KONTROLA AKTYWNOŚCI ENZYMATYCZNEJ

Regulacja przez sprzężenie zwrotne.

W systemach biologii szybkości wielu enzymów mogą być zmieniane przez obecność innych cząsteczek tj,aktywatory i inhibitory(okreslanych jako efektory)

Istotę kontroli szlaków metabolicznych jest to,że enzym działający przy początkowym szlaku jest hamowany przez końcowy produkt tego szlaku metabolicznego.

Proces ten nazywamy hamowaniem w drodze sprzężenia zwrotnego. Ma często miejsce na decydującym etapie reakcji(przemiana A w B)

Etap decydujący jest pierwszym na którym powstaje intermedia występujący tylko w danym szlaku i dlatego etap ten wymusza dalsze przemiany tego związku wzdłuż danego szlaku.

Kontrola enzymu która przeprowadza decydujący etap szlaku metabolicznego umożliwia zaoszczędzenie w organizmie energii metabolicznej i zapobiega nagromadzaniu się jej w dalszym przebiegu szlaku dużych ilości zbędnych intermediatów metabolicznych.

Ponieważ wiele szlaków metabolicznych jest rozgałęzionych hamowanie przez sprzężenie zwrotne musi umożliwiać dalszy przebieg syntezy 1 produktu rozgałęziającego się szlaku, nawet wtedy gdy 2 produkt jest obecny w nadmiarze.

W tej sytuacji musi działać proces inhibicji przez sekwencyjne sprzężenie zwrotne, w którym końcowy produkt jednego rozgałęzienia szlaku będzie hamował 1 enzym działający poza miejscem rozgałęzienia.(przemian C w D lub C w E )

Gdy ten intermedia miejsca rozgałęzienia nagromadzi się hamuje on z kolei pierwszy decydujący etap całego szlaku(przemian A w B)

Ponieważ produkt końcowy szlak metabolicznego, obejmującego wiele reakcji enzymatycznych ma małą szanse strukturalnego  podobieństwa do związku wyjściowego, produkt końcowy będzie wiązał się z enzymem w punkcie kontrolnym, którym jest miejsce inne niż miejsce aktywne.Takie enzymy są zawsze enzymami allosterycznymi.

A->B->C->D->Z

E¹hamowany przez produkt Z

.

ENZYMY ALLOSTERYCZNE

Wykres wartości V0 jako funkcji (S) dla enzymu allosterycznego daje krzywą sigmoidalna a nie krzywą hiperboliczną wynikającą z równania Michelisa-Michtona.

W środkowym zakresie stężeń substratu krzywa ta ma stromy odcinek, odzwierciedlający gwałtowny wzrost szybkości enzymu zachodzący w wąskim zakresie stężeń substratu.

To właśnie nadaje enzymom allosterycznym szczególną wrażliwość na małe zmiany stężenia w zakresie fizjologicznym

W enzymach allosterycznych związanie cząsteczki substratu do jednego miejsca aktywnego wpływa na wiązanie cząsteczki substratu do innych miejsc aktywnych enzymu

Mówi się że różne miejsca aktywne zachowują się kooperatywnie w zakresie wiązania cząsteczek substratu i oddziaływania na nie( np. wiązanie O2 do 4 podjednostek hemoglobiny)

Enzymy allosteryczne są w związku z tym często białkami złożonymi z wielu podjednostek, z których każda ma 1 lub więcej miejsc aktywnych.

Związanie substratu w jednym miejscy aktywnym, indukuje w białku zmianę konformacyjną, które jest przenoszone do innych miejsc aktywnych zmieniając ich powinowactwo do cząsteczek substratu.

Poza tym enzymy allostertczne mogą być kontrolowane przez cząsteczki efektorów9aktywatory i inhibitory), które wiążą się z enzymem w miejscu odmiennym od miejsca aktywnego, na tej samej podjednostce lub innej, powodując przez to zmianę konformacji miejsca aktywnego-co zmienia szybkość działania enzymu9n wiązanie CO2, H+, oraz 2,3-bisfosfoglicerynianu do hemoglobiny)

Aktywator allosteryczny zwiększa aktywność enzymu, natomiast inhibitor allosteryczny zmniejsza ją.

