Ֆերմենտային գործունեության կարգավորման մակարդակները. Ֆերմենտային ակտիվության կարգավորումը և դրանց մեթոդները Ֆերմենտային ակտիվության կարգավորման մոլեկուլային մեխանիզմներ
Լինելով կենդանի նյութի միավոր, որը գործում է որպես բաց կենսաբանական համակարգերի համալիր՝ բջիջը մշտապես փոխանակում է նյութերը և էներգիան արտաքին միջավայրի հետ։ Հոմեոստազը պահպանելու համար գոյություն ունի հատուկ սպիտակուցային նյութերի խումբ՝ ֆերմենտներ։ Ֆերմենտների գործունեության կառուցվածքը, գործառույթները և կարգավորումը ուսումնասիրվում են կենսաքիմիայի հատուկ ճյուղի կողմից, որը կոչվում է ֆերմենտաբանություն: Այս հոդվածում, օգտագործելով կոնկրետ օրինակներ, մենք կքննարկենք բարձրակարգ կաթնասունների և մարդկանց ֆերմենտային ակտիվության կարգավորման տարբեր մեխանիզմներ և մեթոդներ:
Ֆերմենտների օպտիմալ գործունեության համար անհրաժեշտ պայմաններ
Կենսաբանական ակտիվ նյութերը, որոնք ընտրողաբար ազդում են ինչպես յուրացման, այնպես էլ քայքայման ռեակցիաների վրա, որոշակի պայմաններում ցուցադրում են իրենց կատալիտիկ հատկությունները բջիջներում: Օրինակ, կարեւոր է պարզել, թե բջջի որ հատվածում է տեղի ունենում քիմիական պրոցեսը, որին մասնակցում են ֆերմենտները։ Կոմպարտմենտացիայի (ցիտոպլազմայի բաժանումը հատվածների) շնորհիվ նրա տարբեր մասերում և օրգանելներում տեղի են ունենում անտագոնիստական ռեակցիաներ։
Այսպիսով, սպիտակուցի սինթեզը տեղի է ունենում ռիբոսոմներում, իսկ դրանց քայքայումը՝ հիալոպլազմում։ Հակառակ կենսաքիմիական ռեակցիաները կատալիզացնող ֆերմենտների ակտիվության բջջային կարգավորումը ապահովում է ոչ միայն նյութափոխանակության օպտիմալ արագությունը, այլև կանխում է էներգետիկորեն անօգուտ նյութափոխանակության ուղիների ձևավորումը:
Մուլտիֆերմենտային համալիր
Ֆերմենտների կառուցվածքային և ֆունկցիոնալ կազմակերպումը կազմում է բջջի ֆերմենտային ապարատը։ Նրանում տեղի ունեցող քիմիական ռեակցիաների մեծ մասը փոխկապակցված են։ Եթե բազմաստիճան ռեակցիայի դեպքում առաջին ռեակցիայի արդյունքը ռեագենտ է հաջորդի համար, ապա այս դեպքում բջջում հատկապես ընդգծված է ֆերմենտների տարածական դասավորությունը։
Պետք է հիշել, որ ֆերմենտները բնույթով պարզ կամ բարդ սպիտակուցներ են: Իսկ բջջային սուբստրատի նկատմամբ նրանց զգայունությունը բացատրվում է հիմնականում պեպտիդի երրորդական կամ չորրորդական կառուցվածքի ներքին տարածական կոնֆիգուրացիայի փոփոխություններով: Ֆերմենտները նաև արձագանքում են ոչ միայն բջջային պարամետրերի փոփոխություններին, ինչպիսիք են հիալոպլազմի քիմիական բաղադրությունը, ռեակտիվների և ռեակցիայի արտադրանքի կոնցենտրացիան, ջերմաստիճանը, այլ նաև հարևան բջիջներում կամ միջբջջային հեղուկում տեղի ունեցող փոփոխություններին:
Ինչու՞ է բջիջը բաժանված բաժանմունքների:
Կենդանի բնության կառուցվածքի ռացիոնալությունն ու տրամաբանությունը ուղղակի զարմանալի է։ Սա լիովին վերաբերում է բջիջին բնորոշ կենսական դրսեւորումներին։ Քիմիկոս գիտնականի համար բացարձակապես պարզ է, որ բազմակողմանի ֆերմենտային քիմիական ռեակցիաները, օրինակ՝ գլյուկոզայի սինթեզը և գլիկոլիզը, չեն կարող տեղի ունենալ նույն փորձանոթում։ Այդ դեպքում ինչպե՞ս են հակառակ ռեակցիաները տեղի ունենում մեկ բջջի հիալոպլազմայում, որը հանդիսանում է դրանց իրականացման հիմքը: Պարզվում է, որ բջջային պարունակությունը՝ ցիտոզոլը, որում տեղի են ունենում անտագոնիստական քիմիական պրոցեսներ, տարածականորեն առանձնացված են և ձևավորում են մեկուսացված տեղամասեր։ Դրանց շնորհիվ բարձրակարգ կաթնասունների և մարդկանց նյութափոխանակության ռեակցիաները կարգավորվում են հատկապես ճշգրիտ, և նյութափոխանակության արտադրանքները վերածվում են ձևերի, որոնք ազատորեն ներթափանցում են բջջային տարածքների միջնորմներով: Այնուհետեւ նրանք վերականգնում են իրենց սկզբնական կառուցվածքը։ Բացի ցիտոզոլից, ֆերմենտներ են պարունակվում օրգանելներում՝ ռիբոսոմներ, միտոքոնդրիաներ, միջուկներ, լիզոսոմներ։
Ֆերմենտների դերը էներգետիկ նյութափոխանակության մեջ
Դիտարկենք պիրվատի օքսիդատիվ դեկարբոքսիլացումը: Նրանում ֆերմենտների կատալիտիկ ակտիվության կարգավորումը լավ ուսումնասիրվել է ֆերմենտաբանության կողմից։ Այս կենսաքիմիական գործընթացը տեղի է ունենում միտոքոնդրիումներում՝ էուկարիոտ բջիջների կրկնակի թաղանթային օրգանելներում, և միջանկյալ գործընթաց է գլյուկոզայի թթվածնազուրկ քայքայման և պիրուվատդեհիդրոգենազային համալիրի՝ PDH-ի միջև, որը պարունակում է երեք ֆերմենտ: Բարձրագույն կաթնասունների և մարդկանց մոտ դրա նվազումը տեղի է ունենում Acetyl-CoA-ի և NATH-ի կոնցենտրացիայի բարձրացմամբ, այսինքն՝ Acetyl-CoA մոլեկուլների ձևավորման այլընտրանքային հնարավորությունների ի հայտ գալու դեպքում։ Եթե բջիջը էներգիայի լրացուցիչ մասի կարիք ունի և պահանջում է նոր ընդունող մոլեկուլներ՝ եռաքարբոքսիլաթթվի ցիկլի ռեակցիաները ուժեղացնելու համար, ապա ֆերմենտներն ակտիվանում են։
Ինչ է ալոստերիկ արգելակումը
Ֆերմենտային ակտիվության կարգավորումը կարող է իրականացվել հատուկ նյութերով՝ կատալիտիկ ինհիբիտորներով։ Նրանք կարող են կովալենտորեն կապվել ֆերմենտի որոշակի տեղամասերի հետ՝ շրջանցելով նրա ակտիվ կենտրոնը։ Սա հանգեցնում է կատալիզատորի տարածական կառուցվածքի դեֆորմացմանը և ինքնաբերաբար հանգեցնում է նրա ֆերմենտային հատկությունների նվազմանը: Այլ կերպ ասած, տեղի է ունենում ֆերմենտային ակտիվության ալոստերիկ կարգավորում: Ավելացնենք նաև, որ կատալիտիկ գործողության այս ձևը բնորոշ է օլիգոմերային ֆերմենտներին, այսինքն՝ նրանց, որոնց մոլեկուլները բաղկացած են երկու կամ ավելի պոլիմերային սպիտակուցային ենթամիավորներից։ Նախորդ գլխում քննարկված PDH համալիրը պարունակում է ճշգրիտ երեք օլիգոմերային ֆերմենտներ՝ պիրուվատ դեհիդրոգենազ, դեհիդրոլիպոյլդեհիդրոգենազ և հիդրոլիպոյլ տրանսացետիլազ:
Կարգավորող ֆերմենտներ
Ֆերմենտաբանության հետազոտությունները հաստատել են այն փաստը, որ դա կախված է կատալիզատորի ինչպես կոնցենտրացիայից, այնպես էլ ակտիվությունից: Ամենից հաճախ նյութափոխանակության ուղիները պարունակում են հիմնական ֆերմենտներ, որոնք կարգավորում են դրանց բոլոր բաժինները:
Նրանք կոչվում են կարգավորող և սովորաբար ազդում են համալիրի սկզբնական ռեակցիաների վրա, ինչպես նաև կարող են մասնակցել անդառնալի ռեակցիաների ամենադանդաղ քիմիական գործընթացներին կամ միանալ ռեակտիվներին նյութափոխանակության ճանապարհի ճյուղային կետերում:
Ինչպե՞ս է առաջանում պեպտիդների փոխազդեցությունը:
Բջիջներում ֆերմենտների ակտիվության կարգավորման ուղիներից մեկը սպիտակուց-սպիտակուց փոխազդեցությունն է: Ինչի՞ մասին ենք խոսում։ Կարգավորող սպիտակուցները կցվում են ֆերմենտի մոլեկուլին, որի արդյունքում ակտիվանում են։ Օրինակ, ադենիլատ ցիկլազ ֆերմենտը գտնվում է բջջային մեմբրանի ներքին մակերեսին և կարող է փոխազդել այնպիսի կառուցվածքների հետ, ինչպիսիք են հորմոնային ընկալիչը, ինչպես նաև նրա և ֆերմենտի միջև գտնվող պեպտիդը: Քանի որ հորմոնի և ընկալիչի միացման արդյունքում միջանկյալ սպիտակուցը փոխում է իր տարածական հաստատումը, կենսաքիմիայում ադենիլատ ցիկլազի կատալիտիկ հատկությունների բարձրացման այս մեթոդը կոչվում է «կարգավորիչ սպիտակուցների կցման պատճառով ակտիվացում»:
Պրոտոմերները և նրանց դերը կենսաքիմիայում
Նյութերի այս խումբը, որն այլ կերպ կոչվում է պրոտեին կինազներ, արագացնում է PO 4 3- անիոնի փոխանցումը պեպտիդային մակրոմոլեկուլում ընդգրկված ամինաթթուների հիդրոքսո խմբերին: Մենք կդիտարկենք պրոտոմերային ֆերմենտների գործունեության կարգավորումը՝ օգտագործելով պրոտեին կինազ A-ի օրինակը: Դրա մոլեկուլը՝ տետրամերը, բաղկացած է երկու կատալիտիկ և երկու կարգավորող պեպտիդային ենթախմբերից և չի գործում որպես կատալիզատոր, քանի դեռ cAMP-ի չորս մոլեկուլները կցված չեն կարգավորիչին։ պրոտոմերների շրջանները։ Սա հանգեցնում է կարգավորող սպիտակուցների տարածական կառուցվածքի վերափոխմանը, ինչը հանգեցնում է երկու ակտիվացված կատալիտիկ սպիտակուցի մասնիկների ազատմանը, այսինքն՝ տեղի է ունենում պրոտոմերների տարանջատում։ Եթե cAMP-ի մոլեկուլները առանձնացված են կարգավորող ստորաբաժանումներից, ապա ոչ ակտիվ պրոտեին կինազային համալիրը կրկին վերականգնվում է տետրամերի, քանի որ տեղի է ունենում կատալիտիկ և կարգավորող պեպտիդ մասնիկների միացում: Այսպիսով, ֆերմենտների ակտիվությունը կարգավորելու վերը քննարկված ուղիները ապահովում են դրանց շրջելի բնույթը:
Ֆերմենտների ակտիվության քիմիական կարգավորումը
Կենսաքիմիան ուսումնասիրել է նաև ֆերմենտների ակտիվությունը կարգավորող մեխանիզմներ, ինչպիսիք են ֆոսֆորիլացումը և դեֆոսֆորիլացումը: Ֆերմենտային ակտիվության կարգավորման մեխանիզմն այս դեպքում հետևյալն է՝ OH- խմբեր պարունակող ֆերմենտի ամինաթթուների մնացորդները փոխում են իրենց քիմիական մոդիֆիկացիան՝ դրանց վրա ֆոսֆոպրոտեին ֆոսֆատազների ազդեցության պատճառով։ Այս դեպքում կարելի է ուղղում կատարել, և որոշ ֆերմենտների մոտ դա է պատճառը, որ ակտիվացնում է դրանք, իսկ մյուսների մոտ այն արգելակում է։ Իր հերթին, ինքնին ֆոսֆոպրոտեին ֆոսֆատազների կատալիտիկ հատկությունները կարգավորվում են հորմոնով: Օրինակ՝ կենդանական օսլան՝ գլիկոգենը, և ճարպը կերակուրների միջև ընկած ժամանակահատվածում քայքայվում են աղեստամոքսային տրակտում, ավելի ճիշտ՝ տասներկումատնյա աղիքում՝ ենթաստամոքսային գեղձի ֆերմենտի գլյուկագոնի ազդեցության տակ։
Այս գործընթացը ուժեղանում է աղեստամոքսային տրակտի տրոֆիկ ֆերմենտների ֆոսֆորիլացմամբ: Ակտիվ մարսողության ժամանակահատվածում, երբ սնունդը ստամոքսից մտնում է տասներկումատնյա աղիք, գլյուկագոնի սինթեզը մեծանում է։ Ինսուլինը` ենթաստամոքսային գեղձի մեկ այլ ֆերմենտ, որը արտադրվում է Լանգերհանսի կղզիների ալֆա բջիջների կողմից, փոխազդում է ընկալիչների հետ, ներառյալ նույն մարսողական ֆերմենտների ֆոսֆորիլացման մեխանիզմը:
Մասնակի պրոտեոլիզ
Ինչպես տեսնում ենք, բջջում ֆերմենտային ակտիվության կարգավորման մակարդակները բազմազան են։ Ցիտոզոլից կամ օրգանելներից դուրս գտնվող ֆերմենտների համար (արյան պլազմայում կամ աղեստամոքսային տրակտում) դրանց ակտիվացման մեթոդը CO-NH պեպտիդային կապերի հիդրոլիզի գործընթացն է։ Դա անհրաժեշտ է, քանի որ նման ֆերմենտները սինթեզվում են ոչ ակտիվ ձևով: Պեպտիդային մասը բաժանվում է ֆերմենտի մոլեկուլից, իսկ մնացած կառուցվածքում ակտիվ կենտրոնը փոփոխվում է: Սա հանգեցնում է նրան, որ ֆերմենտը «մտնում է աշխատանքային վիճակ», այսինքն՝ ունակ է դառնում ազդելու քիմիական գործընթացի ընթացքի վրա։ Օրինակ, ենթաստամոքսային գեղձի ոչ ակտիվ ֆերմենտը տրիպսինոգենը չի քայքայում սննդի սպիտակուցները, որոնք մտնում են տասներկումատնյա աղիք: Դրանում պրոտեոլիզը տեղի է ունենում էնտերոպեպտիդազի ազդեցության ներքո։ Որից հետո ֆերմենտը ակտիվանում է և այժմ կոչվում է տրիպսին։ Մասնակի պրոտեոլիզը շրջելի գործընթաց է: Դա տեղի է ունենում այնպիսի դեպքերում, ինչպիսիք են արյան մակարդման գործընթացներում պոլիպեպտիդները քայքայող ֆերմենտների ակտիվացումը:
Սկսնակ նյութերի կոնցենտրացիայի դերը բջջային նյութափոխանակության մեջ
Ֆերմենտային ակտիվության կարգավորումը սուբստրատի առկայությամբ մեր կողմից մասամբ քննարկվել է «Բազմաֆերմենտային համալիր» ենթավերնագրում: Այն արագությունը, որով այն տեղի է ունենում մի քանի փուլով, մեծապես կախված է նրանից, թե սկզբնական նյութի քանի մոլեկուլ կա բջջի հիալոպլազմայում կամ օրգանելներում: Դա պայմանավորված է նրանով, որ նյութափոխանակության ուղու արագությունը ուղիղ համեմատական է սկզբնական նյութի կոնցենտրացիայի հետ: Որքան շատ են ռեագենտի մոլեկուլները ցիտոզոլում, այնքան բարձր է բոլոր հետագա քիմիական ռեակցիաների արագությունը:
Ալոստերիկ կարգավորում
Ֆերմենտները, որոնց գործունեությունը վերահսկվում է ոչ միայն սկզբնական ռեակտիվ նյութերի կոնցենտրացիայով, այլև էֆեկտոր նյութերով, բնութագրվում են այսպես կոչված, այսպես կոչված, նման ֆերմենտներով բջջի միջանկյալ նյութափոխանակության արտադրանքներով: Էֆեկտորների շնորհիվ կարգավորվում է ֆերմենտային ակտիվությունը։ Կենսաքիմիան ապացուցել է, որ նման միացությունները, որոնք կոչվում են ալոստերիկ ֆերմենտներ, շատ կարևոր են բջջային նյութափոխանակության համար, քանի որ չափազանց զգայուն են դրա հոմեոստազի փոփոխությունների նկատմամբ: Եթե ֆերմենտը արգելակում է քիմիական ռեակցիան, այսինքն՝ նվազեցնում է դրա արագությունը, այն կոչվում է բացասական էֆեկտոր (ինհիբիտոր): Հակառակ դեպքում, երբ նկատվում է ռեակցիայի արագության աճ, խոսքը ակտիվացնողի՝ դրական էֆեկտորի մասին է։ Շատ դեպքերում ակտիվացնողի դեր են խաղում սկզբնական նյութերը, այսինքն՝ քիմիական փոխազդեցության մեջ մտնող ռեագենտները։ Բազմաստիճան ռեակցիաների արդյունքում ձևավորված վերջնական արտադրանքները իրենց պահում են որպես արգելակիչներ։ Կարգավորման այս տեսակը, որը հիմնված է ռեակտիվների և արտադրանքի կոնցենտրացիաների միջև փոխհարաբերությունների վրա, կոչվում է հետերոտրոֆիկ:
1. Կարգավորելու ունակությունը կարևոր է դարձնում ֆերմենտներընշանակալից մասնակիցներ և օրիգինալ կազմակերպիչներբջջային գործընթացները մարդու մարմնում.Բջջում ֆերմենտային ռեակցիաների արագության կարգավորումը հիմնական մեխանիզմն է ոչ միայն նյութափոխանակության ուղիների վերահսկման և համակարգման, այլև բջջի աճի և զարգացման, ինչպես նաև շրջակա միջավայրի փոփոխություններին արձագանքելու համար:
2. Ֆերմենտային ռեակցիաների արագությունը վերահսկելու երկու հիմնական եղանակ կա.
