Регуляция каталитической активности ферментов

Горизонты энзимологии. В литературе появляются работы, в которых делаются попытки прогнозирования дальнейшего развития энзимологии на ближайшее десятилетие. Перечислим основные направления исследований энзимологии будущего. Во-первых, это исследования более тонких деталей молекулярного механизма и принципов действия ферментов в соответствии с законами югассической органической химии и квантовой механики, а также разработка на этой основе теории ферментативного катализа. Во-вторых, это изучение ферментов на более высоких уровнях (надмолекулярном и клеточном) структурной организации живых систем, причем не столько отдельных ферментов, сколько ферментных комплексов в сложных системах. В-третьих, исследование механизмов регуляции активности и синтеза ферментов и вклада химической модификации в действие ферментов. В-четвертых, будут развиваться исследования в области создания искусственных низкомолекулярных ферментов —синзимов (синтетические аналоги ферментов), наделенных аналогично нативным ферментам высокой специфичностью действия и каталитической активностью, но лишенных побочных антигенных свойств. В-пятых, исследования в области инженерной энзимологии (белковая инженерия), создание гибридных катализаторов, сочетающих свойства ферментов, антител и рецепторов, а также создание биотехнологических реакторов с участием индивидуальных ферментов или полиферментных комплексов, обеспечивающих получение и производство наиболее ценных материалов и средств для народного хозяйства и медицины. Наконец, исследования в области медицинской энзимологии, основной целью которых является выяснение молекулярных основ наследственных и соматических болезней человека, в основе развития которых лежат дефекты синтеза ферментов или нарушения регуляции активности ферментов. [c.117]

Регуляция на уровне активности ферментов свойственна, как правило, только ключевым ферментам клеточного метаболизма. Каталитическая активность ферментов, участвующих в том или ином пути биосинтеза, может подвергаться изменениям она может повышаться (под действием положительного эффектора) или снижаться (под действием отрицательного эффектора). При ингибировании конечным продуктом (ретроингибировании) этот продукт подавляет активность первого фермента, участвующего в данной цепи реакций. [c.473]

В регуляции метаболических путей участвуют механизмы трех типов. Первый из них, наиболее быстро реагирующий на любое изменение ситуации, связан с действием аллостерических ферментов (рис. 13-15), каталитическая активность которых может меняться под [c.388]

Рис. 15-14. Регуляция активности гликогенфосфорилазы. Молекула этого фермента состоит из двух субъединиц. В каждой из них имеется важный для каталитической активности остаток серина. По гидроксильной группе этого остатка серина обе субъединицы фермента фосфорилируются под действием киназы фосфорилазы, в результате чего образуется фосфорилаза а. Эта реакция стимулируется ионами Дефосфорилирование фосфори-

Основные виды регуляции каталитической активности ферментов в клетке и структурные изменения ферментов в ходе их активации представлены в табл. 2.3. [c.53]

Воздействие поверхности носителя на ферментную глобулу сводится к изменению ее третичной структуры. Экстраполяция к б = О позволяет найти удельную активность изолированных глобул на носителе. Для ряда мембранных ферментов, таких как сукцинатдегидрогеназа, щелочная фосфатаза или цитохром с, наблюдается заметная активация, существенно зависящая от природы взятого носителя, а наибольшие эффекты найдены при адсорбции ферментов на фосфолипидных слоях. Эти данные показывают, что адсорбция фермента на мембране может выступать как мощный фактор регуляции каталитической активности, а определение природы активирующей по- [c.294]

РЕГУЛЯЦИЯ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ [c.102]

Регуляция каталитической активности ферментов 102 [c.377]

Аллостерический центр представляет участок молекулы фермента, в результате присоединения к которому определенного низкомолекулярного (а иногда—и высокомолекулярного) вещества изменяется третичная структура белковой молекулы. Как следствие этого изменяется конфигурация активного центра, сопровождающаяся либо увеличением, либо снижением каталитической активности фермента. Это явление лежит в основе так называемой аллостерической регуляции каталитической активности ферментов. [c.99]

Регуляция путем изменения каталитической активности ферментов [c.486]

