Główna zawartość
Kurs: Biologia - program rozszerzony > Rozdział 3
Lekcja 2: Wpływ środowiska na aktywność enzymatycznąRegulacja enzymów
Kofaktory i koenzymy. Inhibitory odwracalne, nieodwracalne, kompetycyjne i niekompetycyjne. Enzymy allosteryczne. Inhibicja przez sprzężenie zwrotne. Tłumaczenie na język polski: fundacja Edukacja dla Przyszłości, dzięki wsparciu Fundacji HASCO-LEK
Wprowadzenie
Komórki twojego ciała są zdolne do wytwarzania wielu różnych enzymów i na początku możesz pomyśleć: świetnie, uruchommy wszystkie te enzymy i metabolizujmy tak szybko, jak to możliwe! Jak się jednak okazuje, tak naprawdę nie chcesz produkować i aktywować wszystkich enzymów w tym samym czasie, ani w tej samej komórce.
Potrzeby i warunki pracy różnią się w zależności od rodzaju komórki a także zmieniają się w poszczególnych komórkach w czasie. Na przykład komórki żołądka potrzebują innych enzymów niż komórki magazynujące tłuszcz, komórki skóry, komórki krwi czy komórki nerwowe. Ponadto komórka układu trawiennego pracuje o wiele ciężej, przetwarzając i rozkładając składniki odżywcze, w czasie bezpośrednio następującym po posiłku w porównaniu z czasem wielu godzin po posiłku. Ponieważ potrzeby komórki i warunki się zmieniają, zmieniają się także ilości i funkcjonalność różnych enzymów.
Ponieważ enzymy kontrolują i regulują metabolizm komórki, są one dokładnie kontrolowane. W tym artykule przyjrzymy się czynnikom, które mogą wpływać lub kontrolować aktywność enzymu. Obejmują one pH i temperaturę (omówione w artykule o centrach aktywnych ), a także:
- Cząsteczki regulatorowe. Aktywność enzymu może być zwiększana lub wyciszana przez cząsteczki aktywatora i inhibitora, które wiążą się specyficznie z enzymem.
- Kofaktory. Wiele enzymów jest aktywnych tylko wtedy, gdy są związane z nie-białkowymi cząsteczkami pomocniczymi znanymi jako kofaktory.
- Kompartmentacja. Przechowywanie enzymów w określonych przedziałach może uchronić je przed uszkodzeniem lub zapewnić odpowiednie warunki do ich aktywności.
- Inhibicja sprzężenia zwrotnego. Kluczowe enzymy metaboliczne są często hamowane przez produkt końcowy szlaku, który kontrolują (inhibicja sprzężenia zwrotnego).
W dalszej części tego artykułu przeanalizujemy te czynniki pojedynczo, sprawdzając, jak każdy z nich może wpływać na aktywność enzymu.
Cząsteczki regulatorowe
Enzymy mogą być regulowane przez inne cząsteczki, które zwiększają lub zmniejszają ich aktywność. Cząsteczki zwiększające aktywność enzymu nazywane są aktywatorami, podczas gdy cząsteczki zmniejszające aktywność enzymu nazywane są inhibitorami.
Istnieje wiele rodzajów cząsteczek, które blokują lub aktywują funkcję enzymu, i które wpływają na działanie enzymu na drodze różnych mechanizmów.
Kompetycyjny vs. niekompetycyjny
W wielu dobrze zbadanych przypadkach wiązanie aktywatora lub inhibitora jest odwracalne, co oznacza, że cząsteczka ta nie wiąże się trwale do enzymu. Niektóre ważne rodzaje leków działają jako odwracalne inhibitory. Na przykład lek typranavir, który jest stosowany w leczeniu HIV, jest odwracalnym inhibitorem.
Odwracalne inhibitory są podzielone na grupy na podstawie charakteru ich wiązania. Nie będziemy tutaj omawiać wszystkich typów, ale przyjrzymy się dwóm ważnym grupom: inhibitorom kompetycyjnym oraz niekompetycyjnym.
- Inhibitor może wiązać się z enzymem i blokować wiązanie substratu, na przykład poprzez związanie się do miejsca aktywnego. Nazywa się to inhibicją kompetycyjną, ponieważ inhibitor „współzawodniczy” z substratem o enzym. Oznacza to, że tylko inhibitor lub tylko substrat może być związany w danym momencie z enzymem.
- W inhibicji niekompetycyjnej inhibitor nie blokuje wiązania substratu z centrum aktywnym. Zamiast tego przyłącza się w innym miejscu i blokuje enzym w wykonywaniu swojej pracy. Uważa się, że to hamowanie jest „niekompetycyjne”, ponieważ zarówno inhibitor, jak i substrat mogą być związani z enzymem jednocześnie.
Inhibitory kompetycyjne i niekompetycyjne można odróżnić od siebie na podstawie tego, w jaki sposób wpływają na aktywność enzymu przy różnych stężeniach substratu.
- Jeśli inhibitor jest kompetycyjny, zmniejszy szybkość reakcji, gdy cząsteczek substratu nie będzie wiele, ale może być „pokonany” jeśli cząsteczek substratu będzie dużo. Oznacza to, że enzym może osiągnąć maksymalną szybkość reakcji przy wystarczającej ilości substratu. W takim przypadku prawie wszystkie miejsca aktywne prawie wszystkich cząsteczek enzymu będą zajmowane przez substrat, a nie inhibitor.
- Jeśli inhibitor jest niekompetycyjny, reakcja katalizowana enzymem nigdy nie osiągnie normalnej maksymalnej szybkości nawet przy dużej ilości substratu. Dzieje się tak dlatego, że cząsteczki enzymu ze związanym inhibitorem niekompetycyjnym są „zatrute” i nie mogą wykonać swojej pracy, niezależnie od ilości dostępnego substratu.