— Ֆերմենտի քանակի վերահսկում:
Բջջում որոշվում է ֆերմենտի քանակը դրա սինթեզի և քայքայման արագությունների հարաբերակցությունը.Ֆերմենտային ռեակցիայի արագությունը կարգավորելու այս մեթոդը ավելի դանդաղ գործընթաց է (հայտնվում է մի քանի ժամ հետո), քան ֆերմենտների ակտիվությունը կարգավորելը (գրեթե ակնթարթային արձագանք):
— Ֆերմենտների ակտիվության վերահսկում.
Ֆերմենտների ակտիվությունը կարող է կարգավորվել որոշների հետ փոխազդեցությամբ նյութեր, որոնք փոխում են ակտիվ կենտրոնի կառուցվածքը.
3. Ֆերմենտներ, որոնք կարգավորում են նյութափոխանակության ուղիների արագությունը.
- սովորաբար գործում է նյութափոխանակության ուղիների վաղ փուլերում, նյութափոխանակության ուղիների հիմնական ճյուղերի վայրերում.
- կատալիզացնել գործնականում անդառնալի ռեակցիաները բջջային պայմաններում, որոնք ընթանում են առավել դանդաղ (հիմնականները):
Օրինակ 1. Հետադարձ կապի կարգավորում.Բազմաստիճան նյութափոխանակության ուղիներում վերջնական արտադրանքը արգելակում է գործընթացի կարգավորիչ (առանցքային) ֆերմենտը:
Առաջին ֆերմենտը (Ej) A նյութը Z նյութի վերածելու հաջորդական ուղու մեջ սովորաբար արգելակվում է այս նյութափոխանակության ճանապարհի վերջնական արտադրանքի կողմից:
Հիմնական ֆերմենտների ակտիվության փոփոխություն Ե 1տեղի է ունենում Z նյութի միացումից հետո կոնֆորմացիայի փոփոխության արդյունքում ալոստերիկսկոմ կենտրոն— ակտիվ կենտրոնից հեռու գտնվող տարածք: ՖերմենտԵ 1 ալոստերիկ.
Հետադարձ կապի կարգավորումը տեղի է ունենում համեմատաբար արագ, և հաճախ բջջի առաջին արձագանքն է փոփոխվող պայմաններին:
Մյուս կողմից, ֆերմենտը E x ակտիվ կլինի, երբ նյութի կոնցենտրացիան նվազում էԶ.
4. Բջջում ֆերմենտների կատալիտիկ ակտիվության կարգավորման և դրանց ակտիվացման ընթացքում ֆերմենտների կառուցվածքային փոփոխությունների հիմնական տեսակները ներկայացված են Աղյուսակում: 2.3.
5. Ֆերմենտի սինթեզի խանգարումը կարող է հանգեցնելֆերմենտներ,որի դեպքում նյութափոխանակության ուղու մեջ մեկ ֆերմենտի բացակայությունը կարող է հանգեցնել վերջնական արտադրանքի ձևավորման խանգարմանը: Նյութափոխանակության ուղիների փոխկախվածության պատճառով մեկ ֆերմենտի թերությունը հաճախ հանգեցնում է մի շարք նյութափոխանակության խանգարումների.
.jpg)
Հնարավորություն կա, որ ավելցուկային կուտակված ենթաշերտը կարող է անցնել կողային նյութափոխանակության ուղի անսովոր և հաճախ թունավոր նյութի Bj ձևավորմամբ:
6. Հետևյալ բաժիններն ուսումնասիրելիս հաշվի կառնվեն ֆերմենտների առանձին օրինակներ (դիսախարիդոզներ, գլիկոգենոզներ, ագլիկոգենոզներ, ֆենիլպիրուվիկ օլիգոֆրենիա):
Ֆերմենտների գործունեության կարգավորումը.
Ակտիվացման մեխանիզմներ.
1) Կովալենտային ձևափոխություն (այսինքն՝ փոխվում են ֆերմենտների կովալենտային կապերը)
ա) մասնակի պրոտեոլիզը (պեպսինոգենը և տրիպսինոգենը կարող են ազդել ոչ միայն աղաթթվի և էնտերոկինազի, այլև ակտիվ ֆերմենտների կողմից՝ համապատասխանաբար պեպսինի և տրիպսինի, այսինքն՝ տեղի է ունենում ավտոկատալիզ):
բ) ֆոսֆորիլացում և դեֆոսֆորիլացում. Ֆոսֆորիլացումն իրականացվում է սպիտակուցային կինազների միջոցով։
2) Ակտիվ կենտրոնի ավարտը (առավել հաճախ դրանք մետաղական իոններ են, հատկապես մանգան, բայց որոշ դեպքերում մետաղը միանում է ծծմբի հետ, իսկ հետո ծծումբն ավելի հեշտ է փոխազդում ակտիվ կենտրոնի հետ):
3) ալոստերիկ ակտիվացում. Որպես կանոն, ազդեցությունը տեղի է ունենում ենթաբաժնի վրա, որտեղ չկա ակտիվ կենտրոն (այսինքն, սա ավելի հաճախ բնորոշ է օլիգոմերներին), բայց այս ենթաբաժինն ունի կարգավորող տեղ, որի վրա կարող է ազդել որոշ մետաբոլիտ (օրինակ, ADP): և ստորաբաժանումը փոխում է իր կառուցվածքը, միևնույն ժամանակ փոխելով ակտիվ կենտրոն պարունակող ենթամիավորի կառուցվածքը, դրանով իսկ այն ավելի հասանելի դարձնելով սուբստրատի համար: Որպես կանոն, ալոստերիկ ակտիվացումը և արգելակումը ինքնակարգավորվող գործընթացներ են, երբ միջանկյալ կամ վերջնական մետաբոլիտները կարգավորում են ռեակցիայի արագությունը։
Բջջում ֆերմենտի կառուցվածքային կազմակերպումը .
