Регуляция каталитической активности ферментов

Важнейшую роль в изменении скорости метаболических путей играет регуляция каталитической активности одного или нескольких ключевых ферментов конкретного метаболического пути. Это высокоэффективный и быстрый способ регуляции метаболизма. Различают регуляцию путём ковалентной и нековалентной модификации.

Регуляция путем ковалентной модификации

Частичный (ограниченный) протеолиз

Некоторые ферменты первоначально синтезируются в клетке в неактивной форме и, после секретирования из клетки в полость, переходят в активную форму. Неактивный предшественник фермента называется проферментом, или зимогеном. Проферменты неактивны, так как в них не сформирован активный центр: образующие его аминокислотные остатки, присутствуют, но они расположены друг относительно друга не должным образом.

Активация профермента заключается в формировании активного центра фермента, которое происходит в результате отщепления участка полипептидной цепи, что приводит к изменению первичной структуры белка с одновременным изменением его трехмерной структуры.

Синтез в форме неактивных проферментов, является характерным свойством пищеварительных ферментов, белковых гормонов (проинсулин–инсулин), фибриллярного белка соединительной ткани коллагена, а также ферментов системы свертывания крови и фибринолиза (протромбин– тромбин).

Например, активация химотрипсиногена осуществляется под действием трипсина, расщепляющего пептидную связь между аргинином-15 и изолейцином-16. Образующийся при этом активный p-химотрипсин действует на другие молекулы химотрипсиногена (Рис. 5.8).

Далее p-химотрипсин подвергается дополнительному протеолитическому действию химотрипсина с выщеплением двух дипептидов Ser₁₄—Arg₁₅ и Thr₁₄₇—Asn₁₄₈ и образованием стабильной формы фермента – a-химотрипсина.

Рисунок 5.8 – Схема протеолитической активации химотрипсиногена.

В результате изменения первичной структуры в молекуле химотрипсиногена возникают новые нековалентные связи, изменяется конформация полипептидной цепи и формируется активный центр за счет сближения принципиально важных для катализа аминокислотных остатков Ser195, His57 и Asp102 (Рис. 5.9).

Рисунок 5.9 – Взаимное расположение остатков Ser195, His57 и Asp102, формирующих, так называемую систему переноса заряда в активном центре химотрипсина.

Физиологический смысл продукции пищеварительных ферментов в форме проферментов, заключенных в зимогеновые гранулы состоит в том, что в противном случае эти чрезвычайно активные гидролазы оказывали бы мощный деструктивный эффект на клеточные белки слизистой желудка и поджелудочной железы, вызывая разрушение этих клеток. Такое разрушение клеток может наблюдаться, например, при панкреатите, когда активация химотрипсина происходит непосредственно в поджелудочной железе.