Активный, нли каталитический, центр фермента — это сравнительно небольшой участок молекулы белка. Аминокислотный состав остальной части молекулы, особенно тех ее участков, которые находятся на поверхности структуры, может довольно сильно меняться в результате мутаций без изменения каталитической активности фермента. Тем не менее присоединение к различным участкам поверхности фермента других молекул может косвенно повлиять на катализ. В концентрированных растворах, каким является цитоплазма, молекулы могут агрегировать. Присоединение какой-либо молекулы к определенному участку на поверхности фермента способно изменить его структуру и в свою очередь вызвать увеличение или уменьшение каталитической активности. Так, при избыточном накоплении продукта какого-либо метаболического пути ингибитор, действующий по принципу обратной связи, взаимодействует указанным образом с ферментами и выключает их. Взаимодействия такого рода составляют один из распространенных способов регуляции. [c.64]

Эффективным инструментом регуляции каталитической активности является молекулярная гетерогенность ферментов, обусловленная как генетическими, так и эпигенетическими факторами. [c.83]

Роль ферментов. Химические превращения осуществляются в клетке с помощью ферментов. За каждое превращение одного метаболита в другой ответствен особый фермент. Ферменты представляют собой белки, обладающие каталитической функцией. Основные свойства ферментного белка заключаются в его способности распознавать определенные метаболиты, катализировать их превращения и обеспечивать регуляцию каталитической активности. [c.216]

Одной из наиболее актуальных и увлекательных проблем современной биохимии является выяснение молекулярных механизмов регуляции ферментативной активности. Необходимым этапом на пути к пониманию закономерностей, лежащих в основе жизнедеятельности клетки, является изучение структуры, свойств и способов регуляции каталитической активности изолированных ферментов. Однако при этом следует иметь в виду, что высокая степень очистки в отдельных случаях может привести к изменению или исчезновению регуляторных свойств фермента [1]. [c.136]

Адсорбционный механизм регуляции активности гексокиназы скелетной мышцы (И изозим гексокиназы) реализуется в повышении каталитической эффективности фермента вследствие нековалентной иммобилизации на митохондриальных мембранах. Связанная форма фермента по сравнению со свободной обладает большим числом оборотов, повышенным сродством к субстрату глюкозе и менее чувствительна к ингибирующему действию продукта реакции глюкозо-6-фосфата. Связь фермента с наружной митохондриальной мембраной осуществляется преимущественно с участием фосфолипидного компонента мембран и регулируется внутриклеточными метаболитами. Так, Mg + и глюкоза являются адсорбирующими фермент реагентами, АТФ и глюкозо-6-фос-фат (Г-6-Ф) солюбилизируют фермент, контролируя тем самым соотношение разных по каталитической эффективности форм фермента [c.374]

Одним из уникальных свойств живых организмов является удивительная их способность к сохранению сбалансированности катаболических (биодегра-дативных) и анаболических (биосинтетических) процессов. При этом в клетках одновременно совершаются процессы синтеза, распада и взаимопревращения сотен и тысяч разнообразных веществ, которые в свою очередь регулируются множеством механизмов, обеспечивающих постоянство внутренней среды организма. Некоторые из этих регуляторных механизмов, среди которых важная роль принадлежит механизмам регуляции синтеза и каталитической активности ферментов, будут рассмотрены далее. [c.152]

Мутанты с измененной чувствительностью к эффектору. Мутантов, у которых изменена чувствительность какого-нибудь аллостерического фермента к эффектору, можно также выделять с помощью совершенно иного принципа, а именно как ревертантов к ауксотрофии. При этом поступают следующим образом. Сначала вьщеляют мутантов с дефектом регуляции, ауксотрофных в отношении метаболита, который хотят получить как конечный продукт, накапливающийся в среде. Затем среди этих ауксотрофных мутантов отбирают таких, у которых неспособность к синтезу данного метаболита обусловлена дефектом в аллостерическом ферменте соответствующего пути биосинтеза После этого из полученной мутантной популяции выделяют прототрофных ревертантов, которые не нуждаются в этом конечном продукте, так как сами спо-собнь его синтезировать. Среди ревертантов отбирают тех, которые выделяют нужный продукт в среду. Их можно выявить биоавтографиче-ским методом (разд. 10.2.2) или распознать по росту сателлитных колоний. О таком мутанте, полученном в результате двукратного отбора, можно составить себе следующее представление. У него после первой мутации перестал функционировать каталитический центр одного из аллостерических ферментов. Вторая мутация затронула структуру (конформацию) всей белковой молекулы, в результате чего каталитическая активность фермента восстановилась, но аллостерическая чувствительность оказалась утраченной. Как в этом, так и во многих других случаях для выделения желательного мутанта необходим ряд этапов, включающих мутагенез и отбор. [c.500]