Բջջային յուրաքանչյուր կառուցվածք ունի ֆերմենտների հատուկ հավաքածու, որը թույլ է տալիս կատարել որոշակի գործառույթ: Օրինակ, միտոքոնդրիումները հագեցած են ֆերմենտներով, որոնք կարող են օքսիդացնել որոշ սուբստրատներ և օգտագործել ստացված էներգիան: Միջուկներ (դրանք պարունակում են ԴՆԹ-ի և ՌՆԹ-ի սինթեզ, որոնք ընդունակ են պահպանելու և փոխանցելու ժառանգական տեղեկատվություն) և ունեն նաև ֆերմենտների հատուկ հավաքածու (ՌՆԹ և ԴՆԹ պոլիմերազներ և այլն): Լիզոսոմները (ոչնչացնում են տարբեր բարդ միացություններ) ունեն նաև ֆերմենտների համապատասխան հավաքածու (հիդրոլազներ, լիազներ և այլն)։
Ֆերմենտների այս բոլոր խմբերը խստորեն կառուցված են, այսինքն, դրանք կառուցված են, օրինակ, միտոքոնդրիալ մեմբրանի (շնչառական շղթայի) մեջ որոշակի կարգով և գտնվում են բարդության մեջ (օրինակ, մի համալիր, որն ապահովում է ճարպաթթուների սինթեզը. մի բարդույթ, որը նպաստում է պիրուվիթթվի փոխակերպմանը) երբեմն նույնիսկ խոսում են բջջային կառուցվածքների ցուցիչ (մարկեր) ֆերմենտների մասին (սուկցինատդեհիդրոգենազը՝ միտոքոնդրիումի համար, ՌՆԹ պոլիմերազը՝ միջուկի համար, թթվային ֆոսֆատազը՝ լիզոսոմների համար)։
Նյութափոխանակության գործընթացում ֆերմենտային ակտիվությունը մշտապես կարգավորվում է, այսինքն՝ ֆերմենտը երբեք միապաղաղ չի աշխատում։ Ֆերմենտների ակտիվությունը կարգավորելու տարբեր եղանակներ կան.
1) ֆերմենտի քանակությունը կարող է փոխվել (այսինքն՝ կա՛մ ավելանում է ֆերմենտի սինթեզը, կա՛մ նվազում): Դա տեղի է ունենում գեների արտահայտման փոփոխությունների պատճառով:
2) Ֆերմենտի քիմիական մոդիֆիկացիան կարող է փոխվել (ակտիվատորների, ինհիբիտորների կամ pH-ի փոփոխությունների ազդեցության տակ): Դրանք են մասնակի պրոտեոլիզը, ֆոսֆորիլացումը և դեֆոսֆորիլացումը, սուլֆոնացումը և այլն։
3) Ֆերմենտների ակտիվությունը փոխվում է հորմոնների ազդեցությամբ (տարբեր մեխանիզմներ).
4) Ֆերմենտի ակտիվության վրա կարող է ազդել հենց սուբստրատը կամ ռեակցիայի արտադրանքը (լինելով կա՛մ ակտիվացնող, կա՛մ արգելակող):
5) Կոմպարտմենտալացման երևույթը նկատվում է նաև բջիջներում, այսինքն՝ կենսաբանական թաղանթների, ֆերմենտների և այն սուբստրատների օգնությամբ, որոնք այդ ֆերմենտները կարող էին ոչնչացնել, բայց բջիջը դրա կարիքը չունի (օրինակ՝ լիզոսոմային պրոտեինազների, ֆոսֆատազների ֆերմենտները, և այլն) առանձնացված են ցիտոպլազմում գտնվող նյութերից) Կամ փոխադարձաբար անհամատեղելի գործընթացները բաժանվում են թաղանթների միջոցով (օրինակ՝ ճարպաթթուների սինթեզը տեղի է ունենում ցիտոպլազմայում, իսկ ճարպաթթուների քայքայումը։ միտոքոնդրիա): Ոչ բոլոր ֆերմենտներն են ենթակա կարգավորման: Բայց ֆերմենտային ռեակցիաների շղթայում կան առանցքային ֆերմենտներ, որոնք ակտիվանում կամ արգելակվում են:
Ֆերմենտի մեկուսացման սկզբունքները .
Ֆերմենտները հայտնաբերելու համար օգտագործվում է դրանց սպեցիֆիկ հատկությունը։ Նրանք վերցնում են որոշակի (սպեցիֆիկ) սուբստրատ, ընտրում են օպտիմալ պայմաններ (pH, ջերմաստիճան) և ավելացնում են ֆերմենտ՝ տեսնելու, թե արդյոք ռեակցիան տեղի է ունենում, մինչդեռ սուբստրատի կոնցենտրացիան նվազում է և արտադրանքի ձևավորումը մեծանում է։ Ֆերմենտների քանակական գնահատականը տրվում է նրանց ակտիվությամբ (քանի որ ֆերմենտները պարունակվում են չնչին քանակությամբ), այսինքն՝ որոշվում է ֆերմենտային ռեակցիայի արագությունը։ Ֆերմենտի ակտիվությունը որոշվում է մշտական ջերմաստիճանում (25 կամ 37 աստիճան Ցելսիուս), ստեղծելով օպտիմալ pH: Այս դեպքում ենթաշերտի կոնցենտրացիան պետք է լինի բավականին բարձր: Այս պայմաններում ռեակցիայի արագությունը ուղղակիորեն կախված է ֆերմենտի կոնցենտրացիայից \/ = K[F]: Ֆերմենտի ակտիվության միավորը համարվում է դրա նվազագույն քանակությունը, որը օպտիմալ պայմաններում մեկ րոպեում առաջացնում է մեկ միկրոմոլ սուբստրատի փոխակերպում:
Հատուկ ակտիվությունը ֆերմենտային ակտիվությունն է մեկ մգ սպիտակուցի համար: Ֆերմենտների անվանացանկի վերաբերյալ Միջազգային կենսաքիմիական միության հանձնաժողովի առաջարկությունների համաձայն՝ առաջարկվում է օգտագործել կատալ՝ ֆերմենտային ակտիվություն արտահայտելու համար։ 1 կատալ - ϶ᴛᴏ կատալիտիկ ակտիվություն, որն ունակ է ռեակցիա իրականացնել վայրկյանում մեկ մոլին հավասար արագությամբ։
Ֆերմենտների գործունեության կարգավորումը. - հայեցակարգ և տեսակներ: «Ֆերմենտային գործունեության կարգավորում» կատեգորիայի դասակարգումը և առանձնահատկությունները. 2017թ., 2018թ.
Ֆերմենտային ակտիվության կարգավորումը բջջի հաջող գործունեության համար ոչ պակաս կարևոր գործընթաց է, քան տրանսկրիպցիոն մակարդակում գեների արտահայտման կարգավորումը։ Այս մեխանիզմների առկայությունը թույլ է տալիս բջիջներին և ամբողջ մարմնին հստակորեն համակարգել բազմաթիվ ճյուղավորված մետաբոլիկ ռեակցիաների իրականացումը, ապահովելով նյութափոխանակության ամենաբարձր և տնտեսական մակարդակը, ինչպես նաև արագ հարմարվողականությունը շրջակա միջավայրի փոփոխվող պայմաններին: Այս դեպքում ֆերմենտների սինթեզի կարգավորումն ավելի դանդաղ մեխանիզմ է, որը գործում է շատ րոպեների կամ նույնիսկ ժամերի ընթացքում, մինչդեռ ֆերմենտային ակտիվության փոփոխությունը տեղի է ունենում ակնթարթորեն և գործում է մի քանի րոպեի կամ վայրկյանի ընթացքում: Ֆերմենտային ակտիվության կարգավորումը կարելի է անվանել բջջային նյութափոխանակության «նուրբ կարգավորում»:
Ֆերմենտային գործունեության կարգավորումը կարող է իրականացվել մի քանի եղանակներով, որոնցից ամենատարածվածներն են ալոստերիկ կարգավորումԵվ կովալենտային փոփոխություն.
Ոչ բոլոր ֆերմենտներն են ենթարկվում ալոստերիկ կարգավորման, այլ միայն նրանք, որոնք ունեն մոլեկուլում ալոստերիկ (հունարենից allos - այլ և ստերեո - մարմին, տարածություն) կենտրոն. մի տեղ, որը տարբերվում է ակտիվ կենտրոնից, որը բնութագրվում է կարգավորիչի նկատմամբ բարձր մերձեցմամբ: մոլեկուլներ.
