Регуляция активности ферментов путем фосфорилирования и дефосфорилирования. Участие ферментов в проведении гормонального сигнала

Регуляция активности ферментов путем фосфорилирования и дефосфорилирования. Второй главный способ регуляции активности ферментов - фосфорилирование. Он представляет собой раздел более общей проблемы «регуляции за счет ковалентной модификации». Ковалентная модификация белков широко распространена и сводится к присоединению к белковой молекуле различных групп: метальных, ацетильных, карбоксильных, фосфатных.

К поверхности белковой молекулы также могут быть присоединены один или несколько остатков глюкозы или других моносахаридов (гликозилирование бел­ков). Биологическое значение ковалентной модификации в целом заключается в адаптации белка к условиям своего микроокружения.

Однако фосфорилирование белков, в силу его значительного распространения и высокой биологической роли имеет и самостоятельное значение. Протеинкиназами (2-й класс, трансферазы) называют ферменты, которые пере­носят фосфатную группу (РОз ^2-) с АТФ на соответствующий белок. При этом изменяется конформация фосфорилированного белка и, как следствие его ката­литические свойства. Мишенью для фосфорилирования может быть не только фермент, но и регуляторный белок - ингибитор или активатор фермента. В этом случае фосфорилирование влияет на его регуляторные свойства. Присоединение сильно заряженной группы к поверхности белковой молекулы отражается на конформации белка. Отделение фосфатных групп гидролизом ведут ферменты протеинфосфатазы (3-й класс, гидролазы).

Фосфорилированию подвергаются гидроксильные остатки серина и треонина, а также тирозина в полипептидной цепи фермента, которые киназа различает по их аминокислотному окружению.

Для регуляции метаболизма используются два основных пути - аллостерическая регуляция и обратимое фосфорилирование.

Участие ферментов в реализации гормонального сигнала.

Активность протеинкиназ и фосфопротеинфосфатаз в клетке регулируется гор­монами, что позволяет быстро изменять активность ключевых ферментов мета­болизма в зависимости от условий внешней среды.

Например, под действием глюкагона (в период между приемами пищи) в клет­ках происходит уменьшение синтеза триглицеридов и гликогена - резервных липидов и полисахаридов и, напротив, активируется распад этих резервных мо­лекул. Это вызвано фосфорилированием ключевых ферментов этих процессов. Под действием инсулина, который секретируется после приема пищи, наоборот, активируется синтез гликогена и ингибируется его распад. Взаимодействие ин­сулина с клеточным рецептором активирует сигнальный путь, ведущий к дефосфорилированию тех же ключевых ферментов.

Различия ферментного состава органов и тканей. Органоспецифичные ферменты. Изменения активности ферментов в процессе развития Изоферменты и их изменчивость в онтогенезе (на примерах лактатдегидрогеназы, креатинкиназы и др.).

Различие ферментного состава органов и тканей. Многие ферменты содер­жатся в нескольких тканях или органах. Например, лактатдегидрогеназа, обра­тимо катализирующая превращение лактата в пируват. Содержание лактатде-гидрогеназы в тканях человека уменьшается в последовательности: почки, ске­летные мышцы, поджелудочная железа, селезенка, печень, плацента, что отра­жает интенсивность соответствующей биохимической реакции в данном органе. Лактатдегидрогеназа - тетрамер, состоит из двух олигомеров - субъединиц М и Н. Субъединица М синтезируется в тканях с анаэробным механизмом, а субъединица Н присутствует в тканях с преобладанием аэробных процессов.

Креатинкиназа (2.7.3.2) (цитозольный и митохондриальный фермент) обрати­мо катализирует в клетках многих тканей реакцию перенос фосфатного остатка между АТФ и креатином:

Креатин +АТФ ó Креатинфосфат + АДФ

Продукт реакции креатинфосфат - макроэргическое соединение, обеспечивает энергией мышечные сокращения и расслабления, а так же транспорт метаболи­тов в клетку.

Креатинкиназа состоит из двух форм субъединиц: М - мышечный тип и В - моз­говой тип. Каждая субъединица - пептид с молекулярной массой 41 кДа - содержит активный центр. Известны следующие изоферменты: мышечный - ММ; гибридный - MB, характерный для миокарда; и - ВВ, локализованный преиму­щественно в мозговой ткани.

Органоспецифичные ферменты

Ферменты, имеющие абсолютную или преимущественную локализацию в оп­ределенных органах или тканях, называются органоспецифичными. Липаза (3.1.1.3), катализирующая деградацию жиров в адипоцитах и таким об­разом регулирующая уровень жирных кислот в плазме, является абсолютно ор-ганоспецифичным ферментом для поджелудочной железы. Если уровень липазы в крови повышен, диагноз панкреатита не вызывает сомнений. Активность креатинфосфатазы и распределение ее изоферментов так же органоспецифичны.

Амилаза (3.2.1.1) - фермент, гидролизующий внутренние 1,4 альфа-гликозидные связи крахмала, гликогена и других полимеров глюкозы. Различают панкреати­ческую и слюнную амилазу. Панкреатическая амилаза образуется только в под­желудочной железе, слюнная амилаза синтезируется в слюнной железах, а также в тканях женских половых органов. Панкреатическая амилаза - органоспецифичный фермент.