Пути регуляции скорости ферментативных реакций в клетке различны. Одним из главных факторов, определяющих скорость обмена веществ, является количество фермента. Второй важный фактор связан с качеством ферментов как катализаторов, о качество зависит от двух основных обстоятельств с одной стороны, каталитическая активность ферментов детерминирована генетически и есть свойством их специфической бадковой структуры, с другой стороны, ферменты обладают высокой лабильностью, которая объясняется гибкостт>ю их третичной и четвертичной структуры, а также Локальным состоянием активного центра. Таким образом, каталитическая [c.123]

Фермент ксантозин-5 -фосфатаминаза иллюстрирует некоторые стороны механизма регуляции, которые могут отражать связывание на центре, отличном от активного центра. Этот фермент подвергается неконкурентному ингибированию антибиотиком псикофуранином, который структурно связан с регуляторными метаболитами этой системы. Так же как в случае многих ферментов подобного рода, ингибиторная активность может быть утрачена при добавлении веществ, которые, как можно ожидать, изменяют структуру белка, например мочевины или сульфгидрильных реагентов, или при фотоокислении в присутствии красителя метиленового голубого. Это происходит без нарушения каталитической активности фермента и указывает, что центр ингибирования отличается от каталитического центра. Взаимодействие фермента с меркаптоэтанолом приводит к частичному понижению чувствительности к ингибированию, хотя фермент продолжает связывать ингибитор. Это является дальнейшим подтверждением того, что в интактном белке существует область между каталитическим и регуляторным центрами, через [c.250]

Издание продолжает серию обзоров ведущих ученых МГУ (предыдущий выпуск вышел в 1981 г.) по актуальным проблемам современной энзимологии, начатую по инициативе биологического факультета и межфакультетскон проблемной научно-исследовательской лаборатории молекулярной биологии и биоор-ганической химии им. А. Н. Белозерского МГУ. В настоящий сборник включены статьи по различным аспектам исследования структуры и функции ферментов наряду с собственным экспериментальным материалом приводится широкий обзор данных литературы за последние годы. Особое внимание уделяется молекулярным основам каталитической активности ферментов и путям ее регуляции. Материал отражает последние достижения в данной области исследований. [c.2]

У высших организмов аденилатциклаза [АТФ-пирофосфатлиаза (циклизующая), КФ 4.6.1.I] является ферментом плазматических мембран. Вместе с рецепторным и регуляторным белками она образует аденилатциклазный комплекс, который благодаря своей структурной организации способен к тонкой регуляции каталитической активности аденилатциклазы. [c.94]

При анализе белковых фракций, смываемых с колонки при ионообменной хроматографии НАД-киназы из печени кролика, был обнаружен фактор, способный изменять активность фермента. Этот фактор не связывается с ионообменником и выходит при нанесении образца фермента на колонку в первой белковой фракции. Вопрос о том, какова его природа и не является ли он кальмодулином, будет рассмотрен ниже. Фактор не обладает ферментативной активностью, термостабилен (его эффект сохраняется после прогревания в течение 5—7 мин при 10(Г ), не проходиг через мембрану при диализе или ультрафильтрации. При исследовании действия фактора на НАД-киназу из печени кролика мы не всегда наблюдали однозначный эффект, что выражалось в следующем. Во-первых, степень активации варьировала в широких пределах (от 30 до 150%). а при большом избытке фактора наблюдали даже десятикратную активацию. Причина неодинаковой активации, по-видимому, кроется в различном содержании самого активатора в разных частично очищенных препаратах, используемых в опыте. Во-вторых, фактор оказывал влияние не на все препараты фермента. Степень активации зависела также от типа НАД-киназы (а или р). Было выяснено, что более выражено активирующее действие фактора на а-форму НАД-киназы [17]. При этом из двух форм фермента а-типа с молекулярным весом 150 000 и 180000 в большей степени активируется первая, наименее активная форма. На первый взгляд эти данные трудно объяснить действием одного активатора. Для интерпретации получен ных результатов проще всего было бы допустить присутствие в использованных частично очищенных препаратах, помимо активатора, еще и ингибитора фермента. Для многих ферментов показана возможность регуляции каталитической активности пра участии как активатора, так и ингибитора. Очевидно, что конечный эффект будет зависеть только от соотношения активатор/ин-. гибитор в используемых препаратах. Активация может наблюдаться, когда действие активатора преобладает над действием ингибитора. В противном случае выявляется ингибирование фер-мента. Эффект отсутствует, когда действие активатора уравнобе-шивается действием ингибитора. [c.150]

