Основно съдържание

Курс: Биология 7-10 клас Общообразователна подготовка > Раздел 3

Урок 2: Ензими

Ензимна регулация

Кофактори и ензими. Обратими, необратими, конкурентни и неконкурентни инхибитори. Алостерични ензими. Инхибиране на обратната връзка.

Въведение

Клетките в тялото ти са способни да изградят много различни ензими и първо може да помислиш: супер, нека направим всички тези ензими и да ги метаболизираме колкото е възможно по-бързо! Както се оказва, всъщност не е добра идея да произведеш и активираш всички тези ензими по едно и също време или в една и съща клетка.

Нуждите и условията варират от клетка на клетка и се променят в отделните клетки с времето. Например стомашните клетки имат нужда от различни ензими в сравнение с мастните клетки, кожните клетки, кръвните клетки или нервните клетки. Също така, една храносмилателна клетка може да работи по-усилено да обработи и разгради хранителни вещества във времето след хранене, за разлика от няколко часа след хранене. Когато тези клетъчни нужди и условия се променят, се променят количествата и функционалността на различните ензими.

Понеже ензимите ръководят и регулират метаболизма на една клетка, по принцип те са внимателно контролирани. В тази статия ще разгледаме фактори, които могат да засегнат или контролират ензимната активност. Те включват рН и температура (обсъдени в статията активен център), както и:

Регулаторни молекули. Ензимната активност може да бъде "увеличена" или "намалена" от активаторни и инхибиторни молекули, които се прикрепят специфично към ензимите.
Кофактори. Много ензими са активни, само когато са свързани с небелтъчни молекули-помощници, познати като кофактори.
Компартментализация. Съхраняването на ензими в специфични отделения може да им попречи да причинят увреждане или да предостави правилните условия за активност.
Инхибиране чрез обратна връзка. Ключови метаболитни ензими често биват инхибирани от крайни продукт на пътя, който контролират (инхибиране чрез обратна връзка).

В останалата част от тази статия ще разгледаме тези фактори един по един и ще видим как всеки от тях може да засегне ензимната активност.

Регулаторни молекули

Ензимите могат да бъдат регулирани от други молекули, които или увеличават, или намаляват активността им. Молекули, които увеличават активността на един ензим, се наричат активатори, докато молекули, които намаляват активността на един ензим, се наричат инхибитори.

Има много видове молекули, които блокират или насърчават ензимната функция, и които засягат ензимната функция по различни пътища.

Конкурентни и неконкурентни

В много добре проучени случаи прикрепянето на един активатор или инхибитор е обратимо, което означава, че молекулата не се прикрепя за постоянно за ензима. Някои важни видове лекарства работят като обратими инхибитори. Например лекарството типранивир, което се използва за лечение на ХИВ, е обратим инхибитор.

^{1}

Той блокира активността на един вирусен ензим, който помага на вируса да създаде повече копия от себе си.

Обратимите инхибитори са разделени на две групи въз основа на поведението си на свързване. Няма да обсъдим всички видове тук, но ще разгледаме две важни групи: конкурентни и неконкурентни инхибитори.

Един инхибитор може да се прикрепи към един ензим и да блокира прикрепянето на субстрата, например, като се прикрепи към активния център. Това се нарича конкурентно инхибиране, понеже инхибиторът се "конкурира" със субстрата за ензима. Тоест в определен момент или само инхибиторът, или само субстратът може да е свързан с активния център.
При неконкурентно инхибиране инхибиторът не пречи на субстрата да се свърже с активния център. Вместо това се прикрепя към друг център в ензима и не му позволява да си върши работата. Това инхибиране се нарича "неконкурентно", понеже и инхибиторът, и субстратът могат да са свързани по едно и също време.

Конкурентните и неконкурентните инхибитори могат да бъдат различени по това как засягат ензимната активност при различни концентрации на субстрата.

