktivní centrum. To vede k deformaci prostorové struktury katalyzátoru a automaticky má za následek snížení jeho enzymatických vlastností. Jinými slovy, dochází k alosterické regulaci enzymové aktivity. Dodejme také, že tato forma katalytického působení je vlastní oligomerním enzymům, tedy těm, jejichž molekuly se skládají ze dvou nebo více polymerních proteinových podjednotek. PDH komplex diskutovaný v předchozí části obsahuje přesně tři oligomerní enzymy: pyruvátdehydrogenázu, dehydrolipoyldehydrogenázu a hydrolipoyltransacetylázu.
Regulační enzymy
Výzkum v enzymologii prokázal, že závisí jak na koncentraci, tak na aktivitě katalyzátoru. Metabolické dráhy nejčastěji obsahují hlavní enzymy, které regulují všechny jejich úseky.
Nazývají se regulační a obvykle ovlivňují počáteční reakce komplexu a mohou se také účastnit nejpomalejších chemických procesů v nevratných reakcích nebo spojovat činidla v bodech větvení metabolické dráhy.
Jak dochází k interakci peptidů?
Jedním ze způsobů, jak regulovat aktivitu enzymů v buňkách, je interakce protein-protein. o čem to mluvíme? Regulační proteiny jsou připojeny k molekule enzymu, což má za následek jejich aktivaci. Například enzym adenylátcykláza se nachází na vnitřním povrchu buněčné membrány a může interagovat se strukturami, jako je hormonální receptor, stejně jako s peptidem umístěným mezi ním a enzymem. Vzhledem k tomu, že v důsledku spojení hormonu a receptoru intermediární protein změní své prostorové potvrzení, tento způsob zvýšení katalytických vlastností adenylátcyklázy v biochemii se nazývá „aktivace díky připojení regulačních proteinů“.
Protomery a jejich role v biochemii
Tato skupina látek, jinak nazývaná proteinkinázy, urychluje přenos aniontu PO 4 3- na hydroxoskupiny aminokyselin obsažených v makromolekule peptidu. Budeme uvažovat o regulaci aktivity protomerních enzymů na příkladu proteinkinázy A. Její molekula, tetramer, se skládá ze dvou katalytických a dvou regulačních peptidových podjednotek a nefunguje jako katalyzátor, dokud nejsou k regulačnímu prvku připojeny čtyři molekuly cAMP. oblasti protomeru. To způsobí transformaci prostorové struktury regulačních proteinů, která vede k uvolnění dvou aktivovaných katalytických proteinových částic, to znamená, že dojde k disociaci protomerů. Pokud jsou molekuly cAMP odděleny od regulačních podjednotek, pak se inaktivní proteinkinázový komplex opět obnoví na tetramer, protože dojde ke spojení katalytických a regulačních peptidových částic. Výše diskutované cesty pro regulaci enzymové aktivity tedy zajišťují jejich reverzibilní povahu.
Chemická regulace aktivity enzymů
Biochemie také studovala mechanismy pro regulaci aktivity enzymů, jako je fosforylace a defosforylace. Mechanismus regulace enzymové aktivity je v tomto případě následující: aminokyselinové zbytky enzymu obsahující OH - skupiny mění svou chemickou modifikaci vlivem fosfoproteinových fosfatáz na ně. V tomto případě lze provést korekci a pro některé enzymy je to důvod, který je aktivuje a pro jiné je inhibuje. Na druhé straně jsou katalytické vlastnosti samotných fosfoproteinových fosfatáz regulovány hormonem. Například živočišný škrob – glykogen – a tuk v intervalech mezi jídly se odbourávají v gastrointestinálním traktu, přesněji ve dvanáctníku pod vlivem glukagonu – pankreatického enzymu.
Tento proces je zesílen fosforylací trofických enzymů v gastrointestinálním traktu. V období aktivního trávení, kdy potrava vstupuje do dvanáctníku ze žaludku, se zvyšuje syntéza glukagonu. Inzulin, další pankreatický enzym produkovaný alfa buňkami Langerhansových ostrůvků, interaguje s receptorem, včetně mechanismu fosforylace stejných trávicích enzymů.
Částečná proteolýza
Jak vidíme, úrovně regulace enzymové aktivity v buňce jsou různé. U enzymů umístěných mimo cytosol nebo organely (v krevní plazmě nebo v gastrointestinálním traktu) je metodou jejich aktivace proces hydrolýzy peptidových vazeb CO-NH. Je to nutné, protože takové enzymy jsou syntetizovány v neaktivní formě. Peptidová část je odštěpena od molekuly enzymu a aktivní centrum ve zbývající struktuře je modifikováno. To vede k tomu, že enzym „přechází do pracovního stavu“, to znamená, že je schopen ovlivňovat průběh chemického procesu. Například neaktivní pankreatický enzym trypsinogen nerozkládá potravinové proteiny vstupující do dvanáctníku. Proteolýza v něm probíhá působením enteropeptidázy. Poté se enzym aktivuje a nyní se nazývá trypsin. Částečná proteolýza je reverzibilní proces. Vyskytuje se v případech, jako je aktivace enzymů, které rozkládají polypeptidy v procesech srážení krve.