В настоящее время фактор — регулятор активности НАД-киназы из печени кролика и сердца голубя — ие выделен в гомогенном состоянии. Выделение и очистка регулятора активности НАД-киназьи представляются задачей первостепенной важности. Имея очищенный активатор, можно будет однозначно решить вопрос о его участии в поддёржании четвертичной структуры и о влиянии на степень олигомеризации фермента, а следовательно, о той роли, которую он играет в регуляции каталитической активности. [c.152]

Механизмы протекания прямой и обратной реакции одинаковы (чего нельзя сказать о механизмах катаболизма и анаболизма, каталрхзйруемых разными фермея- тами). Катализатор в равной степени ускоряет проте- канне как прямой, так и обратной реакции. Собственно, роль фермента в обратимой реакции сводится лишь к ускорению достижения равновесия. Изменение концентрации или каталитической активности фермента не приведет к изменению соотношения между концентрациями 5 и Р, если эти вещества способны превращаться друг в друга. По-видимому, именно по этой причине ферменты, катализирующие обратимые реакции, редко испытывают воздействия специфических регуляторе В" биологических системах регуляции подвергаются главным образом те ферменты, которые катализируют необратимые реакции. [c.11]

Др. тип регуляции активности ключевых ферментов-их хим. модификация (напр., обратимое ковалентное фосфорилирование, гликозилирование). Нек-рые ферменты активны в модифицированном, а ряд ферментов - в немодифици-рованном состоянии. Хим. модификация и превращение модифицированного фермента в исходную форму катализируются разными ферментами, чаще всего аллостерич. природы, к-рые, т. обр., выступают в роли регуляторов активности ферментов. Так, катализирующая фосфорилирование белков, в т. ч. ферментов, цАМФ-зависимая протеинкиназа-тетрамерный белок, состоящий из двух типов субъединиц (полипептидов). Фермент активен лишь после связывания двух молекул циклич. аденозинмонофосфата (цАМФ) с двумя регуляторными субъединицами в результате такого связывания фермент диссоциирует на две каталитически активные субъединицы и димер, с к-рым связаны две молекулы цАМФ. Т. обр., изменение активности ферментов путем их хим. модификации дополняет аллостерич. регуляцию и составляет часть каскадного механизма регуляции. Хим. модификацию ферментов осуществляют также специфич. протеазы, катализирующие ограниченный протеолиз и тем самым инактивирующие ферменты (напр., разрушая апоформы ферментов) или, наоборот, превращающие неактивные проферменты (напр., проферменты пищеварит. протеаз-пепсина и трипсина) в каталитически активные формы. [c.219]

Конкурентный ингибитор может связываться только со свободным ферментом и не связывается с фермент-субстратным комплексом (рис. 2 А). При регуляции фермента по неконкурентному механизму эффектор мо-. жет сндзываться как со свободным ферментом, так и с фермеит-субст] атным комплексом (рис. 2 Б). Связывание такого регулятора происходит в специал,ьном учаг стке, который отличается от активного центра. Этот регулятор называется аллостерическим. Неконкурентные активаторы увеличивают, а ингибиторы уменьшают каталитическую активность фермента и, как правило, не влияют на сродство фермента к субстрату. В свою очередь, и субстрат не в состоянии усилить или ослабить величину данного регуляторного влияния. При регуляции, получившей название бесконкурентная , эффектор может связываться только с фермент-субстрат-ным комплексом, что приводит к изменению скорости катализа и Кы для субстрата (рис. 2 В). [c.13]