Изменения активности ферментов в процессе развития

В процессе развития организма белковый состав, в том числе и ферментный, изменяется значительно, причем не только количественно, но и качественно. Наибольшие изменения ферментный состав органов и тканей претерпевает на ранних стадиях органогенеза в процессе дифференцировки клеток.

Возрастные изменения активности ферментов состоят в изменении их кон­центраций, что обусловлено соответствующими соотношениями скорости син­теза и распада каталитических белков.

Активность лактазы изменяется в зависимости от возраста: она максимальна к моменту рождения, снижается к 3-5 годам, а у взрослых она составляет 10% от уровня активности, характерной для детей (лишь немногие взрослые, преиму­щественно жители Северной Европы, сохраняют высокую активность лактазы в течение всей жизни). Такая динамика активности лактазы отражает естествен­ный процесс инволюции активности фермента.

Аланинаминотрансфераза (2.6.1.1), катализирующая реакцию трансаминирования между аспартатом и а-кетоглуторатом:

альфа-Кетоглуторат + АспартатóГлутамат + Оксалоацетат

и аспартатаминотрансфераза (2.6.1.2), катализирующая реакцию трансаминирования между аланином и а-кетоглуторатом:

альфа-Кетоглуторат + АланииóГлутамат + Пируват

в качестве кофермента содержат пиридоксальфосфат, содержание которого в крови с возрастом снижается. Поэтому активность аланинаминотрансферазы и аспартатаминотрансферазы у людей старше 64 лет на 30% ниже, чем в возрасте 46-63 года.

Щелочная фосфатаза - (фосфогидролаза моноэфиров ортофосфорной кислоты, 3.1.3.1.) - мембранный металлофермент, в состав его активного центра входит атом цинка. Присутствует в каждом органе, основные источники - гепатобили-арное дерево и остеобласты, обнаружена в высоких концентрациях в печени, костях, кишечнике, плаценте и почках. Во много раз более высокая активность щелочной фосфатазы в крови новорожденных и в детском возрасте по сравне­нию со взрослыми указывает на ее важную роль в процессах остеосинтеза, точ­нее кальцификации - образовании кристаллов фосфоапатита. Активность фер­мента определяют у недоношенных детей с целью ранней диагностики рахита.

Изоферменты и их изменчивость в онтогенезе

Наибольшие изменения изоферментный спектр организма претерпевает в про­цессе преобразования зиготы в зародыш и на ранних стадиях онтогенеза. Изо­ферменты одного семейства неравномерно представлены в разных тканях и ор­ганах на разных стадиях онтогенеза, что обеспечивает неодинаковую интенсив­ность соответствующей реакции.

Изоферментный состав лактатдегидрогеназы в недифференцированных эм­бриональных тканях отличается от тканей взрослого организма и содержит пре­имущественно ЛДГ₂, ЛДГ₃, а также ЛДГ₄. Для ЛДГ, как и для других ферметов, при опухолевом процессе характерен синтез изоферментов, свойственных эм­бриональным тканям.

Для креатинкиназы установлено, что у плода до 16-недельного возраста в мы­шечной ткани доминирует зародышевый изофермент, а именно MB (у взрослых эта форма является характерной для миокарда). Позже MB замещается на ММ-форму. У плода в условиях длительной гиперфункции миоциты повы­шают свою контрактильную способность путем синтеза изофермента ВВ, точнее субъединицы В креатинкиназы. Аналогичная перестройка изоферментного со­става происходит и при гипертрофии миокарда: повышается процентное содер­жание MB и ВВ, а доля ММ снижается.

гамма-Глутамилтранспептидаза (глутамилтрансфераза, 2.3.2.2.), мембранный фер­мент, участвует в транспорте аминокислот в клетку, катализируя перенос гамма-глутамила от глутатиона на аминокислоту или пептид. Аминокислота поступает в клетку в комплексе с у-глутамильным остатком глутатиона под действием фермента. В цитоплазме аминокислота освобождается, а гамма-глутамильный оста­ток регенерирует в несколько стадий в глутатион, который в следующем цикле способен снова присоединять аминокислоту. Биологическая роль этого фермен­та связана также с регуляцией уровня глутатиона в тканях, что позволяет фер­менту влиять на синтез белка. Поэтому в тканях с высокой скоростью метабо­лизма регистрируют повышенную активность фермента (в порядке убывания активности: почки, печень, поджелудочная железа, щеточная кайма клеток тон­кого кишечника). Этим же объясняют повышение уровня этого фермента в тка­нях и крови новорожденных. У взрослых, например, повышена активность гамма-глутамилтранспептидазы только в гепатоцитах периферической зоны печеноч­ных долек, а у новорожденных - во всей ткани печени. Концентрации гамма-глутамилтранспептидазы в плазме новорожденных в 8-10 раз выше, чем у взрослых (у недоношенных превышение концентрации еще больше). В течение первых 7-9 месяцев жизни активность фермента в крови уменьшается до вели­чины 20-50% от активности взрослых и остается постоянной до периода полово­го созревания. Активность у-глутамилтранспептидазы в сыворотке мужчин в 1,5 раза выше, чем у женщин, что можно объяснить влиянием андрогенов.