Úloha koncentrace výchozích látek v buněčném metabolismu
Regulaci enzymové aktivity dostupností substrátu jsme částečně probrali v podtitulu „Multienzymový komplex“. Rychlost, s jakou se vyskytuje v několika fázích, silně závisí na tom, kolik molekul původní látky je v hyaloplazmě nebo organelách buňky. Je to dáno tím, že rychlost metabolické dráhy je přímo úměrná koncentraci výchozí látky. Čím více molekul činidla je v cytosolu, tím vyšší je rychlost všech následujících chemických reakcí.
Alosterická regulace
Enzymy, jejichž aktivita je řízena nejen koncentrací výchozích reagenčních látek, ale i efektorových látek, se vyznačují tzv. Nejčastěji jsou takové enzymy představovány meziprodukty látkové výměny v buňce. Díky efektorům je regulována aktivita enzymů. Biochemie prokázala, že takové sloučeniny, zvané alosterické enzymy, jsou velmi důležité pro buněčný metabolismus, protože jsou extrémně citlivé na změny jeho homeostázy. Pokud enzym inhibuje chemickou reakci, tedy snižuje její rychlost, nazývá se negativní efektor (inhibitor). V opačném případě, kdy je pozorován nárůst reakční rychlosti, hovoříme o aktivátoru – pozitivním efektoru. Ve většině případů hrají roli aktivátorů výchozí látky, tedy činidla, která vstupují do chemických interakcí. Konečné produkty vzniklé v důsledku vícestupňových reakcí se chovají jako inhibitory. Tento typ regulace, založený na vztahu mezi koncentracemi činidel a produktů, se nazývá heterotrofní.
1. Schopnost regulovat činí enzymy důležitýmivýznamnými účastníky a originálními organizátorybuněčné procesy v lidském těle. Regulace rychlosti enzymatických reakcí v buňce je hlavním mechanismem nejen pro řízení a koordinaci metabolických drah, ale také pro růst a vývoj buňky, jakož i její reakci na změny prostředí.
2. Existují dva hlavní způsoby, jak řídit rychlost enzymatických reakcí:
— Řízení množství enzymu.
Stanoví se množství enzymu v buňce poměr rychlostí jeho syntézy a rozpadu. Tento způsob regulace rychlosti enzymatické reakce je pomalejší proces (objeví se po několika hodinách) než regulace aktivity enzymu (téměř okamžitá odezva).
— Řízení aktivity enzymů.
Aktivitu enzymu lze regulovat interakcí s určitými látky, které mění konformaci aktivního centra.
3. Enzymy, které regulují rychlost metabolických drah:
— obvykle působí v raných stádiích metabolických drah, v místech klíčových větví metabolických drah;
- katalyzovat prakticky nevratné reakce za buněčných podmínek, které probíhají nejpomaleji (klíčové).
Příklad 1. Regulace zpětné vazby: ve vícestupňových metabolických drahách konečný produkt inhibuje regulační (klíčový) enzym procesu.
První enzym (Ej) v sekvenční dráze přeměny látky A na látku Z je obvykle inhibován konečným produktem této metabolické dráhy.
Změna aktivity klíčových enzymů E 1 nastává v důsledku změny konformace po navázání substance Z v alosterickýskom centrum— oblast vzdálená od aktivního centra. EnzymE 1 alosterický.
K regulaci zpětné vazby dochází poměrně rychle a je často první reakcí buňky na měnící se podmínky.
Na druhé straně enzym E x bude aktivní, když se koncentrace látky snížíZ.
4. Hlavní typy regulace katalytické aktivity enzymů v buňce a strukturální změny enzymů při jejich aktivaci jsou uvedeny v tabulce. 2.3.
5. Porucha syntézy enzymů může vést kenzymopatie, u nichž nedostatek jednoho enzymu v metabolické dráze může způsobit narušení tvorby konečného produktu. V důsledku vzájemné závislosti metabolických drah vede defekt jednoho enzymu často k řadě metabolických poruch:
.jpg)
Existuje možnost, že nadbytek nahromaděného substrátu může přejít do vedlejší metabolické dráhy za vzniku neobvyklé a často toxické látky Bj.