Na wykresie przedstawiającym zależność prędkości reakcji (oś y) od różnych stężeń substratu (oś x) można odróżnić te dwa rodzaje inhibitorów na podstawie kształtu krzywych:
Nie znasz tego typu wykresu? Bez obaw! Artykuł podstawy wykresów kinetyki enzymów zawiera wyjaśnienia krok po kroku.
Regulacja allosteryczna
Regulacja allosteryczna, ogólnie rzecz biorąc, jest po prostu formą regulacji, w której cząsteczka regulatorowa (aktywator lub inhibitor) wiąże się z enzymem w innym miejscu niż centrum aktywne. Miejsce, w którym regulator się wiąże, nazywane jest centrum allosterycznym.
Prawie wszystkie przypadki inhibicji niekompetycyjnej (wraz z kilkoma wyjątkowymi przypadkami inhibicji kompetycyjnej) są formami regulacji allosterycznej.
Jednak niektóre enzymy regulowane allosterycznie mają zestaw unikalnych właściwości, które je odróżniają. Enzymy te, w tym niektóre z naszych kluczowych regulatorów metabolicznych, często otrzymują nazwę enzymów allosterycznych
Istnieją również aktywatory allosteryczne. Niektóre aktywatory allosteryczne wiążą się z miejscami na enzymie innymi niż centrum aktywne, powodując lepszą pracę centrum aktywnego. Ponadto w procesie zwanym kooperacją sam substrat może służyć jako aktywator allosteryczny: gdy wiąże się z jednym centrum aktywnym, aktywność innych centrów aktywnych wzrasta.
Kofaktory i koenzymy
Wiele enzymów nie działa optymalnie lub nawet w ogóle, jeśli nie zwiąże się z innymi białkowymi cząsteczkami pomocniczymi zwanymi kofaktorami. Mogą one być tymczasowo przyłączone do enzymu poprzez wiązania jonowe lub wodorowe, lub na stałe poprzez silniejsze wiązania kowalencyjne. Powszechne kofaktory obejmują jony nieorganiczne, takie jak żelazo
Koenzymy są podzbiorem kofaktorów, które są organicznymi (opartymi na węglu) cząsteczkami. Najczęstszymi źródłami koenzymów są witaminy. Niektóre witaminy są prekursorami koenzymów, a inne działają bezpośrednio jako koenzymy. Na przykład witamina C jest koenzymem kilku enzymów, które biorą udział w budowaniu białka - kolagenu, kluczowej składowej tkanki łącznej.
Kompartmentalizacja enzymów
Enzymy są często przechowywane w różnych kompartmentach (w określonych częściach komórki, w których wykonują swoją pracę) - na przykład w określonej organelli. Kompartmentalizacja (podział na segmenty) oznacza, że enzymy potrzebne do określonych procesów mogą być przechowywane w miejscach, w których działają, zapewniając im to, że mogą łatwo znaleźć swoje substraty, nie uszkadzają komórki i mają odpowiednie mikrośrodowisko do prawidłowego działania.
Na przykład enzymy trawienne lizosomu działają najlepiej przy pH około
Inhibicja szlaków metabolicznych przez sprzężenie zwrotne
W procesie inhibicji przez sprzężenie zwrotne, produkt końcowy szlaku metabolicznego oddziałuje na kluczowy enzym regulujący rozpoczęcie tego szlaku, zapobiegając produkcji większej ilości produktu końcowego.
Może się to wydawać dziwne - dlaczego cząsteczka chciałaby wyłączyć własny szlak? Ale w rzeczywistości jest to sprytny sposób, aby komórka wyprodukowała odpowiednią ilość produktu. Gdy jest mało produktu, enzym nie zostanie zahamowany, a szlak metaboliczny będzie realizowany pełną parą, aby uzupełnić zapasy. Kiedy jest dużo produktu, zablokuje on enzym, uniemożliwiając produkcję nowego produktu, aż do wyczerpania istniejącego zapasu.
Zwykle, inhibicja przez sprzężenie zwrotne ma miejsce w pierwszym kluczowym etapie szlaku, co oznacza pierwszy etap, który jest nieodwracalny. Jednak inhibicja przez sprzężenie zwrotne może czasami uderzać w wiele punktów wzdłuż szlaku, szczególnie jeśli szlak ten ma wiele punktów rozgałęzień. Etapy szlaku regulowane przez inhibicję przez sprzężenie zwrotne są często katalizowane przez enzymy allosteryczne.
Na przykład cząsteczka nośnika energii, ATP, jest allosterycznym inhibitorem niektórych enzymów zaangażowanych w oddychanie komórkowe, proces, który produkuje ATP by zasilić reakcje komórkowe. Gdy jest dużo ATP, to inhibicja przez sprzężenie zwrotne zapobiega tworzeniu się nowego ATP. Jest to przydatne, ponieważ ATP jest niestabilną cząsteczką. Jeśli wyprodukuje się zbyt dużo ATP, większość z cząsteczek może zostać zmarnowana, spontanicznie rozkładając się z powrotem do składników początkowych (ADP and P
Z drugiej strony, ADP służy jako pozytywny regulator allosteryczny (aktywator allosteryczny) dla niektórych tych samych enzymów, które są hamowane przez ATP. Na przykład, ADP może działać poprzez wiązanie się z enzymem i zmianę jego kształtu, dzięki czemu staje się bardziej aktywny.
Dzięki takiemu schematowi regulacji, gdy poziomy ADP są wysokie w porównaniu z poziomami ATP, enzymy oddychania komórkowego stają się bardzo aktywne i produkują więcej ATP w procesie oddychania komórkowego.
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji