Белок-белковые взаимодействия

Некоторые ферменты изменяют свою каталитическую активность в результате белок-белковых взаимодействий. Различают 2 механизма активации ферментов указанным путем:

- активация ферментов в результате присоединения регуляторных белков

Активность некоторых ферментов регулируется специальными белками. Например, белок кальмодулин после связывания ионов кальция приобретает свойства фермента и приобретает способность активировать фосфодиэстеразу, киназу легких цепей миозина. Фермент плазматической мембраны клетки аденилатциклаза активируется путем присоединения одной из субъединиц G-белка, в результате чего происходит реакция образования из АТР циклического 3',5'-АМР (вторичного внутриклеточного посредника действия гормонов).

- изменение каталитической активности фермента вследствие ассоциации и диссоциации его протомеров

Некоторые ферменты-олигомеры могут изменять свою активность за счет ассоциации / диссоциации протомеров, входящих в их состав. Например, фермент протеинкиназа является олигомером, состоящим из 4 протомеров двух типов: каталитического и регуляторного. В одном протомере находится активный центр, в другом – регуляторный, который может связываться с сАМР. В ассоциированном виде фермент неактивен, так как его активный центр закрыт регуляторной субъединицей. В диссоциированном состоянии активный центр открывается и может реагировать с субстратом. Когда в клетке образуется необходимое количество сАМР, его связывание с регуляторным центром вызывает диссоциацию фермента на субъединицы, что приводит к его активации. При уменьшении концентрации сАМР он покидает регуляторный центр, что приводит к объединению субъединиц (ассоциации) и инактивации фермента.

Фосфорилирование – дефосфорилирование

Данный способ регулирования активности (принцип «включено / выключено») основан на изменении структуры фермента за счет присоединения фосфатной группы. Некоторые ферменты, присоединяя (процесс фосфорилирования) или отщепляя (процесс дефосфорилирования) остаток фосфорной кислоты, могут изменять свою активность (Рис. 5.10). Фосфорилирование ферментов в клетке происходит с участием протеинкиназ. Остаток фосфорной кислоты чаще всего связывается с боковой группой остатков серина или треонина. Если в клетке активна фосфопротеинфосфатаза, протекает противоположный процесс (дефосфорилирование).

Рисунок 5.10 – Ковалентная модификация ферментов, осуществляемая путём фосфорилирования / дефосфорилирования.

Активность протеинкиназ и фосфопротеинфосфатаз находится под гормональным контролем и регулируется также нервной системой.

В зависимости от природы фермента фосфорилирование может его активировать или, наоборот, инактивировать. Например, активность ферментов гликогенсинтазы (фермент биосинтеза гликогена) и гликогенфосфорилазы (фермент распада гликогена) регулируется путем фосфорилирования/дефосфорилирования. Природа данных ферментов такова, что фосфорилированная форма гликогенфосфорилазы активна, а гликогенсинтазы – неактивна. При дефосфорилировании их активности меняются на противоположные. Биологический смысл заключается в том, что когда происходит биосинтез гликогена, его распад ингибируется, и наоборот.

Регуляция путем нековалентной модификации

Аллостерическая регуляция

В состав ряда ферментов кроме активного центра входит специфический центр – аллостерический, предназначенный для связывания особых низкомолекулярных веществ, способных изменять активность таких ферментов. Аллостерический (или регуляторный) центр представляет собой участок молекулы фермента, с которым связываются низкомолекулярные соединения, называемые аллостерическими эффекторами, играющие роль активаторов или ингибиторов. Структура эффекторов отлична от структуры субстрата. Связываясь с аллостерическим центром, эффекторы индуцируют изменения третичной и/или четвертичной структуры молекулы фермента и соответственно структуры активного центра, вызывая увеличение или уменьшение его активности. Таким образом, связывание эффектора в одном участке фермента вызывает изменение структуры в другом участке и, следовательно, приводит к изменению активности фермента в целом. Ферменты, активность которых регулируется соединениями, связывающимися в аллостерическом центре, называются аллостерическими.

Как правило, аллостерические ферменты катализируют ключевые реакции метаболических путей, что позволяет клетке чрезвычайно быстро реагировать на малейшие изменения внутреннего состояния.

Аллостерическая регуляция имеет большое значение в следующих ситуациях:

- при анаболических процессах. Ингибирование конечным продуктом метаболического пути и активация начальными метаболитами позволяют осуществлять регуляцию синтеза этих соединений;

- при катаболических процессах. В случае накопления АТР в клетке происходит ингибирование метаболических путей, обеспечивающих синтез энергии. Субстраты при этом расходуются на реакции запасания резервных питательных веществ;

- для координации анаболических и катаболических путей. АТР и АDP – аллостерические эффекторы, действующие как антагонисты;

- для координации параллельно протекающих и взаимосвязанных метаболических путей (например, синтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, используемых для синтеза нуклеиновых кислот). Таким образом, конечные продукты одного метаболического пути могут быть аллостерическими эффекторами другого метаболического пути.