6. Jednotlivé příklady enzymopatií (disacharidózy, glykogenózy, aglykogenózy, fenylpyruvická oligofrenie) budou zváženy při studiu následujících částí.
Regulace aktivity enzymů.
Aktivační mechanismy.
1) Kovalentní modifikace (to znamená, že se mění kovalentní vazby enzymů)
a) částečná proteolýza (pepsinogen a trypsinogen mohou být ovlivněny nejen kyselinou chlorovodíkovou a enterokinázou, ale také aktivními enzymy - pepsinem, resp. trypsinem, tedy dochází k autokatalýze).
b) fosforylace a defosforylace. Fosforylace se provádí proteinkinázami.
2) Dokončení aktivního centra (nejčastěji se jedná o kovové ionty, zejména mangan, ale v některých případech se kov spojí se sírou a síra pak snáze interaguje s aktivním centrem).
3) Alosterická aktivace. Zpravidla se účinek vyskytuje na podjednotce, kde není aktivní centrum (to je častěji typické pro oligomery), ale tato podjednotka má regulační místo, které může být ovlivněno některým metabolitem (například ADP), a podjednotka mění svou strukturu a zároveň mění strukturu podjednotky obsahující aktivní centrum, čímž se stává pro substrát přístupnější. Alosterická aktivace a inhibice jsou zpravidla samoregulační procesy, kdy intermediární nebo konečné metabolity regulují rychlost reakce.
Strukturní organizace enzymu v buňce .
Každá buněčná struktura má specifickou sadu enzymů, které jí umožňují vykonávat specifickou funkci. Například mitochondrie jsou vybaveny enzymy, které dokážou okysličit určité substráty a využít výslednou energii. Jádra (obsahují syntézu DNA a RNA, které jsou schopny uchovávat a přenášet dědičnou informaci) a mají také specifickou sadu enzymů (RNA a DNA polymerázy atd.). Lysozomy (ničí různé komplexní sloučeniny) mají také odpovídající sadu enzymů (hydrolázy, lyázy atd.).
Všechny tyto soubory enzymů jsou přísně strukturované, to znamená, že jsou zabudovány např. do mitochondriální membrány (respiračního řetězce) v určitém pořadí a jsou v komplexu (např. komplexu, který zajišťuje syntézu mastných kyselin; komplex, který podporuje přeměnu kyseliny pyrohroznové) někdy se dokonce hovoří o indikátorových (markerových) enzymech pro buněčné struktury (sukcinátdehydrogenáza pro mitochondrie, RNA polymeráza pro jádro, kyselá fosfatáza pro lysozomy).
Během metabolického procesu je aktivita enzymu neustále regulována, to znamená, že enzym nikdy nepracuje monotónně. Existují různé způsoby, jak regulovat aktivitu enzymů:
1) množství enzymu se může změnit (to znamená, že se syntéza enzymu buď zvýší, nebo sníží). K tomu dochází v důsledku změn v genové expresi.
2) Chemická modifikace enzymu se může změnit (pod vlivem aktivátorů, inhibitorů nebo změn pH). Jedná se o částečnou proteolýzu, fosforylaci a defosforylaci, sulfonaci atd.
3) Aktivita enzymů se mění působením hormonů (různé mechanismy).
4) Aktivita enzymu může být ovlivněna samotným substrátem nebo reakčním produktem (který je buď aktivátorem nebo inhibitorem).
5) U buněk je pozorován i fenomén kompartmentalizace, tedy pomocí biologických membrán, enzymů a těch substrátů, které by tyto enzymy mohly zničit, ale buňka to nepotřebuje (např. enzymy lysozomových proteináz, fosfatáz, atd.) se oddělují doupata od látek nacházejících se v cytoplazmě) Nebo se pomocí membrán oddělují metabolické procesy, které jsou zároveň vzájemně neslučitelné (např. v cytoplazmě dochází k syntéze mastných kyselin, v cytoplazmě dochází k odbourávání mastných kyselin). mitochondrie). Ne všechny enzymy podléhají regulaci. Ale v řetězci enzymatických reakcí jsou klíčové enzymy, které jsou aktivovány nebo inhibovány.
Principy izolace enzymů .
K detekci enzymů se využívá jejich specifická vlastnost. Vezmou určitý (specifický) substrát, vyberou optimální podmínky (pH, teplotu) a přidají enzym, aby zjistili, zda k reakci dojde, přičemž koncentrace substrátu klesá a tvorba produktu se zvyšuje. Kvantitativní hodnocení enzymů je dáno jejich aktivitou (protože enzymy jsou obsaženy v zanedbatelném množství), to znamená, že se určuje rychlost enzymatické reakce. Aktivita enzymu se stanovuje při konstantní teplotě (25 nebo 37 stupňů Celsia), čímž se vytváří optimální pH. V tomto případě musí být koncentrace substrátu poměrně vysoká. Za těchto podmínek rychlost reakce přímo závisí na koncentraci enzymu \/ = K[F]. Za jednotku enzymové aktivity se považuje její minimální množství, které za optimálních podmínek způsobí konverzi jednoho mikromolu substrátu za jednu minutu.