TRANSKARBAMOILAZA ASPARAGINIANOWA- karbamoilotransferaza asparaginianowa-Kluczowy enzym w biosyntezie pirymidyn.

Dostarcza dobrego przykładu regulacji allosterycznej. ATC-aza katalizuje tworzenia N-karbamoiloasparaginianu z asparaginianu i karbamoilofosforanu, co jest decydującym etapem w biosyntezie pirymidyn.

Związanie 2 substratów asparaginianu i karbamoilofosforanu jest seperatywne na co wskazuje sigmoidala krzywa V0 jako funkcja stężenia substratu.

ATC-aza jest złożona z 6 podjednostek katalitycznych i 6 podjednostek regulatorowych

Enzym podlega inhibicji na drodze sprzężenia zwrotnego przez końcowy produkt szlaku cystydynotrifosforanu(CTP), który działa jako inhibitor allosteryczny.

Jego cząsteczka wiąże się z podjednostkami regulatorowymi i powoduje zmniejszenie katalitycznej aktywności ATC-azy, zmniejszając powinowactwo podjednostek  katalitycznych do cząsteczek substratu.

Odwrotnie ATP, jeden z intermediatów pojawiających się wcześniej na szlaku działa jako aktywator allosteryczny zwiększając powinowactwo ATC-azy do jej substratów, powodując wzrost jej aktywności

ATP współzawodniczy z CTP o to samo miejsce wiążące  na podjednostce regulatorowej. Wysoki poziom ATP stanowi dla komórek sygnał ze jest dstepna energia replikacji DNA równocześnie ATC-aza zostaje uaktywniona co prowadzi do syntezy nukleotydów pirymidynowych niezbędnych do tej replikacji.

Gdy pirymidyny są obecne w dużej ilości wysoki poziom CTP hamuje ACT-azę zapobiegając przez to zbędnej syntezie N-karmamoiloasparagininu i dalszych intermediatów szlaku.

Rys2 Powstawanie  N-karmamoiloasparagininu

ODWRACALNA MODYFIKACJA KOWALENCYJNA

Polega na tworzeniu i rozcinaniu wiązań kowalencyjnych między grupami niebiałkowymi a cząsteczką enzymu.

Chociaż wiele niebiałkowych grup może być odwracalnie dołanczanych do enzymu, wpływając na ich aktywność najczęstszą modyfikacją jest dodawanie i  usuwanie grupy fosforanowej(fosforylacja i defosforylacja). Fosforylacja katalizowana jest często przez kinazy białkowe, używając często ATP jako donora grupy fosforanowej. Natomiast  defosforylacja jest katalizowana przez fosfatazy białkowe. Dodawanie i usuwanie gr. Fosforanowej powoduje zmiany w trzeciorzędowej strukturze enzymu co zmienia jego aktywność katalityczna.

Jedna klasa kinaz przenosi gr. Fosforanową specyficznie na grupy hydroksylowe reszt seryny lub treoniny docelowego enzymu. Kinazy białkowe serynowo-treoninowe, których przykładem jest kinaza białkowa zależą od cAMP. Natomiast 2klasa przenosi gr fosforanową na grupy hydroksylowe reszty tyrozynowej(kinazy tyrozynowe)

Fosfatazy białkowe katalizują hydrolizują katalityczne usuwanie grupy fosforanowej z białek, regenerując niezmodyfikowane gr. Hydroksylowe aminokwasów i uwalniają Pi. Ufosforylowana forma enzymu może być albo mniej albo bardziej aktywna w porównaniu z forma zdefosforylowaną..Tak więc cykl fosforylacji/defosforylacji może być użyty jako szybki odwracalny przełącznik dla szlaku metabolicznego, w zależności od potrzeb komórki.Np. fosforylaza glikogenowa enzym działający podczas rozkładu glikogenu jest aktywna w formie ufosforylowanej a synteza glikogenowa jest najbardziej aktywna w formie nieufosforylowanej.

Do innych typów odwracalnej modyfikacji kowalencyjnej używanych do regulacji aktywności pewnych enzymów należą:1.adenylacja przenoszenia grupy adenylowej z ADP

2.ADP-rybozylacja(przeniesienie jednostki adenozynodifosforybozylowej z NAD+)

1