Подавляющее большинство биологически активных веществ (гормонов, нейромедиаторов, ядов, токсинов, лекарственных препаратов или любых других агентов) действует на функциональную или метаболическую активность клеток по одному из трех путей 1) изменение компартментализации веществ в клетке или в клеточном ансамбле 2) усиление или ослабление каталитической активности ферментов, что достигается чаще всего их модификацией 3) изменение концентрации ферментов в клетке путем воздействия на их синтез или деградацию (см. главу 1). Первый механизм регуляции осуществляется главным образом путем изменения проницаемости биологических мембран для нонов, коферментов или метаболитов. Потенциал действия, возникаю-" щий под влиянием ацетилхолина или катехоламинов (при связывании с а-адренергическими рецепторами), вызывается входом Са2+ и Ма+ и последующим выходом К+ из клетки. Поступление Са " " в клетку стимулируют также ангиотензин и простагландинь группы Р, а проницаемость мембран почек для Ыа+ и воды находится под контролем альдостерона и антидиуретического гормона. Транспорт в клетку сахаров и аминокислот усиливают инсулин и соматомедины. [c.160]

СТР — отрицательный эффектор АТСазы следовательно, когда накапливается много СТР, происходит торможение образования карбамоилфосфата. Напротив, если концентрация СТР мала, образование карбамоилфосфата может ускоряться, увеличивая синтез СТР. АТР является положительным эффектором АТСазы, увеличивая (при высоких концентрациях) каталитическую активность фермента. Действие СТР на АТСазу является одним из многих примеров регуляции, когда конечный продукт метаболического пути, включающего ряд последовательных ферментативных реакций, может временно снижать скорость своего собственного синтеза. На примере рассматриваемой системы видно также, как одно из соединений (в данном случае АТР), участвующее в ряде метаболических процессов вместе с СТР, может влиять на синтез последнего. Такой тип метаболической регуляции на уровне ферментов юбсуждается в гл. 11. [c.274]

При решении вопросов об особенностях функционирования и регуляции активности ферментов in vivo существенно важным следует считать влияние внутриклеточных структур, например мембран, на характер проявления каталитических свойств ферментов. Для целого ряда ферментов установлена способность к изменению внутриклеточной локализации вследствие существования динамического равновесия между связанной с мембранами и свободной формами ферментов. В результате нековалентной адсорбции на мембране возможны конформационные изменения ферментов, сопровождающиеся модификацией кинетических свойств, а следовательно, и каталитической эффективности. [c.373]

Каталитический компонент аденилатциклазы, выделенный из разных тканей животных, представлен одним полипептидом с мол. массой 120000-150000 в отсутствие С-белков он практически неактивен содержит две 8Н-группы, одна из которых вовлечена в сопряжение с С -белком, а вторая необходима для проявления каталитической активности. В молекуле фермента имеется несколько аллостерических центров, через которые осуществляется регуляция активности низкомолекулярными соединениями ионами М , Мп" и Са , аденозином и форсколином. Под действием фосфоди-эстеразы цАМФ гидролизуется с образованием неактивного 5 -АМФ. [c.291]

Наряду с этим в живой природе широко используется другой, не столь оперативный способ регуляции активности ферментов, основанный на кочдлентном присоединении к определенным точкам фермента специфичных групп, изменяющих его каталитическую активность. Ковалентная модификация используется и для регуляции активности белков, выполняющих функции, отличные от каталитических. [c.424]

Каталитическая активность и регуляция активности ферментов могут протекать в форме мгновенного обратимого ингибирования по типу обратной связи (Feedba k mhibifaon) с использованием аллостерических эффекторов небольшой молекулярной массы, не имеющих структурного сходства с субстратами или коферментами и связываю1цимися с аллостерическими сайтами (не активными центрами) ферментов [c.76]

Наряду с грубой регуляцией активности ферментов по механизму РееёЬаск-ингибиции известен тонкий контроль, в котором ферменты — алло-стерические белки имеют не только каталитические центры для связывания с субстратом, но и близко расположенные другие места (одно или более), с [c.77]