Specifická aktivita je enzymatická aktivita na mg proteinu. Podle doporučení komise Mezinárodní biochemické unie o názvosloví enzymů se navrhuje použít katal k vyjádření enzymatické aktivity. 1 katal - ϶ᴛᴏ katalytická aktivita, schopná provádět reakci rychlostí rovnou jednomu molu za sekundu.
Regulace aktivity enzymů. - koncepce a typy. Klasifikace a vlastnosti kategorie "Regulace enzymové aktivity." 2017, 2018.
Regulace enzymatické aktivity je proces neméně důležitý pro úspěšné fungování buňky než regulace genové exprese na transkripční úrovni. Existence těchto mechanismů umožňuje buňkám a celému tělu jasně koordinovat provádění četných rozvětvených metabolických reakcí, zajišťujících nejvyšší a nejekonomičtější úroveň metabolismu a také rychlou adaptaci na měnící se podmínky prostředí. V tomto případě je regulace syntézy enzymů pomalejším mechanismem, který působí po mnoho minut nebo dokonce hodin, zatímco změna enzymatické aktivity nastává okamžitě a působí během několika minut nebo sekund. Regulaci enzymové aktivity lze nazvat „jemné doladění“ buněčného metabolismu.
Regulace enzymatické aktivity může být provedena několika způsoby, z nichž nejběžnější jsou alosterická regulace A kovalentní modifikace.
Allosterické regulaci nepodléhají všechny enzymy, ale pouze ty, které mají v molekule alosterické (z řeckého allos – jiný a stereos – tělo, prostor) centrum – místo, které se liší od aktivního centra, vyznačující se vysokou afinitou k regulačnímu molekul.
Takové enzymy se nazývají alosterické. Jejich aktivita je regulována za účasti nízkomolekulárních látek ( efektory), jehož společnou vlastností je schopnost interakce s alosterickým centrem, což vede k narušení konformace molekuly proteinu. Toto zkreslení se přenáší na aktivní místo, což má za následek změny v aktivitě enzymu a rychlosti odpovídající reakce.
Efektory mohou působit jako inhibitory enzymové aktivity i jako jejich aktivátory. Příklad inhibice Enzymatická aktivita může být způsobena snížením aktivity prvního enzymu v dráze biosyntézy tryptofanu v E. coli, antranilátsyntetázy, když je v buňce nadbytek tryptofanu. Tryptofan jako konečný produkt jmenované biosyntetické dráhy v tomto případě slouží jako inhibitor aktivity klíčového enzymu, který koordinuje rychlost syntézy této aminokyseliny a umožňuje buňce šetřit její zdroje. Například s nadbytkem tryptofanu, když je přítomen v růstovém médiu, buňka nepotřebuje utrácet stavební bloky a energii na svou syntézu, může použít exogenní aminokyselinu. Experimentálně bylo skutečně prokázáno, že během procesu růstu bakterie přednostně využívají aminokyseliny, puriny a pyrimidiny přidané do růstového média a že tyto sloučeniny mají inhibiční účinek na vlastní syntézu z prekurzorových molekul. Protože v tomto případě je tryptofan konečným produktem biosyntetické dráhy, jejíž rychlost klesá, když je klíčový enzym inhibován, nazývá se tento typ regulace „ retroinhibice».
Zvýšení aktivity alosterického enzymu po vazbě na efektor (aktivátor) lze uvažovat na příkladu aspartáttranskarbamoylázy (ATKázy), která katalyzuje první reakci biosyntézy pyrimidinu. Tento enzym je aktivován adenosintrifosfátem (ATP), purinovým nukleotidem. Je třeba poznamenat, že současně je ATCáza inhibována jedním z koncových produktů jmenované biosyntetické dráhy - cytidintrifosfátem (CTP) a aktivátor a inhibitor se vážou na stejné alosterické centrum. Regulací aktivity jednoho enzymu je tedy zajištěna koordinace syntézy purinových a pyrimidinových nukleotidů.
Mutační poškození alosterického centra může způsobit, že enzym ztratí svou schopnost vázat efektorové molekuly a v reakci na to změnit svou aktivitu. Tento jev se využívá při selekci mikroorganismů k získání mutantů znecitlivěný enzymy. Takové mikroorganismy jsou často producenty biologicky aktivních látek a pro jejich selekci se používají analogy metabolitů. Například 5-methyltryptofan, stejně jako tryptofan, je schopen inhibovat aktivitu antranilátsyntetázy, ale nenahrazuje tryptofan v proteinu. Proto bakterie E. coli nejsou schopny vytvářet kolonie na syntetickém médiu s touto látkou. Jsou však známy mutanty E. coli, které rostou na médiu s 5-methyltryptofanem. Tyto bakterie obsahují ve svých buňkách antranilátsyntetázu, která je necitlivá na retroinhibici (desenzibilizovaná) a syntetizují tryptofan v nadměrném množství a uvolňují jej do vnějšího prostředí.
Dalším běžným způsobem regulace aktivity enzymu je kovalentní modifikace – přidání nebo odstranění malé chemické skupiny z enzymu. Pomocí takových modifikací se obvykle buď zcela neaktivní forma enzymu stane aktivní, nebo naopak dojde k inaktivaci zcela aktivního enzymu. Mezi fenomén kovalentní modifikace patří: omezená proteolýza (zkrácení polypeptidových řetězců), fosforylace - defosforylace, adenylace - deadenylace, acetylace - deacetylace atd. Inaktivuje se např. glykogensyntetáza savčích buněk, která katalyzuje přeměnu glukózy na glykogen. po kovalentním připojení fosfátové skupiny k postrannímu řetězci jednoho ze serinových zbytků a je reaktivován po odstranění fosfátu. Další příklady kovalentní modifikace enzymů jsou popsány v kapitole 3.
Zvláštní případ regulace enzymové aktivity představují protein-proteinové interakce, ve kterých speciální proteiny hrají roli enzymových inhibitorů. Při takových interakcích je aktivní centrum enzymu blokováno. Inhibice proteiny je zvláště důležitá pro regulaci aktivity proteináz zapojených do posttranslační modifikace proteinů. To přispívá ke změně rychlosti zrání mnoha proteinů důležitých pro buňku a následně i intenzitě procesů, kterých se buňky účastní.
Kapitola 7. KOFAKTORY
V některých případech vyžadují enzymy k provedení katalýzy speciální prostředníky – kofaktory. Kofaktory jsou neproteinové látky, které fungují v mezistupních enzymatické reakce (nebo reakčního cyklu), ale nejsou spotřebovávány během katalýzy. V naprosté většině případů se kofaktory po dokončení katalytického aktu regenerují beze změny.
Kofaktory různé chemické povahy lze rozdělit do dvou hlavních skupin: koenzymy(slabě navázaný na enzym a oddělený od něj během katalýzy) a protetické skupiny(silně vázána na molekulu enzymu).
Hlavní mechanismy, podle kterých se kofaktory účastní katalýzy, jsou následující:
Působí jako přenašeči mezi enzymy. Interakcí s jedním enzymem přenašeč přijme část substrátu, migruje na jiný enzym a přenesenou část přenese na substrát druhého enzymu, načež se uvolní. Tento mechanismus je typický pro většinu koenzymů;
Působí jako „intraenzymový“ nosič, což je typické především pro protetické skupiny. Protetická skupina připojí část molekuly substrátu a přenese ji na druhý substrát vázaný v aktivním místě stejného enzymu. V tomto případě lze protetickou skupinu považovat za součást katalytického místa enzymu;
Mění konformaci molekuly enzymu interakcí s ní mimo aktivní centrum, což může vyvolat přechod aktivního centra do katalyticky aktivní konfigurace;
Stabilizovat konformaci enzymu, podporovat katalyticky aktivní stav;
Plní funkci matice. Například polymerázy nukleových kyselin potřebují „program“ – matrici, na které je postavena nová molekula;
Hrají roli meziproduktů. Někdy může enzym využít molekulu kofaktoru v reakci, vytvořit z ní produkt, ale zároveň vytvořit novou molekulu kofaktoru na úkor substrátu.
Mezi v současnosti známými enzymy je přibližně 40 % schopno katalýzy pouze prostřednictvím kofaktorů. Nejběžnějšími kofaktory jsou ty, které přenášejí redukční ekvivalenty, fosfátové, acylové a karboxylové skupiny.
Hlavním konceptem enzymové kinetiky je koncept komplexů enzym-substrát (ES). Stejně jako u anorganických katalyzátorů enzym umožňuje, aby reakce probíhala účinnější cestou, s nižší aktivační energií. Vyšší katalytická aktivita enzymatické reakce je způsobena tím, že proces probíhá přes fázi tvorby ES. Rychlost enzymatických reakcí je 10 3 - 10 13krát vyšší než rychlost nekatalytické reakce. Toto prudké zvýšení rychlosti je způsobeno dvěma důvody – konvergenčním efektem, který je pozorován i u neenzymatických reakcí, a orientačním efektem, který se u enzymatických reakcí provádí mimořádně efektivně.
Molekuly enzymů mají na rozdíl od jiných katalyzátorů velmi složitou strukturu. To umožňuje implementovat mechanismy pro zvýšení reakční rychlosti, které jsou nemožné s nebiologickými katalyzátory. Zde jsou možné interakce zvláštního druhu, které v konvenční katalýze chybí. Pokud předpokládáme, že k navázání substrátu na molekulu enzymu nedochází v jednom, ale ve třech bodech, pak to samo o sobě prudce zvyšuje pravděpodobnost požadovaných orientací a zvyšuje rychlost reakce o několik řádů.
Kovalentní, iontové, vodíkové vazby a hydrofobní interakce se mohou podílet na tvorbě komplexů enzym-substrát. Katalytická aktivita enzymu je spojena s jeho prostorovou strukturou, ve které se střídají tuhé úseky šroubovic s pružnými elastickými lineárními úseky.
Při vysvětlování mechanismu působení enzymů se široce akceptovala Koshlandova hypotéza „indukované“ nebo „nucené“ poddajnosti. V souladu s touto hypotézou dochází vlivem substrátu k nezbytnému uspořádání funkčních skupin v aktivním centru enzymu. Reaktivní konformace celé molekuly enzymu a jejího aktivního centra vzniká v důsledku deformačního účinku substrátu. Je třeba mít na paměti, že indukovaná poddajnost vzniká nejen změnou konformace enzymu, ale také přeskupením molekuly substrátu.
Hypotéza „forced fit“ byla experimentálně potvrzena, když byla prokázána změna v uspořádání funkčních skupin aktivního místa během procesu uchycení substrátu. Specifičnost enzymu je pravděpodobně dána možností konformačních přestaveb aktivního centra. Pokud jsou možnosti přeskupení velké, pak enzym může interagovat s několika substráty, které mají podobnou strukturu a vykazují skupinovou specifitu, je-li možnost ostře omezená, pak je enzym vysoce specifický.
Hypotéza indukované korespondence předpokládá přítomnost mezi enzymem a substrátem nejen prostorové komplementarity, ale také elektrostatické interakce způsobené opačně nabitými skupinami substrátu a enzymu.
Tělo současně realizuje obrovské množství biochemických reakcí důležitých pro životně důležité procesy, které je nutné přísně regulovat v souladu s potřebami organismu. Tato regulace by měla zajistit dodávku potřebných komponent v daném časovém úseku s co nejmenší spotřebou energie. Vzhledem k tomu, že prakticky každá biologicky důležitá reakce je enzymatickou reakcí, je zřejmé, že k takové regulaci dochází především prostřednictvím řízení enzymů, které katalyzují klíčové metabolické reakce.
Rychlost tvorby konečného produktu metabolické dráhy lze regulovat buď změnou aktivity odpovídajících enzymů, nebo zvýšením či snížením počtu molekul enzymu (indukce nebo represe).
Regulace enzymových aktivit v buňkách probíhá různými způsoby. Pro většinu enzymů, které se řídí Michaelis-Mentenovou rovnicí, je koncentrace substrátu důležitým regulačním faktorem. Byla zavedena hodnota Km, představující koncentraci substrátu, při které je reakční rychlost 50 % maxima. Vzhledem k tomu, že koncentrace substrátů v buňce je blízká Km nebo mírně nižší, malé změny v koncentraci substrátů vedou k relativně velkým změnám reakčních rychlostí.
Regulace enzymové aktivity může být provedena přímými účinky na vazebná centra substrátu, například inhibicí enzymu analogy substrátu.
Inhibitory proteinové povahy se pevně váží na aktivní centrum enzymu. Například inhibitor trypsinu je protein s molekulovou hmotností 6000. Má silný inhibiční účinek, protože je přísně komplementární ke struktuře aktivního centra enzymu.
Mnohem častější je však alosterický (nekovalentní) typ regulace enzymové aktivity.
Alosterická regulace charakteristické pro enzymy sestávající ze 2 nebo více podjednotek a mající více než jedno centrum vázající substrát. Tyto enzymy obsahují alosterická centra (odlišná od center vázajících substrát), která jsou schopna vázat určité látky zvané alosterické efektory. Pokud vazba efektoru snižuje rychlost enzymatické reakce, pak se nazývá alosterický inhibitor, pokud se zvyšuje, nazývá se alosterický aktivátor. Různé metabolity, hormony a koenzymy působí jako alosterické efektory enzymů. Jedním ze způsobů regulace alosterických enzymů je inhibice prostřednictvím „negativní zpětné vazby“ nebo „retroinhibice“, tzn. inhibice konečným produktem reakce. Některé molekuly enzymů mají několik alosterických center, z nichž některá jsou specifická pro pozitivní, jiná pro negativní efektory. Allosterická centra enzymů, stejně jako aktivní centra, mohou vykazovat výraznou specificitu, když se mohou vázat pouze na jeden specifický efektor, nebo relativní specificitu, kdy může nastat vazba efektorů podobné struktury.
Mechanismus účinku alosterického efektoru je spojen se změnou konformace podjednotek, z nichž je enzym postaven, což ovlivňuje katalytickou aktivitu enzymu.
Allosterická regulace je jedním z nejjemnějších a vysoce specifických mechanismů „rychlé reakce“ na určité procesy v prostředí a používá se k doladění metabolických systémů. Efektor může působit pouze v jedné nebo několika tkáních těla a být spojen s přesně definovaným metabolickým spojením.
Allosterické enzymy jsou charakterizovány fenoménem kooperativnosti. Projevuje se tím, že katalytická centra podjednotek interagují nikoli autonomně, ale propojeně. Interakce se substrátem nebo efektorem jednoho z těchto center zvyšuje schopnost ostatních aktivních center interagovat (pozitivní kooperativita). V některých případech vazba jednoho aktivního místa na substrát snižuje schopnost vázat další místa (negativní kooperativita).
Pozitivní kooperativita byla nejlépe prostudována na příkladu molekuly hemoglobinu, která má čtyři 0 2 vazebná místa (skupiny hemů). Vazba molekuly kyslíku jedním centrem vede ke zvýšené interakci s kyslíkem v jiných oblastech. Afinita hemoglobinu pro 0 2 k poslední (čtvrté) skupině je více než 100krát větší než k první. Protože oblasti vázající kyslík jsou v molekule odděleny na velké vzdálenosti, nemohou interagovat přímo. Je zřejmé, že při oxygenaci se konformace molekuly jako celku změní, což vede ke změně afinity vazebných míst.
Spolupráce je také jedním ze způsobů regulace enzymové aktivity.
Aktivita enzymu se může změnit i v důsledku tzv kovalentní (posttranslační) modifikace, při kterém se buď odštěpí část molekuly, nebo se na enzym připojí malé skupiny. V obou případech tyto modifikace molekuly enzymu zahrnují rozbití nebo vytvoření kovalentních vazeb.
Je známo, že proteolytické enzymy gastrointestinálního traktu (pepsin, trypsin, chymotrypsin) jsou syntetizovány ve formě neaktivních prekurzorů - proenzymů. Regulace enzymové aktivity v tomto případě spočívá v tom, že působením specifických látek (enzymů) se neaktivní forma přemění na aktivní. Například trypsin je syntetizován ve slinivce ve formě trypsinogenu, který se po vstupu do tenkého střeva působením enzymu enterokinázy přeměňuje na trypsin. V tomto případě se z trypsinogenu odštěpí hexapeptid. Trypsin zase štěpí jednu peptidovou vazbu v chymotrypsinogenu, což vede ke strukturálním změnám v aktivním centru a převádí jej na aktivní chymotrypsin.
Přeměna pepsinogenu na aktivní formu pepsinu je také spojena se štěpením peptidu z neaktivní molekuly pepsinogenu. Syntéza proteolytických enzymů ve formě proenzymů je důležitá v procesu regulace procesu trávení v gastrointestinálním traktu.
K regulaci aktivity proteolytických enzymů v gastrointestinálním traktu dochází nejen přeměnou proenzymu na aktivní enzym, ale také vazbou enzymů na přirozené inhibitory. Ve sliznici žaludku a střev byly nalezeny nízkomolekulární proteiny, které inhibují působení pepsinu a trypsinu. Velmi aktivní inhibitor pepsinu byl izolován z prasečího žaludku a inhibitor trypsinu ze slinivky břišní.
Kovalentní modifikace enzymu se změnou jeho aktivity může nastat nejen v důsledku přerušení peptidových vazeb, ale navázáním specifické skupiny na molekulu enzymu. Například regulace aktivity enzymu glykogensyntetázy, který hraje hlavní roli v jemné regulaci syntézy glykogenu, se provádí fosforylací a defosforylací.
Fosforylace proteinkinázami je běžnou formou regulace enzymové aktivity kovalentní modifikací. Aktivita velkého množství enzymů a intenzita odpovídajících metabolických procesů jsou dány poměrem fosforylovaných a defosforylovaných forem těchto enzymů.
Regulace enzymatické aktivity může být provedena posílením syntézy existujících enzymů nebo dokonce nových enzymů v reakci na změněné životní podmínky (vznik nových potravinových faktorů, chemikálií).
Když jsou vystaveny specifickým látkám, „induktorům“ nebo „represorům“, proces transkripce je iniciován nebo potlačen. Tato regulace, prováděná během biosyntézy enzymu, může vést ke změnám koncentrace enzymu, změnám typů enzymů přítomných v buňce a složení izoenzymů.
Tato regulační dráha je pomalejší, protože je spojena se změnami v biosyntéze proteinů. Mezi signálem o nutnosti změnit koncentraci enzymu a stanovením jeho nového obsahu tedy uplyne určitá doba – od několika hodin až po několik dní. V důsledku toho nelze změnou koncentrace enzymu dosáhnout rychlé regulace reakční rychlosti. Avšak v případech, kdy není potřeba rychlá změna metabolismu, ale dlouhodobá regulace metabolického procesu, nabývá tato cesta na významu.
Například v případech, kdy je nutné stimulovat glukoneogenezi, se zvyšuje koncentrace enzymů, jako je glukóza-6-fosfatáza, fruktóza-1,6-bisfosfatáza a fosfoenolpyruvátkarboxyláza. Potřeba zvýšeného množství těchto enzymů je způsobena skutečností, že katalyzují reakce, které obcházejí fyziologicky nevratné fáze přímého cyklu.
Bylo prokázáno, že při metabolické acidóze u zvířat se zvyšuje syntéza glutaminázy. To je způsobeno nutností neutralizovat kyselé produkty hromadící se v těle pomocí amoniaku.
Důkazy v literatuře naznačují, že indukce nebo represe enzymů může být způsobena dietními faktory.
Podání glukózy krysám, které předtím hladovaly 5 dní, způsobilo prudké zvýšení aktivity glukokinázy. Protože injekce puromycinu nebo aktimicinu D potlačila tuto aktivaci, došlo k závěru, že důvodem zvýšení aktivity enzymu bylo zvýšení jeho syntézy (puromycin inhibuje syntézu proteinů a aktinomycin inhibuje syntézu mRNA).
Vztah mezi aktivitou enzymů cyklu močoviny a množstvím bílkovin ve stravě je dobře znám. Zvýšení obsahu bílkovin ve stravě je doprovázeno zvýšením aktivity těchto enzymů a toto zvýšení je úměrné intenzitě syntézy močoviny. Nedošlo k žádným změnám kinetických vlastností enzymatických molekul ani přítomnosti jakýchkoli inhibitorů či aktivátorů, což vedlo k závěru, že zvýšení aktivity je spojeno se zvýšenou syntézou odpovídajících enzymů.
Indukce enzymů v patologii má velký význam. Indukce enzymů je často spojena s rozvojem ochranných procesů v případě patologických stavů v těle. Zároveň je třeba mít na paměti, že v některých případech může zvýšená syntéza enzymů v reakci na změny vnějších podmínek prostředí vést k rozvoji patologického procesu.
V některých případech, kdy se do těla dostanou léčivé nebo jiné cizorodé látky, dochází i k indukci enzymů. Ne vždy to však přispívá k adaptaci těla na novou látku a ne vždy poskytuje příznivější podmínky pro život těla, protože produkt enzymatické přeměny může být toxičtější než původní látka. V tomto případě bude účinek negativní.
Bylo zjištěno, že mnoho léčivých látek má schopnost indukovat tvorbu enzymů - barbituráty, těkavá anestetika, hypoglykemické látky, analgetika, insekticidy atd. Tímto jevem lze vysvětlit často pozorovanou závislost na některých léčivých látkách při jejich dlouhodobém užívání. .
Například při experimentálním podávání fenylbutazonu psům se zvýšil jeho obsah v krvi a byl pozorován fenomén intoxikace. Opakované podávání tohoto léku již nezpůsobilo tak výrazné zvýšení jeho krevních hladin a žádný toxický účinek.
Indukce enzymů farmakologickými látkami často není vysoce specifická. Často se tvoří enzymy, které podporují přeměnu nejen této látky – induktoru, ale některých dalších léčivých látek. Například zavedení pentabarbiturátu do organismu vede ke zvýšenému metabolismu nejen této látky, ale způsobuje i zvýšenou oxidaci hexabarbiturátu a dokonce i látek, které do skupiny barbiturátů nepatří.
Hovoříme-li o metabolismu léčivých látek v těle, je třeba mít na paměti, že jej lze provádět nejen indukcí enzymů, ale také alosterickou a kovalentní modifikací enzymů.
Principy klinické enzymové diagnostiky