Ако един инхибитор е конкурентен, той ще намали скоростта на реакцията, когато няма много субстрат, но може да бъде "победен" от голямо количество от субстрата. Тоест ензимът все още може да постигне максималната си скорост на реакция при достатъчно субстрат. В този случай почти всички активни центрове на почти всички ензимни молекули ще бъдат заети от субстрата, а не от инхибитора.
Можеш да мислиш за конкурентните инхибитори от перспективата на игра на футбол.
Например може да имаш един играч от нападението (субстрат) и един от защитата (инхибитор), и двамата се състезават за топката (ензим). В този сценарий играчът на защитата вероятно ще притежава топката за значителна част от времето. Това е подобно на случая, при който концентрацията на субстрата е ниска и инхибиторът значително намалява скоростта на реакцията.
Ако, напротив, изпратиш шестима нападатели (молекули субстрат) за всеки един играч на защитата (инхибитор), шансовете нападателите да получат топката (ензима) ще се увеличат значително. След определено съотношение ще е почти напълно сигурно. Това е като случая, при който концентрацията на субстрата е висока, което позволява да бъде достигната максимална степен на реакция, въпреки наличието на инхибитора.
Ако един инхибитор е неконкурентен, ензимно-катализираната реакция никога няма да достигне нормалната си максимална скорост дори с голямо количество субстрат. Това е така, понеже ензимните молекули, към които е свързан неконкурентният инхибитор, биват "отровени" и не могат да свършат работата си, без значение колко от субстрата е наличен.

На една графика на скоростта на реакцията (оста у) при различни концентрации на субстрата (оста х), можеш да различиш тези различни инхибитори по формата на кривите:

Не са ти познати този вид графики? Не се притеснявай! Статията основи на графиките на ензимната кинетика има обяснение стъпка-по-стъпка.

Алостерично регулиране

Алостеричното регулиране, общо казано, е просто всеки вид регулиране, при което регулиращата молекула (активатор или инхибитор) се прикрепва към даден ензим на място, различно от активния център. Мястото, където регулаторът се прикрепя, се нарича алостеричен център.

Почти всички случаи на неконкурентно инхибиране (заедно с някои единични случаи на конкурентно инхибиране) са форми на алостерично регулиране.

Някои ензими, които се регулират алостерично, притежават множество уникални свойства, които ги отличават. Този вид ензими, сред които са някои от ключовите ни метаболитни регулатори, често биват наричани алостерични ензими

^{2}

. Алостеричните ензими обикновено имат множество активни центрове, разположени на различни протеинови подединици. Когато един алостеричен инхибитор се прикрепи към един ензим, всички активни центрове на протеиновите подединици биват леко променени, така че да не работят толкова добре.

Има също и алостерични активатори. Някои алостерични активатори се прикрепят към различни от активния център на ензима места, което води до увеличение на функцията на активния център. Също така в т.нар. процес кооперативност самият субстрат може да действа като алостеричен активатор: когато се прикрепи към един активен център, активността на другите активни центрове се увеличава.

^{3}

Това се приема за алостерична регулация, понеже субстратът засяга активните центрове, отдалечени от мястото му на прикрепяне.

Хемоглобинът – протеинът, пренасящ кислорода в кръвта ни, демонстрира т.нар. кооперативност. Това всъщност е класически пример.

Но хемоглобинът не е пример за алостеричен ензим. Хемоглобинът носи кислород, но не катализира реакция, така че не е ензим. В протеините на хемоглобина има множество активни центрове и когато кислородът се прикрепи към един от тях, афинитетът към кислорода (тенденцията да прикрепя кислород) на другите активни центрове се увеличава.

Можеш да научиш повече за кооперативността на ензимите в това видео за преноса на кислород в кръвта.

Кофактори и коензими

Много ензими не работят оптимално, или изобщо, освен ако не са свързани с небелтъчни молекули-помощници, наречени кофактори. Те може да са прикрепени временно към ензима чрез йонни или водородни връзки, или постоянно чрез по-силни ковалентни връзки. Сред често срещаните кофактори са неорганични йони като желязо

{(Fe}^{2 +})

и магнезий

({Mg}^{2 +})

. Например ензимът, който изгражда ДНК молекули, ДНК полимераза, се нуждае от магнезиеви йони, за да функционира.

^{4}

Коензимите са подгрупа кофактори, които представляват органични (базирани на въглерод) молекули. Най-често срещаните източници на коензими са витамините в храната ни. Някои витамини са прекурсори на коензими, а други действат директно като коензими. Например витамин С е коензим за няколко ензима, които участват в изграждането на протеина колаген, ключова част от съединителната тъкан.

Компартментализация на ензимите

Ензимите често биват компартментализирани (съхраняват се в специфична част на клетката, където вършат работата си) – например в определен органел. Компартментализация означава, че ензими, нужни за специфични процеси, могат да бъдат задържани в местата, където действат, което гарантира, че ще намират лесно субстратите си, няма да увредят клетката и ще имат правилната микросреда, за да работят добре.

Например разграждащите ензими в лизозомите работят най-добре при рН около

5, 0

, което е характерно за киселинната среда в лизозомите (но не и в цитозола, който има рН от около

7, 2

). Лизозомните ензими имат ниска активност при рН-то на цитозола, което може да служи като "застраховка" на клетката: дори ако един лизозом се взриви и разлее ензимите си, ензимите няма да започнат да смилат клетката, понеже вече не са при подходящото рН, за да функционират.

^{5}

Инхибиране чрез обратна връзка на метаболитни пътеки

В процес с инхибиране чрез обратна връзка крайният продукт на един метаболитен път действа върху ключовия ензим, регулиращ влизането в този път, спирайки произвеждането на повече от този краен продукт.

Това може да изглежда странно – защо една молекула би искала да изключи собствения си път? Но всъщност това е умен начин клетката да си произведе точното количество от продукта. Когато има малко от дадения продукт, ензимът няма да бъде инхибиран и пътят ще работи с пълна пара, за да увеличи количеството. Когато има голямо количество от продукта, той ще блокира ензима и няма да позволи производството на нов продукт, докато не се използва съществуващото количество.

Обикновено инхибирането чрез обратна връзка действа в първата извършена стъпка на пътя, което означава в първата стъпка, която е ефективно необратима. Но инхибирането чрез обратна връзка понякога действа върху множество точки по един път, особено ако пътят има множество точки на разклонение. Стъпките от пътя, регулиран с инхибиране чрез обратна връзка, често се катализират от алостерични ензими.

^{6}

Например молекулата енергоносител АТФ е алостеричен инхибитор на някои от ензимите, включени в клетъчното дишане – процес, при който се синтезира АТФ, за да се осигури енергя за реакциите в клетката. Когато има голямо количество АТФ, инхибирането чрез обратна връзка не позволява да продължи синтеза на АТФ. Това е полезно, понеже молекулата на АТФ е нестабилна. Ако се синтезира твърде много АТФ, голяма част от него може да бъде прахосана поради спонтанен разпад до съставните му части (АДФ и Р

_{н}

АДФ, от друга страта, служи като положителен алостеричен регулатор (алостеричен активатор) за някои от същите ензими, които биват инхибирани от АТФ. Например АДФ може да въздейства като се прикрепи към един ензим и промени формата му, за да стане по-активен.

^{7}

Благодарение на този модел на регулация, когато нивата на АДФ са високи в сравнение с нивата на АТФ, ензимите на клетъчното дишане стават много активни и произвеждат още АТФ в процеса клетъчно дишане.

Източници

Тази статия е производна модификация на “Ензими” от ОупънСтакс Биология (CC BY 3.0). Изтегли оригиналната статия безплатно на http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85:32/Biology.

Изменената статия е лицензирана под разрешително CC BY-NC-SA 4.0.

Цитирани трудове:

Ензимен инхибитор. (10 май 2016). Взето на 20 юли 2016 от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Enzyme_inhibitor.
Бърг, Дж. М., Тимошко, Дж. Л. и Стрейър, Л. (2002). Моделът Михаелис-Ментен обяснява кинетичните свойства на много ензими. В Биохимия (5то изд., раздел 8.4). Ню Йорк, Ню Йорк: W. H. Freeman. Получено от http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22430/#_A1063_.
Бърг, Дж. М., Тимошко, Дж. Л. и Стрейър, Л. (2002). Ензимът аспартат транскарбамилаза се инхибира алостерично от крайния продукт на пътя си. В Биохимия (5-то изд., раздел 10,1). Ню Йорк: Ню Йорк: W. H. Freeman. Взето от https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22460/#_A1336_.
Кофактор (биохимия). (20 октомври 2016). Взето на 6 ноември 2016 от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Cofactor_%28biochemistry%29.

Купър, Г. М. (2000). Лизозоми. В Клетката: Молекулярен подход (2-ро изд.). Съндърланд, Масачузетс: Sinauer Associates. Взето от http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9953/.

Берг, Дж. М., Тимошко, Дж. Л. и Стрейър, Л. (2002). Биологичният синтез на аминокиселини се регулира от инхибиране чрез обратна връзка. В Биохимия (5-то изд., раздел 24,3). Ню Йорк, Ню Йорк: W.H. Freeman. Взето от http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22371/.
Берг, Дж. М., Тимошко, Дж. Л. и Стрейър, Л. (2002). Влизането в цикъла на лимонената киселина и метаболизма през него са контролирани. В Биохимия (5-то изд., раздел 17,2). Ню Йорк, Ню Йорк: W.H. Freeman. Взето от http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22347/#_A2413_.

Допълнителни източници:

Алостеричен ензим. (2014, 2 октомври). Получено 25 август, 2015 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Allosteric_enzyme.

Бейли, Дж. (2011, 7 септември). Сравнение на алостерични и неконкурентни механизми. Получено от https://fallforbiochem.wordpress.com/2011/09/17/allosteric-vs-noncompetitive/.

Бърг, Дж. М., Тимошко, Дж. Л., и Стрейър, Л. (2002). Биосинтезът на аминокиселини се регулира от инхибиране чрез обратна връзка. В Biochemistry (5то изд., раздел 24.3). Ню Йорк, Ню Йорк: W. H. Freeman. Получено от http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22371/.

Бърг, Дж. М., Тимошко, Дж. Л. и Стрейър, Л. (2002). Аспартатната транскарбамилаза се инхибира алостерично от крайния продукт на пътя си. В Биохимия (5-то изд., раздел 10,1). Ню Йорк: Ню Йорк: W. H. Freeman. Взето от https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22460/.

Берг, Дж. М., Тимошко, Дж. Л. и Стрейър, Л. (2002). Влизането в цикъла на лимонената киселина и метаболизма през него са контролирани. В Биохимия (5-то изд., раздел 17,2). Ню Йорк, Ню Йорк: W.H. Freeman. Взето от http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22347/.

Бърг, Дж. М., Тимошко, Дж. Л., и Стрейър, Л. (2002). Ензимите могат да бъдат инхибирани от специфични молекули. В Biochemistry (5то изд., раздел 8.5). Ню Йорк, Ню Йорк: W. H. Freeman. Получено от http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22530/.

Бърг, Дж. М., Тимошко, Дж. Л., и Стрейър, Л. (2002). Регулаторни стратегии: ензими и хемоглобин. В Biochemistry (5то изд., раздел 10). Ню Йорк, Ню Йорк: W. H. Freeman. Получено от http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21158/.

Бърг, Дж. М., Тимошко, Дж. Л. и Стрейър, Л. (2002). Моделът Михаелис-Ментен обяснява кинетичните свойства на много ензими. В Биохимия (5то изд., раздел 8,4). Ню Йорк, Ню Йорк: W. H. Freeman. Получено от http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22430/.

Карфилзомиб. (30 ноември 2015). Взето на 15 февруари 2016 от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Carfilzomib.

Кофактор (биохимия). (20 октомври 2016). Взето на 6 ноември 2016 от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Cofactor_%28biochemistry%29.

Конкурентно инхибиране. (2015, 15 август). Получено 29 август, 2015 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Competitive_inhibition.

Лекарства като ензимни инхибитори. (n.d). Получено 25 август, 2015 г. от UC Davis ChemWiki: http://chemwiki.ucdavis.edu/Textbook_Maps/Organic_Chemistry_Textbook_Maps/Map%3A_Bruice_6ed_%22Organic_Chemistry%22/31%3A_The_Organic_Chemistry_of_Drugs%3A_Discovery_and_Design/31.07%3A_Drugs_as_Enzyme_Inhibitors.

Ензимен инхибитор. (10 май 2016). Взето на 20 юли 2016 от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Enzyme_inhibitor.

Ибрутниб. (n.d.). В __Речник на лекарствата NCI. Взето от http://www.cancer.gov/publications/dictionaries/cancer-drug?cdrid=638648.

Механизъм на действие на аспирина. (17 ноември 2015). Взето на 15 февруари 2016 от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Mechanism_of_action_of_aspirin.

Неконкуретно инхибиране. (2 септември 2014). Получено 25 август 2015 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Non-competitive_inhibition.

Протеазен инхибитор (фармакология). (28 юли 2015). Получено 25 август 2015 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Protease_inhibitor_%28фармакология%29

Рийс, Дж. Б., Юри, Л. А., Кейн, М. Л., Васерман, С. А., Минорски, П. В., и Джаксън, Р. Б. (2011). Въведение в метаболизма. В Кампбел биология (10-то издание, стр. 141-161). Сан Франциско, Калифорния: Пиърсън.

Сарин. (13 юли 2016). Взето на 20 юли 2016 от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Sarin.

Стрелоу, Дж., Дюуи, В., Айверсън, П. В., Брукс, Х. Б., Рединг, Дж. А., Макгий, Дж., и Вайднър, Дж. (2012). Анализ на механизма на действие на ензимите. В Assay guidance manual. Получено от http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK92001/.

Тотх, Л., Мусзбек, Л. и Комаромиб, И. (2013). Механизми на необратимата инхибиция на човешката циклооксигеназа-1 от аспирина, както е прогнозирана от изчисленията QM/MM. Журнал по молекулярна графика и моделиране, 40, 99-109. http://dx.doi.org/10.1016/j.jmgm.2012.12.013.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.