Նման ֆերմենտները կոչվում են ալոստերիկ: Նրանց գործունեությունը կարգավորվում է ցածր մոլեկուլային քաշ ունեցող նյութերի մասնակցությամբ ( էֆեկտորներ), որի ընդհանուր հատկությունը ալոստերիկ կենտրոնի հետ փոխազդելու կարողությունն է, ինչը հանգեցնում է սպիտակուցի մոլեկուլի կոնֆորմացիայի աղավաղմանը։ Այս աղավաղումը փոխանցվում է ակտիվ վայր, որի արդյունքում փոփոխություններ են տեղի ունենում ֆերմենտի ակտիվության և համապատասխան ռեակցիայի արագության մեջ:
Էֆեկտորները կարող են հանդես գալ և՛ որպես ֆերմենտների ակտիվության արգելակիչներ, և՛ դրանց ակտիվացնողներ: Օրինակ արգելակումՖերմենտային ակտիվությունը կարող է պայմանավորված լինել E. coli-ում տրիպտոֆանի կենսասինթեզի ուղու առաջին ֆերմենտի ակտիվության նվազմամբ՝ անտրանիլատ սինթետազով, երբ բջջում տրիպտոֆանի ավելցուկ կա։ Այս դեպքում տրիպտոֆանը, որպես անվանված կենսասինթետիկ ուղու վերջնական արտադրանք, ծառայում է որպես հիմնական ֆերմենտի գործունեության արգելակ, որը համակարգում է այս ամինաթթվի սինթեզի արագությունը և թույլ է տալիս բջիջին խնայել իր ռեսուրսները: Իրոք, տրիպտոֆանի ավելցուկի դեպքում, օրինակ, երբ այն առկա է աճի միջավայրում, բջիջը կարիք չունի ծախսելու շինանյութեր և էներգիա իր սինթեզի վրա, այն կարող է օգտագործել էկզոգեն ամինաթթու: Իրոք, փորձնականորեն ապացուցված է, որ աճի գործընթացում բակտերիաները նախընտրելիորեն օգտագործում են ամինաթթուներ, պուրիններ և պիրիմիդիններ, որոնք ավելացվում են աճի միջավայրում, և որ այդ միացությունները արգելակող ազդեցություն ունեն պրեկուրսորային մոլեկուլներից իրենց սեփական սինթեզի վրա: Քանի որ այս դեպքում տրիպտոֆանը կենսասինթետիկ ուղու վերջնական արդյունքն է, որի արագությունը նվազում է, երբ հիմնական ֆերմենտը արգելակվում է, կարգավորման այս տեսակը կոչվում է « ռետրոինհիբացիա».
Ալոստերիկ ֆերմենտի ակտիվության աճը էֆեկտորին (ակտիվատորին) միանալուց կարելի է դիտարկել՝ օգտագործելով ասպարտատ տրանսկարբամոիլազայի (ATKase) օրինակը, որը կատալիզացնում է պիրիմիդինի կենսասինթեզի առաջին ռեակցիան: Այս ֆերմենտը ակտիվանում է ադենոզին տրիֆոսֆատով (ATP)՝ պուրինային նուկլեոտիդով։ Հարկ է նշել, որ միևնույն ժամանակ ATCase-ն արգելակվում է անվանված բիոսինթետիկ ճանապարհի վերջնական արտադրանքներից մեկով՝ ցիտիդին տրիֆոսֆատ (CTP), և ակտիվացնողն ու արգելակիչը կապվում են նույն ալոստերիկ կենտրոնի հետ։ Այսպիսով, մեկ ֆերմենտի ակտիվությունը կարգավորելով՝ ապահովվում է պուրինային և պիրիմիդին նուկլեոտիդների սինթեզի համակարգումը։
Ալոստերիկ կենտրոնի մուտացիոն վնասը կարող է պատճառ դառնալ, որ ֆերմենտը կորցնի էֆեկտորային մոլեկուլները կապելու և դրա ակտիվությունը փոխելու կարողությունը: Այս երևույթն օգտագործվում է միկրոօրգանիզմների ընտրության ժամանակ մուտանտներ ստանալու համար անզգայունացածֆերմենտներ. Նման միկրոօրգանիզմները հաճախ կենսաբանորեն ակտիվ նյութեր արտադրող են, և դրանց ընտրության համար օգտագործվում են մետաբոլիտների անալոգներ: Օրինակ, 5-մեթիլտրիպտոֆանը, ինչպես տրիպտոֆանը, ի վիճակի է արգելակել անտրանիլատ սինթետազի ակտիվությունը, բայց սպիտակուցի մեջ չի փոխարինում տրիպտոֆանին: Հետևաբար, E. coli բակտերիաները չեն կարողանում այս նյութով սինթետիկ միջավայրի վրա գաղութներ ստեղծել: Այնուամենայնիվ, հայտնի են E. coli մուտանտները, որոնք աճում են 5-մեթիլտրիպտոֆանով միջավայրում: Այս բակտերիաները իրենց բջիջներում պարունակում են անտրանիլատ սինթետազ, որը անզգայուն է ռետրոինհիբիացիայի նկատմամբ (անզգայունացված) և ավելորդ քանակությամբ սինթեզում է տրիպտոֆանը՝ այն արտանետելով արտաքին միջավայր:
Ֆերմենտի ակտիվությունը կարգավորելու մեկ այլ տարածված միջոց է կովալենտային մոդիֆիկացիան՝ փոքր քիմիական խմբի ավելացումը կամ հեռացումը ֆերմենտից: Նման մոդիֆիկացիաների օգնությամբ սովորաբար կամ ակտիվանում է ֆերմենտի լրիվ անգործուն ձևը, կամ հակառակը՝ լրիվ ակտիվ ֆերմենտը ապաակտիվանում է։ Կովալենտային մոդիֆիկացիայի երևույթը ներառում է՝ սահմանափակ պրոտեոլիզ (պոլիպեպտիդային շղթաների կրճատում), ֆոսֆորիլացում - դեֆոսֆորիլացում, ադենիլացում - դադենիլացում, ացետիլացում - դեացետիլացում և այլն: Օրինակ, կաթնասունների բջիջների գլիկոգեն սինթետազը, որը կատալիզացնում է գլիկոգենացված գլյուկոզայի վերածումը, ակտիվացվում է: Ֆոսֆատային խմբի կովալենտային կցումից հետո սերինի մնացորդներից մեկի կողային շղթային և նորից ակտիվանում է ֆոսֆատի վերացումից հետո: Ֆերմենտների կովալենտային ձևափոխման այլ օրինակներ նկարագրված են 3-րդ գլխում:
Ֆերմենտային ակտիվության կարգավորման առանձնահատուկ դեպք է ներկայացնում սպիտակուց-սպիտակուց փոխազդեցությունները, որոնցում հատուկ սպիտակուցները կատարում են ֆերմենտային արգելակիչների դեր։ Նման փոխազդեցությունների դեպքում ֆերմենտի ակտիվ կենտրոնը արգելափակվում է։ Սպիտակուցների կողմից արգելակումը առանձնահատուկ նշանակություն ունի սպիտակուցների հետթարգմանական ձևափոխման մեջ ներգրավված պրոտեինազների ակտիվությունը կարգավորելու համար: Սա նպաստում է բջջի համար կարևոր բազմաթիվ սպիտակուցների հասունացման արագության և, հետևաբար, գործընթացների ինտենսիվության փոփոխությանը, որոնց մասնակցում են վերջիններս։
Գլուխ 7. ԿՈՖԱԿՏՈՐՆԵՐ
Որոշ դեպքերում ֆերմենտները կատալիզի իրականացման համար պահանջում են հատուկ միջնորդներ՝ կոֆակտորներ: Կոֆակտորները ոչ սպիտակուցային նյութեր են, որոնք գործում են ֆերմենտային ռեակցիայի (կամ ռեակցիայի ցիկլի) միջանկյալ փուլերում, բայց կատալիզի ընթացքում չեն սպառվում: Դեպքերի ճնշող մեծամասնությունում կատալիտիկ ակտի ավարտից հետո կոֆակտորները վերականգնվում են անփոփոխ:
Տարբեր քիմիական բնույթի կոֆակտորները կարելի է բաժանել երկու հիմնական խմբի. կոֆերմենտներ(թույլ կապված է ֆերմենտի հետ և կատալիզացման ժամանակ նրանից առանձնանում) և պրոթեզավորման խմբեր(խիստ կապված է ֆերմենտի մոլեկուլի հետ):
Հիմնական մեխանիզմները, որոնց համաձայն կոֆակտորները մասնակցում են կատալիզացմանը, հետևյալն են.
Գործել որպես ֆերմենտների միջև կրողներ: Փոխադրողը, փոխազդելով մեկ ֆերմենտի հետ, ընդունում է սուբստրատի մի մասը, տեղափոխվում մեկ այլ ֆերմենտի և տեղափոխված մասը տեղափոխում երկրորդ ֆերմենտի սուբստրատ, որից հետո այն ազատվում է։ Այս մեխանիզմը բնորոշ է կոֆերմենտների մեծ մասի համար.
Նրանք հանդես են գալիս որպես «ներֆերմենտային» կրող, ինչը բնորոշ է առաջին հերթին պրոթեզային խմբերին։ Պրոթեզավորման խումբը կցում է սուբստրատի մոլեկուլի մի մասը և այն տեղափոխում երկրորդ սուբստրատի վրա, որը կապված է նույն ֆերմենտի ակտիվ վայրում: Այս դեպքում պրոթեզային խումբը կարելի է համարել որպես ֆերմենտի կատալիտիկ տեղամասի մաս.
Նրանք փոխում են ֆերմենտի մոլեկուլի կոնֆորմացիան՝ փոխազդելով նրա հետ ակտիվ կենտրոնից դուրս, ինչը կարող է դրդել ակտիվ կենտրոնի անցումը կատալիտիկորեն ակտիվ կոնֆիգուրացիայի։
Կայունացնել ֆերմենտի կոնֆորմացիան՝ նպաստելով կատալիտիկ ակտիվ վիճակին.
Կատարում է մատրիցայի ֆունկցիա: Օրինակ, նուկլեինաթթուների պոլիմերազներին անհրաժեշտ է «ծրագիր»՝ մատրիցա, որի վրա կառուցված է նոր մոլեկուլ.
Նրանք միջանկյալ միացությունների դեր են կատարում։ Երբեմն ֆերմենտը կարող է ռեակցիայի մեջ օգտագործել կոֆակտորային մոլեկուլ՝ դրանից արտադրանք կազմելով, բայց միևնույն ժամանակ սուբստրատի հաշվին ձևավորել նոր կոֆակտորային մոլեկուլ։
Ներկայումս հայտնի ֆերմենտներից մոտավորապես 40%-ն ունակ է կատալիզացվել միայն կոֆակտորների միջոցով: Ամենատարածված կոֆակտորները նրանք են, որոնք փոխանցում են վերականգնող համարժեքներ, ֆոսֆատ, ացիլ և կարբոքսիլ խմբեր:
Ֆերմենտային կինետիկայի հիմնական հասկացությունը ֆերմենտ-սուբստրատ կոմպլեքսների (ES) հասկացությունն է: Ինչպես անօրգանական կատալիզատորների դեպքում, ֆերմենտը թույլ է տալիս ռեակցիան ընթանալ ավելի արդյունավետ ճանապարհով՝ ավելի ցածր ակտիվացման էներգիայով: Ֆերմենտային ռեակցիայի ավելի բարձր կատալիտիկ ակտիվությունը պայմանավորված է նրանով, որ գործընթացն ընթանում է ԷՍ-ի ձևավորման փուլով։ Ֆերմենտային ռեակցիաների արագությունը 10 3 - 10 13 անգամ ավելի բարձր է, քան ոչ կատալիտիկ ռեակցիայի արագությունը: Արագության այս կտրուկ աճը պայմանավորված է երկու պատճառով՝ կոնվերգենցիայի էֆեկտով, որը նկատվում է նաև ոչ ֆերմենտային ռեակցիաներում, և կողմնորոշման էֆեկտով, որն իրականացվում է չափազանց արդյունավետ ֆերմենտային ռեակցիաներում։
Ֆերմենտի մոլեկուլները, ի տարբերություն այլ կատալիզատորների, ունեն շատ բարդ կառուցվածք։ Սա հնարավորություն է տալիս կիրառել ռեակցիաների արագության բարձրացման մեխանիզմներ, որոնք անհնար են ոչ կենսաբանական կատալիզատորների դեպքում: Այստեղ հնարավոր են հատուկ տեսակի փոխազդեցություններ, որոնք բացակայում են սովորական կատալիզի ժամանակ։ Եթե ենթադրենք, որ սուբստրատի կապը ֆերմենտի մոլեկուլի վրա տեղի է ունենում ոչ թե մեկ, այլ երեք կետում, ապա դա միայնակ կտրուկ մեծացնում է պահանջվող կողմնորոշումների հավանականությունը և մեծացնում ռեակցիայի արագությունը մի քանի կարգով:
Կովալենտային, իոնային, ջրածնային կապերը և հիդրոֆոբ փոխազդեցությունները կարող են մասնակցել ֆերմենտ-սուբստրատ կոմպլեքսների առաջացմանը։ Ֆերմենտի կատալիտիկ ակտիվությունը կապված է նրա տարածական կառուցվածքի հետ, որում խխունջների կոշտ հատվածները փոխարինվում են ճկուն առաձգական գծային հատվածներով։
Ֆերմենտների գործողության մեխանիզմը բացատրելիս լայնորեն ընդունվել է Կոշլանդի «առաջադրված» կամ «պարտադրված» համապատասխանության վարկածը: Այս վարկածի համաձայն, ֆերմենտի ակտիվ կենտրոնում ֆունկցիոնալ խմբերի անհրաժեշտ դասավորությունը տեղի է ունենում սուբստրատի ազդեցության տակ: Ամբողջ ֆերմենտի մոլեկուլի և նրա ակտիվ կենտրոնի ռեակտիվ կոնֆորմացիան առաջանում է սուբստրատի դեֆորմացնող ազդեցության արդյունքում։ Պետք է նկատի ունենալ, որ առաջացած համապատասխանությունը ստեղծվում է ոչ միայն ֆերմենտի կոնֆորմացիայի փոփոխությամբ, այլև սուբստրատի մոլեկուլի վերադասավորմամբ:
«Հարկադիր տեղադրման» վարկածը փորձարարականորեն հաստատվեց, երբ ապացուցվեց ակտիվ տեղանքի ֆունկցիոնալ խմբերի դասավորության փոփոխությունը սուբստրատի ամրացման գործընթացում: Ֆերմենտի առանձնահատկությունը հավանաբար պայմանավորված է ակտիվ կենտրոնի կոնֆորմացիոն վերադասավորումների հնարավորությամբ։ Եթե վերադասավորման հնարավորությունները մեծ են, ապա ֆերմենտը կարող է փոխազդել մի քանի սուբստրատների հետ, որոնք կառուցվածքով նման են և ցուցադրում են խմբային առանձնահատկություններ, եթե հնարավորությունը կտրուկ սահմանափակ է, ապա ֆերմենտը խիստ սպեցիֆիկ է:
Առաջացած համապատասխանության վարկածը ենթադրում է ֆերմենտի և սուբստրատի միջև ոչ միայն տարածական փոխլրացման, այլ նաև էլեկտրաստատիկ փոխազդեցության առկայություն՝ սուբստրատի և ֆերմենտի հակառակ լիցքավորված խմբերի պատճառով:
Օրգանիզմը միաժամանակ իրականացնում է կենսաքիմիական գործընթացների համար կարևոր վիթխարի թվով կենսաքիմիական ռեակցիաներ, որոնք պետք է խստորեն կարգավորվեն՝ մարմնի կարիքներին համապատասխան։ Այս կանոնակարգը պետք է ապահովի անհրաժեշտ բաղադրիչների մատակարարումը տվյալ ժամանակահատվածում նվազագույն էներգիայի սպառմամբ: Քանի որ գրեթե յուրաքանչյուր կենսաբանական կարևոր ռեակցիա ֆերմենտային ռեակցիա է, պարզ է, որ նման կարգավորումը հիմնականում տեղի է ունենում հիմնական նյութափոխանակության ռեակցիաները կատալիզացնող ֆերմենտների վերահսկման միջոցով:
Նյութափոխանակության ուղու վերջնական արտադրանքի ձևավորման արագությունը կարող է կարգավորվել կամ փոխելով համապատասխան ֆերմենտների ակտիվությունը կամ ավելացնելով կամ նվազեցնելով ֆերմենտների մոլեկուլների քանակը (ինդուկցիա կամ ռեպրեսիա):
Բջիջներում ֆերմենտային գործունեության կարգավորումը տեղի է ունենում տարբեր ձևերով. Ֆերմենտների մեծ մասի համար, որոնք ենթարկվում են Michaelis-Menten հավասարմանը, ենթաշերտի կոնցենտրացիան կարևոր կարգավորող գործոն է: Ներդրվեց K m արժեքը, որը ներկայացնում է ենթաշերտի կոնցենտրացիան, որի դեպքում ռեակցիայի արագությունը առավելագույնի 50%-ն է: Քանի որ սուբստրատների կոնցենտրացիան խցում մոտ է կմ-ին կամ մի փոքր ավելի ցածր, սուբստրատների կոնցենտրացիայի աննշան փոփոխությունները հանգեցնում են ռեակցիայի արագության համեմատաբար մեծ փոփոխությունների:
Ֆերմենտային ակտիվության կարգավորումը կարող է իրականացվել սուբստրատի կապող կենտրոնների վրա ուղղակի ազդեցության միջոցով, օրինակ՝ սուբստրատի անալոգների միջոցով ֆերմենտի արգելակումը:
Սպիտակուցային բնույթի արգելակիչները սերտորեն կապված են ֆերմենտի ակտիվ կենտրոնի հետ: Օրինակ, տրիպսինի արգելակիչը 6000 մոլեկուլային քաշ ունեցող սպիտակուց է: Այն ունի ուժեղ արգելակող ազդեցություն, քանի որ այն խստորեն լրացնում է ֆերմենտի ակտիվ կենտրոնի կառուցվածքը:
Այնուամենայնիվ, ֆերմենտային գործունեության կարգավորման ալոստերիկ (ոչ կովալենտ) տեսակը շատ ավելի տարածված է:
Ալոստերիկ կարգավորումբնորոշ է 2 կամ ավելի ենթամիավորներից բաղկացած ֆերմենտներին, որոնք ունեն մեկից ավելի ենթաշերտ կապող կենտրոններ: Այս ֆերմենտները պարունակում են ալոստերիկ կենտրոններ (տարբեր ենթաշերտի կապող կենտրոններից), որոնք ունակ են կապելու որոշ նյութեր, որոնք կոչվում են ալոստերիկ էֆեկտորներ։ Եթե էֆեկտորի կապը նվազեցնում է ֆերմենտային ռեակցիայի արագությունը, ապա այն կոչվում է ալոստերիկ ինհիբիտոր, եթե այն մեծանում է, կոչվում է ալոստերիկ ակտիվացնող։ Տարբեր մետաբոլիտներ, հորմոններ և կոֆերմենտներ գործում են որպես ֆերմենտների ալոստերիկ էֆեկտորներ։ Ալոստերիկ ֆերմենտների կարգավորման ուղիներից մեկը արգելակումն է «բացասական հետադարձ կապի» կամ «ռետրոինհիբիացիայի» միջոցով, այսինքն. արգելակում ռեակցիայի վերջնական արտադրանքի կողմից: Որոշ ֆերմենտային մոլեկուլներ ունեն մի քանի ալոստերային կենտրոններ, որոնցից մի քանիսը հատուկ են դրական, մյուսները՝ բացասական էֆեկտորներին։ Ֆերմենտների ալոստերիկ կենտրոնները, ինչպես ակտիվ կենտրոնները, կարող են դրսևորել ընդգծված սպեցիֆիկություն, երբ նրանք կարող են կապել միայն մեկ հատուկ էֆեկտոր կամ հարաբերական սպեցիֆիկություն, երբ կարող է առաջանալ կառուցվածքով նման էֆեկտորների կապում:
Ալոստերիկ էֆեկտորի գործողության մեխանիզմը կապված է ենթամիավորների կոնֆորմացիայի փոփոխության հետ, որոնցից կառուցված է ֆերմենտը, որն ազդում է ֆերմենտի կատալիտիկ ակտիվության վրա։
Ալոստերիկ կարգավորումը շրջակա միջավայրի որոշակի գործընթացներին «արագ արձագանքման» առավել նուրբ և խիստ հատուկ մեխանիզմներից է և օգտագործվում է նյութափոխանակության համակարգերը կարգավորելու համար: Էֆեկտորը կարող է գործել միայն մարմնի մեկ կամ մի քանի հյուսվածքներում և կապված լինել խիստ սահմանված նյութափոխանակության կապի հետ:
Ալոստերիկ ֆերմենտներին բնորոշ է կոոպերատիվության ֆենոմենը։ Այն արտահայտվում է նրանով, որ ստորաբաժանումների կատալիտիկ կենտրոնները փոխազդում են ոչ թե ինքնավար, այլ փոխկապակցված։ Այս կենտրոններից մեկի սուբստրատի կամ էֆեկտորի հետ փոխազդեցությունը մեծացնում է այլ ակտիվ կենտրոնների փոխազդեցության կարողությունը (դրական համագործակցություն): Որոշ դեպքերում, մեկ ակտիվ տեղամասի միացումը սուբստրատի հետ նվազեցնում է այլ տեղամասերը կապելու ունակությունը (բացասական համագործակցություն):
Դրական համագործակցությունը առավել լավ է ուսումնասիրվել՝ օգտագործելով հեմոգլոբինի մոլեկուլի օրինակը, որն ունի չորս 0 2 կապող վայրեր (հեմ խմբեր): Մեկ կենտրոնով թթվածնի մոլեկուլի կապումը հանգեցնում է այլ տարածքներում թթվածնի հետ փոխազդեցության ավելացման: Հեմոգլոբինի հարաբերակցությունը 0 2-ի վերջին (չորրորդ) խմբի նկատմամբ ավելի քան 100 անգամ ավելի մեծ է, քան առաջինը: Քանի որ թթվածին կապող շրջանները մոլեկուլում առանձնացված են մեծ հեռավորություններով, նրանք չեն կարող ուղղակիորեն փոխազդել: Ակնհայտ է, որ թթվածնացման ժամանակ փոխվում է մոլեկուլի կոնֆորմացիան որպես ամբողջություն, ինչը հանգեցնում է կապող վայրերի մերձեցման փոփոխության:
Համագործակցությունը նաև ֆերմենտների ակտիվությունը կարգավորելու միջոցներից է։
Ֆերմենտային ակտիվությունը կարող է փոխվել նաև այսպես կոչվածի հետևանքով կովալենտ (հետթարգմանական) փոփոխություն,որի դեպքում կա՛մ մոլեկուլի մի մասը բաժանված է, կա՛մ փոքր խմբեր կցվում են ֆերմենտին: Երկու դեպքում էլ ֆերմենտի մոլեկուլի այս փոփոխությունները ներառում են կովալենտային կապերի կոտրում կամ ձևավորում։
Հայտնի է, որ աղեստամոքսային տրակտի պրոտեոլիտիկ ֆերմենտները (պեպսին, տրիպսին, քիմոտրիպսին) սինթեզվում են ոչ ակտիվ պրեկուրսորների՝ պրոֆերմենտների տեսքով։ Ֆերմենտային ակտիվության կարգավորումն այս դեպքում այն է, որ կոնկրետ նյութերի (ֆերմենտների) ազդեցության տակ ոչ ակտիվ ձևը վերածվում է ակտիվի։ Օրինակ՝ տրիպսինը ենթաստամոքսային գեղձում սինթեզվում է տրիպսինոգենի տեսքով, որը, մտնելով բարակ աղիքներ, էնտերոկինազ ֆերմենտի ազդեցությամբ վերածվում է տրիպսինի։ Այս դեպքում տրիպսինոգենից անջատվում է հեքսապեպտիդ: Տրիպսինն իր հերթին խզում է մեկ պեպտիդային կապը քիմոտրիպսինոգենի մեջ, ինչը հանգեցնում է ակտիվ կենտրոնում կառուցվածքային փոփոխությունների և այն վերածում ակտիվ քիմոտրիպսինի։
Պեպսինոգենի փոխակերպումը պեպսինի ակտիվ ձևի կապված է նաև պեպսինոգենի պեպսինոգենի ոչ ակտիվ մոլեկուլից պեպտիդի անջատման հետ։ Ստամոքս-աղիքային տրակտում մարսողության գործընթացի կարգավորման գործընթացում կարևոր է պրոտեոլիտիկ ֆերմենտների սինթեզը պրոֆերմենտների տեսքով։
Ստամոքս-աղիքային տրակտում պրոտեոլիտիկ ֆերմենտների ակտիվության կարգավորումը տեղի է ունենում ոչ միայն պրոֆերմենտը ակտիվ ֆերմենտի վերածելու, այլ նաև ֆերմենտները բնական ինհիբիտորների հետ կապելու միջոցով: Ստամոքսի և աղիքների լորձաթաղանթում հայտնաբերվել են ցածր մոլեկուլային քաշի սպիտակուցներ, որոնք արգելակում են պեպսինի և տրիփսինի ազդեցությունը: Խոզի ստամոքսից մեկուսացվել է շատ ակտիվ պեպսինի ինհիբիտոր, իսկ ենթաստամոքսային գեղձից՝ տրիպսին:
Ֆերմենտի կովալենտային մոդիֆիկացիան՝ իր գործունեության փոփոխությամբ, կարող է առաջանալ ոչ միայն պեպտիդային կապերի խզման արդյունքում, այլև ֆերմենտի մոլեկուլին հատուկ խումբ կցելով: Օրինակ, գլիկոգեն սինթետազ ֆերմենտի ակտիվության կարգավորումը, որը մեծ դեր է խաղում գլիկոգենի սինթեզի նուրբ կարգավորման մեջ, իրականացվում է ֆոսֆորիլացման և դեֆոսֆորիլացման միջոցով։
Ֆոսֆորիլացումը սպիտակուցային կինազներով ֆերմենտային ակտիվության կարգավորման ընդհանուր ձև է կովալենտային ձևափոխմամբ: Մեծ թվով ֆերմենտների ակտիվությունը և համապատասխան նյութափոխանակության պրոցեսների ինտենսիվությունը որոշվում են այդ ֆերմենտների ֆոսֆորիլացված և դեֆոսֆորիլացված ձևերի հարաբերակցությամբ։
Ֆերմենտային ակտիվության կարգավորումը կարող է իրականացվել առկա ֆերմենտների կամ նույնիսկ նոր ֆերմենտների սինթեզը ուժեղացնելով՝ ի պատասխան փոփոխված կենսապայմանների (սննդի նոր գործոնների, քիմիական նյութերի առաջացում):
Հատուկ նյութերի, «ինդուկտորների» կամ «ռեպրեսորների» ազդեցության դեպքում տառադարձման գործընթացը համապատասխանաբար սկսվում կամ ճնշվում է: Այս կարգավորումը, որն իրականացվում է ֆերմենտի կենսասինթեզի ժամանակ, կարող է հանգեցնել ֆերմենտի կոնցենտրացիայի փոփոխության, բջջում առկա ֆերմենտների տեսակների և իզոֆերմենտային կազմի փոփոխության։
Կարգավորող այս ուղին ավելի դանդաղ է ընթանում, քանի որ կապված է սպիտակուցների կենսասինթեզի փոփոխությունների հետ: Հետևաբար, ֆերմենտի կոնցենտրացիան փոխելու անհրաժեշտության և դրա նոր պարունակության հաստատման մասին ազդանշանի միջև կանցնի որոշակի ժամանակ՝ մի քանի ժամից մինչև մի քանի օր: Հետևաբար, փոխելով ֆերմենտի կոնցենտրացիան, հնարավոր չէ հասնել ռեակցիայի արագության արագ կարգավորման։ Այնուամենայնիվ, այն դեպքերում, երբ անհրաժեշտ է ոչ թե նյութափոխանակության արագ փոփոխություն, այլ նյութափոխանակության գործընթացի երկարաժամկետ կարգավորում, այս ուղին կարևոր է դառնում:
Օրինակ, այն դեպքերում, երբ անհրաժեշտ է խթանել գլյուկոնեոգենեզը, մեծանում է այնպիսի ֆերմենտների կոնցենտրացիան, ինչպիսիք են գլյուկոզա-6-ֆոսֆատազը, ֆրուկտոզա-1,6-բիսֆոսֆատազը և ֆոսֆոենոլպիրվատ կարբոքսիլազը: Այս ֆերմենտների ավելացված քանակի անհրաժեշտությունը պայմանավորված է նրանով, որ դրանք կատալիզացնում են ռեակցիաները, որոնք շրջանցում են ուղիղ ցիկլի ֆիզիոլոգիապես անդառնալի փուլերը:
Ցույց է տրվել, որ կենդանիների մետաբոլիկ ացիդոզի ժամանակ գլուտամինազի սինթեզը մեծանում է։ Դա պայմանավորված է օրգանիզմում կուտակվող թթվային մթերքները ամոնիակով չեզոքացնելու անհրաժեշտությամբ։
Գրականության մեջ առկա ապացույցները ցույց են տալիս, որ ֆերմենտի ինդուկցիան կամ ռեպրեսիան կարող է պայմանավորված լինել սննդային գործոններով:
Նախկինում 5 օր ծոմ պահած առնետներին գլյուկոզայի ընդունումը առաջացրել է գլյուկոկինազի ակտիվության կտրուկ աճ: Քանի որ պուրոմիցինի կամ ակտիմիցին D-ի ներարկումը ճնշեց այս ակտիվացումը, եզրակացվեց, որ ֆերմենտի ակտիվության բարձրացման պատճառը դրա սինթեզի աճն է (պուրոմիցինը արգելակում է սպիտակուցի սինթեզը, իսկ ակտինոմիցինը` mRNA սինթեզը):
Հայտնի է միզանյութի ցիկլի ֆերմենտների ակտիվության և սննդակարգում սպիտակուցի քանակի միջև կապը: Դիետայում սպիտակուցի պարունակության ավելացումը ուղեկցվում է այդ ֆերմենտների ակտիվության բարձրացմամբ, և այդ աճը համաչափ է միզանյութի սինթեզի ինտենսիվությանը: Չկային փոփոխություններ ֆերմենտային մոլեկուլների կինետիկ հատկություններում կամ որևէ ինհիբիտորի կամ ակտիվացնողի առկայության մեջ, ինչը հանգեցրեց այն եզրակացության, որ ակտիվության աճը կապված է համապատասխան ֆերմենտների սինթեզի ավելացման հետ:
Պաթոլոգիայում ֆերմենտների ինդուկցիան մեծ նշանակություն ունի։ Ֆերմենտի ինդուկցիան հաճախ կապված է օրգանիզմում պաթոլոգիական պայմանների դեպքում պաշտպանիչ պրոցեսների զարգացման հետ։ Միևնույն ժամանակ, պետք է հիշել, որ որոշ դեպքերում ֆերմենտների սինթեզի ավելացումը՝ ի պատասխան արտաքին միջավայրի պայմանների փոփոխության, կարող է հանգեցնել պաթոլոգիական գործընթացի զարգացմանը:
Որոշ դեպքերում, երբ դեղորայքային կամ այլ օտար նյութեր են մտնում օրգանիզմ, տեղի է ունենում նաև ֆերմենտային ինդուկցիա։ Այնուամենայնիվ, դա միշտ չէ, որ նպաստում է մարմնի հարմարվելու նոր նյութին և միշտ չէ, որ ապահովում է ավելի բարենպաստ պայմաններ մարմնի կյանքի համար, քանի որ ֆերմենտային վերափոխման արտադրանքը կարող է ավելի թունավոր լինել, քան սկզբնական նյութը: Այս դեպքում ազդեցությունը բացասական կլինի։
Հաստատվել է, որ շատ բուժիչ նյութեր կարող են հրահրել ֆերմենտների ձևավորում՝ բարբիթուրատներ, ցնդող անզգայացուցիչներ, հիպոգլիկեմիկ նյութեր, ցավազրկողներ, միջատասպաններ և այլն։ .
Օրինակ՝ շներին փորձնականորեն ֆենիլբուտազոն ընդունելիս արյան մեջ դրա պարունակությունն ավելացել է և նկատվել է թունավորման երեւույթ։ Այս դեղամիջոցի կրկնակի ընդունումը այլևս չի առաջացրել արյան մակարդակի նման ընդգծված բարձրացում և թունավոր ազդեցություն:
Ֆերմենտային ինդուկցիան դեղաբանական նյութերով հաճախ առանձնահատուկ չէ: Հաճախ ձևավորվում են ֆերմենտներ, որոնք նպաստում են ոչ միայն այս նյութի` ինդուկտորի, այլ որոշ այլ բուժիչ նյութերի փոխակերպմանը: Օրինակ, պենտաբարբիթուրատի ներմուծումը մարմնում հանգեցնում է ոչ միայն այս նյութի նյութափոխանակության բարձրացման, այլև առաջացնում է հեքսաբարբիտուրատի և նույնիսկ այն նյութերի օքսիդացում, որոնք չեն պատկանում բարբիթուրատների խմբին:
Օրգանիզմում բուժիչ նյութերի նյութափոխանակության մասին խոսելիս պետք է նկատի ունենալ, որ այն կարող է իրականացվել ոչ միայն ֆերմենտների ինդուկցիայի, այլ նաև ֆերմենտների ալոստերիկ և կովալենտային ձևափոխման միջոցով։
Կլինիկական ֆերմենտային ախտորոշման սկզբունքները
