Ферменттердің активтілігінің реттелуі
Торшадағы фермент активтілігі тек оның синтезінің жылдамдығымен ғана анықталмайды. Кейбір ферменттер алғашқыда активсіз профермент күйінде синтезделеді. Фермент активтік күйге оның молекуласынан белгілі бір фрагментті бөлу немесе қосу арқылы ферменттің конформациялық құрылымының өзгеруі нәтижесінде келеді. Бұл процессті ковалентті модификация (түрлендіру) деп атайды, себебі, молекуладағы ковалентті байланысқан химиялық топтар үзіледі немесе жалғасады, молекула түрленеді. Ковалентті модификация қайтымды және қайтымсыз болып екі жолмен жүреді.
Қайтымсыз ковалентті модификацияға шектеулі протеолиз реакциялары жатқызылады. Тек осы аталған жолдар арқылы, көптеген, каталиттік активсіз алғызаттардың (зимогендер проферменттер) активті затқа айналуы бір немес бірнеше пептидтік байланыстың гидролизденуі нәтижесінде өтеді. Мысалы, асқорыту трактісіндегі протеолиттік ферменттердің активтену процессі:
Активсіз проферменттердің болуы фермент молекуласындағы жанастырушы орталықтың басқа затпен блоктануы нәтижесінде болуы мүмкін. Профермент күйінде синтезделудің биологиялық маңызы жоғары. Асқорыту жолдары немесе басқа да мүшелер мен ұлпалардың негізгі құрамы белоктардан тұрады. Егер протеолиттік ферменттер активті күйде синтезделетін болса олар аталған мүшелерді қорытуға түсіріп зақымдауы мүмкін.
Фермент пен оның әсер ететін субстраты немесе метаболитінің қатынастары каталиттік тепе-теңдікте болуы қажет. Бұл тепе-теңдіктің бұзылуы ағзаны әртүрлі патогендік қалыпқа асқазан, ішек жараларына, жедел панкреатитке әкелуі мүмкін.
Қайтымды ковалентті модификация — белгілі бір фрагменттің (химиялық топтың) ферментке ковалентті байланысып оның бір реакцияда активтілік көрсетіп, ал келесі реакцияда активсіз қалыпта болуы арқылы байқалады. Мысалы, гликогеннің метаболизміне қатысатын екі фермент — гликогенфосфорилаза және гликогенсинтетаза (АТФ-тан фосфорлық топты серин қалдығына ауыстырып алып) фосфорлану арқылы активтелінеді. Соның нәтижесінде гликоген ыдырауын катализдеуші (фосфорилаза б) активті формасына (фосфорилаза а) айналады, ал гликогенді синтездеуші фермент — гликогенсинтетаза активсіз формаға айналады. Сондықтан метаболизм гликогеннің ыдырау жолына қарай бағытталып, торшаны энергиямен қамтамассыз етеді.
Екі ферментте фосфатазаның катализдеуімен дефосфорлану арқылы бастапқы қалпына қайтып келеді.
Екінші мысал ретінде аденилденуді келтіруге болады. Глутаминсинтетаза АТФ қатысуымен, қатаң түрде, тек тирозин қалдығындағы бүйір тобының аденилденуі жолымен активтелінеді. Кері реакция деаденилдеуші ферментпен катализделеді.
Модуляция туралы жалпы түсінік. Модуляция — бұл кіші молекулалы қосылыстармен ковалентсіз әсерлесу нәтижесінде фермент молекуласының конформациясының өзгеруі арқылы өтетін оның активтілігінің қайтымды өзгеруі. Әсерлесетін кіші молекулалы заттарды эффекторлар немес модуляторлар деп атайды. Олардың басым бөлігіне әртүрлі аралық метаболиттерді (субстраттар, витаминдер, металл иондары, гормондар және т.б.) жатқызуға болады.
Эффекторлар ферменттерге екі бағытта әсер етеді: 1) фермент молекуласын активті қалыпқа әкеледі, оларды — активаторлар; 2) фермент молекуласының активтілігін тежейді, оларды - ингибиторлар деп атайды. Эффектордың (активатор немесе ингибитор) әсерлесуі үшін оның құрылысының фермент молекуласының құрылысындағы белгілі бір аймаққа сәйкес келуі қажет. Тек сонда ғана әсерлесу жүреді және көптеген қосылыстардың ішінен өз эффекторын фермент осы қасиет арқылы дәл таниды. Эффектор мен субстраттың ферментпен әсерлесу аймақтары әртүрлі, бірақ изостерлік реттелуде олардың бір болуы мүмкін. Эффектордың әсерлесуі фермент молекуласының кеңістіктік конформациясын өзгертеді, нәтижесінде, активті орталықтың құрылысы өзгереді де фермент активтеледі немесе ингибирленеді.
Фермент молекуласындағы эффектор байланысатын аллостерлік орталық, олардың әсерлесу механизмі — аллостерлік әсерлесу, ал активтілігі эффектор арқылы реттелетін ферменттер — аллостерлік ферменттер деп аталады.
Аллостерлік реттелу немесе аллостерлік модуляция. Аллостерлік әсерлесу туралы гипотезаны Ж.Моно, Ж.П.Шанже, Ф.Жакоб (1963) ұсынды, қазіргі кезде көптеген эксперименттер арқылы негізделді.
Аллостерлік немесе реттеуші орталық — фермент молекуласының бетінде орналасқан функционалдық топтардың жиыны. Олар ферменттің екінші, үшінші және төртінші реттік құрылымдарына байланысты, кеңістікте, қатаң түрде бағытталып орналасады. Активті орталықтан, алыстау орналасқан болады. Эффектор аллостерлік орталықпен әсерлеседі. Фермент молекуласының конформациясы өзгереді, нәтижесінде активті орталығының құрылымы субстраттың құрылымына комплементтарлы түрде сәйкес келеді. Бұл фермент-субстрат комплексі құралуына, реакция жүруіне ықпал етеді.
Активаторлық қызметті катиондар Mg2+, Mn2+, Zn2+, K+, Ca2+, Na+, анион Cl- жиі атқарады. Мысалы, бұлшық еттегі АТФ-азаны Ca2+ ионы, ал торша мембранасы АТФ-азасын Na+ және K+ активтендіреді. Сонымен бірге, слекей және ұйқы безі амилазаларын Cl- активтендіреді. Кейбір ферменттердің әртүрлі иондармен (фосфофруктокиназаны, Mg2+, NH4+, K+) активтейтіні байқалады. Кейбір металлдардың антагонистік қасиеттерді көрсетуі, конкуренттік ингибитор болуы,мысалы, Mg2+ пен Ca2+, Mn2+ пен Zn2+ иондары арасында байқалады.
Ұйқы безі сөлінің липазасы өт қышқылдарымен, ұлпалық протеиназалар — сульфгидрилдік қосылыстармен (цистеин, глутатион, күкіртті сутек) және аскорбин қышқылымен (С-витамині) активтеледі.
Фермент активтілігін аллостерлік реттелуі жолдарында екі түрлі механизм жиі кездесседі:
1. Тура оң байланыс принципі арқылы активтендіру. Метаболит немесе субстрат аллостерлік эффектор ретінде өзін немесе тізбектегі алыстау орналасқан өнімді катализдейтін ферментті активтендіреді. Бұл механизмді фор-активтендіру деп атайды.
2. Кері теріс байланыс арқылы ингибирлеу.
Метаболиттік тізбектегі соңғы өнімнің жиналып қалуы оның синтезделуіне қажетті субстратты синтездейтін ферменттің активтілігін эффектор ретінде ингибирлейді. Өнім жиі түрде, бастапқы реакцияны катализдейтін бастаушы ферментті тежейді.
Аллостерлік агенттер ролінде гормондар да бола алады. Мысалы, глюкагон өзінің әсерін аденилатциклазаны активтендіру арқылы бере алады.
Изостерлік реттелу. Изостерлік реттелуде ферменттің активтілігін субстратқа ұқсас зат (субстрат аналогы) реттеуші ролінде болып ингибирлейді.
Субстрат аналогы құрылымдық стерикалық ұксастығына байланысты ферменттің активті орталығымен әсерлесіп, фермент-псевдосубстрат комплексін түзеді. Бұл реакцияда жалған субстраттың негізгі субстратпен таласуы (конкурентті) өтеді. Сондықтан ферменттердің біраз бөлігі фермент-псевдосубстрат комплексі түзілуіне кеткендіктен фермент-субстрат комплексінің сандық мөлшері кемиді, нәтижесінде, ферменттік активтілік төмендейді. Субстрат өзінің аналогымен ферментке таласатын болғандықтан конкурентті тежелу деп аталады. Фермент-псевдосубстрат комплексі қайтымды процесс. Сондықтан, субстраттың концентрациясы жоғарлағанда қайта қалыпқа келеді.
| субстрат | Субстрат аналогы (ингибитор) | фермент |
сукцинат (янтарь қышқылы)
| 
малон қышқылы
| сукцинатдегидрогеназа |
ацетилхолин
| 
диизопропилфторфосфат
| эстераза |
Стерикалық фактордың әсерлесуінде ингибитордың (құрылымдық аналог) апоферментпен немесе простетикалық топпен әсерлескенде активті орталыққа жатпайтын топтарда байланысып (-SH тобы) фермент активтелуін тежейді. Бұл әсерлесу түрі конкурентсіз тежелу деп аталады. Конкурентсіз тежелу субстрат концентрациясына тәуелсіз жүреді. Мысалы, ауыр металл тұздары (Hg, Pb, Ag) өте аз, денатурация жүршізбейтін концентрацияда ферменттің полипептидтік тізбегіндегі сульфгидрилдік топпен байланысады. Көміртегі тотығы (СО) темір құрамды простетикалық топқа байланысады. Пепсиннің ингибиторы белоктық зат (антифермент) пепсинмен байланысады (бірақ, бұл ковалентті модификацияның аналогиясы). Витаминнің орнына кофакторға антивитаминнің байланысуы.
Изостерлік реттелу принципі практикалық медицинада кең қолданылады. Антивитаминдері, антибиотиктерді, антиметаболиттерді дәрілік препарат ретінде (сульфаниламид параминобензой қышқылына қарсы зат) қолдану. Метабол этиленгликольмен уланғанда қолданылады.
Аллостерлік ферменттердің қасиеті мен оның молекуласының активтігі арасындағы байланыс туралы гипотеза (Моно, Уаймен, Шанже) келесі жолмен түсіндіріледі.
мономер полимер полимер
(босансыған қалпы) (кернелген қалыпы)
Сур.12 Фермент құрылымының өзгеруі.
Идентті суббірліктерден тұратын, жеке-жеке аллостерлік және активті орталықтары бар, ферменттің молекулары бір бірімен симметриялық ось (суреттегі қара нүкте) бойынша жалғасады. Симметриялық ось т. р. қ.-ны қалыптастыратын химиялық байланыстар арқылы қосылған. Полимерлік молекула суретте көрсетілгендей кернелген қалыпқа ингибитормен (J) келе алады. Соның нәтижесінде фермент өзінің активтігін реттей алады.