Мутации, вызываемые путем сайт-специфичного воздействия,, используют сегодня для проверки адекватности результатов. структурных исследований. В некоторых случаях с их помош,ыа-удалось пдеазать, что структурная стабильность белка и era-каталитическая активность могут быть разобщены. Накопив достаточное количество информации о взаимосвязи между стабильностью структуры белка и его функцией, мы, возможно,, сумеем осуществлять тонкую регуляцию активности биологических катализаторов и создавать полностью синтетические их аналоги. Недавно появилась работа, в которой сообщалось о клонировании первого синтетического гена фермента, кодирующего активный фрагмент молекулы рибонуклеазы. [c.184]

Очень важное свойство ферментов, окончательно установленное лишь сравнительно недавно, состоит в том, что их каталитическая активность подвержена регуляции. Эта регулируемость ферментной активности-одно из возможных объяснений гармоничного протекания всех метаболических продессов в клетке. По крайней мере некоторые ферменты (хотя бы по одному в каждом специфическом пути биосинтеза) подвергаются регуляторным воздействиям. Такие ферменты с помощью своего каталитического центра распознают субстрат, а с помощью другого центра-конечный продукт данной цепи реакций или иные низкомолекулярные вещества, определенным образом влияющие на их активность. У этих ферментов имеется второй связываюпщй участок-регуляторный центр. Связывание конечных продуктов или других метаболитов, называемых также эффекторами, влияет на каталитический центр, изменяя его активность. Конечные продукты действуют как отрицательные эффекторы. Положительные эффекторы повышают активность фермента. Таким образом, концентрации метаболитов, играющих роль эффекторов, определяют активность фермента, а тем самым [c.217]

Очевидно, что для выявления ключевых стадий вероятного механизма каталитического действия фермента существенно количественное описание металл-лигандного центра как до, так и после связывания субстрата. Поэтому необходимо знать стереохимию координационного окружения иона металла и его ориентацию относительно ближайших аминокислотных остатков, вовлекаемых в связывание субстрата. Кроме того, детальное выяснение химической природы реакционной способности иона металла в ферментах тре- бует установления корреляции между молекулярной структурой, . Гч стереохимией, электронной структурой и биологической функцией. Описание принципиального механизма стадий ферментативной реакции на основе сведений о структуре должно соответствовать результатам кинетических исследований, указывающих на срод-ство к субстратам, вероятную природу промежуточных продуктов реакции и лимитирующие стадии. Предлагаемый механизм должен также находиться в согласии со спектроскопическими данными, которые характеризуют электронные и атомные перегруппировки, включающие фермент и молекулы субстрата. Как и в простых координационных комплексах, детальная информация о строении молекулы позволяет определить электронную структуру и характер связывания ионов металлов и лигандов в белках. Кроме того, характер изменении стереохимии металл-лигандных центров в ходе катализа позволяет понять, какие изменения электронной структуры ответственны за каталитическое действие. Исходя из этого, большое значение для понимания регуляции биологической активности и функции белков приобретает взаимосвязь между молекулярной структурой, стереохимией и электронной структурой центров координации металла. Экспериментальные средства, при по-мошл которых это понимание становится возможным, основываются на точном, детальном описании структуры белковой молекулы и [c.17]

На основе рентгеноструктурного анализа с высоким разрешением проведено сравнение стереохимических свойств трех типов взаимодействий металл—белок. Для установления структурных и электронных факторов, ответственных за регуляцию активности иона металла, рассмотрены координационные центры металл — лиганд в белках и прослежена связь между молекулярной структурой, стереохимией и электронной структурой и биологической ролью функции иона металла. Гидро( бное взаимодействие порфиринового кольца гемоглобина и миоглобина рассмотрено по данным измерений магнитной восприимчивости, спектроскопии парамагнитного резонанса и исследования поляризационных спектров поглощения монокристаллов. С точки зрения электронной конфигурации (1-орбиталей и геометрии координации обсуждается взаимодействие замещенных ионов металлов в карбоксипептидазе А с карбонильной группой субстратов при гидролизе пептидов. Предполагается, что спектральные изменения, зависящие от pH и наблюдаемые в спектре электронного поглощения, замещенного иона Со(П), каталитически активного в карбоангидразе, обусловлены образованием упорядоченной структуры растворителя вблизи иона Со(И), Корреляция между молекулярной структурой, определенной методами рентгеноструктурного анализа, и электронной структурой координационного центра металл — лиганды, оцененной из спектроскопических данных, указывает на происхождение структурной регуляции реакционной способности иона металла в белках и ферментах. [c.123]