Регуляция путем изменения биосинтеза ферментов

Рассмотренные ранее способы изменения скорости протекания реакций направлены на изменение активно­сти уже имеющихся ферментов. Существует другой спо­соб регуляции — изменение содержания ферментов. В организме имеются вещества, которые, присоединяясь к белку — регулятору оперона, могут изменять скорость био­синтеза белков-ферментов: наблюдается либо усиление биосинтеза ферментов (индукция генов), либо замедление (репрессия генов).

Компартментализация (отделение, отсек) в клетке

Этот способ регуляции характерен только для выс­ших форм живых организмов и позволяет осуществить наиболее тонкую регуляцию метаболизма. Он направлен на снижение скорости процесса за счет разъединения суб­страта с ферментами с помощью мембраны. Перенос групп атомов и субстратов осуществляется за счет челночных механизмов, переводящих субстрат в форму, которая спо­собна проникать через мембрану. Затем по другую сторо­ну мембраны происходит обратное их превращение в пер­воначальную форму.

Изоферменты

Изоферменты — это ферменты, катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающиеся друг от друга по АК-составу, порядку связывания АК, электрофоретической подвижности, Км, локализации в клетке и органе. Изоферменты выполняют одинаковые биологические фун­кции, но с различной эффективностью.

Например, лактатдегидрогеназа (ЛДГ) — олигомер, со­стоящий из 4 протомеров одного или двух типов, обозна­чаемых: Н (сердце) и М (мышцы). ЛДГ существует в 5 формах, легко различающихся с помощью электрофоре­за. Пять изоферментов ЛДГ имеют следующий полипептидный состав: ЛДГ₁ — (Н₄); ЛДГ₂ — (Н₃М); ЛДГ₃ —(Н₂М₂); ЛДГ₄ — (НМ₃); ЛДГ₅ — (М₄). Различные ткани человека имеют свои характерные изоферментные спектры. В сер­дечной мышце и почках наиболее высокой активностью обладают изоферменты ЛДГ₁ и ЛДГ₂. В печени и скелет­ной мускулатуре максимальны ЛДГ₅. В селезенке, под­желудочной железе, щитовидной железе, надпочечниках - ЛДГ₃.

Лактатдегидрогеназа катализирует обратимое восста­новление пировиноградной кислоты (ПВК) в молочную (лактат), в котором в роли восстановителя выступает НАДН + Н⁺.

пируват + НАДН + Н⁺ «лактат + НАД⁺.

В тканях, в которых преобладает аэробный распад глюкозы, присутствуют обычно ЛДГ₁ и ЛДГ₂, для кото­рых характерно низкое сродство к пирувату, и поэтому они не могут эффективно конкурировать за пировиноградную кислоту с пируватдегидрогеназным комплексом. В результате пировиноградная кислота подвергается пре­имущественно окислительному декарбоксилированию и образующийся в этой реакции ацетил-КоА «сгорает» в цикле трикарбоновых кислот. В тканях, где доминирует анаэробный гликолиз, присутствуют изоферменты с вы­соким сродством к пирувату: ЛДГ₄ и ЛДГ₅. В этих тканях пируват расходуется преимущественно в лактатдегидрогеназной реакции.

Механизм биохимической ферментативной реакции можно представить упрощенно в общем виде:

E + S ES P + E.............................

где Е — фермент;

S — субстрат;

ES — фермент-субстратный комплекс;

Р — продукты реакции;

К₊₁, К_-1, К₊₂ — константы скоростей прямых и об­ратной реакций.

Константа Михаэлиса—Ментен (Km) характеризует константу диссоциации фермент-субстратного комплекса и численно равна концентрации субстрата (в моль/л), при которой скорость данной реакции составляет 1/2 от мак­симальной. Она характерна для каждой пары фермент-субстратного комплекса.

Уравнение Михаэлиса—Ментен выражает зависи­мость скорости биохимической ферментативной реакции от концентрации субстрата:

где V_{биохим.р.}— скорость данной биохимической реакции,

V_max — максимальная скорость биохимической реакции,

S — субстрат,

К_m — константа Михаэлиса—Ментен.

Анализ уравнения Михаэлиса—Ментен:

1) Если концентрация субстрата в реакции низка, т.е. [S] << К_m, то уравнение приобретает вид:

Таким образом, при низких концентрациях субстра­та скорость биохимической реакции прямо пропор­циональна концентрации субстрата и описывается уравнением I порядка.

2) При высоких концентрациях субстрата, т. е. [S] >> К_m, величиной К_m можно пренебречь, тогда

,

Таким образом, при высоких концентрациях субстра­та скорость биохимической реакции становится мак­симальной и описывается уравнением нулевого по­рядка.

 

График зависимости скорости биохимической ферментативной реакции от концентрации субстрата