Класифікація та регуляція активності ферментів

Номенклатура ферментів

Якщо ми говоримо про тривіальну номенклатуру, то назву ферменту утворюють так:
Субстрат + тип реакція + аза, наприклад: глюкоза-6-фосфат дегідрогеназа.
Однак, є ферменти які відомі здавна і для них збериглась традиційна назва, наприклад: пепсин, трипсин, амілаза, ентеропептидаза, тощо.
Однак, якщо цей фермент каталізує перенесення групи атомів від одного субстрата до іншого, назва складається наступним чином:
Субстрат І(від якого береться ця група атомів) + субстрат ІІ (куди ця група переноситься) + група, яка переноситься(аміногрупа, наприклад) + трансфераза, наприклад: глутамат-піруват амінотрансфераза(або ще відома, як аланін амінотрансфераза).

Класифікація ферментів

Ферменти класифікують в залежності від того, яку реакцію він каталізує.Прийнято виділяти 6 класів біологічних каталізаторів:

• Трансферази - каталізують перенесення різних функціональних груп від донора до акцептора, доволі поширені в нашому організмі.До речі, ПротеїнКінази, та впринципі як і всі кінази(каталізують перенесення фосфатної групи на якусь речовину) також являються трансферазами.
• Оксидоредуктази каталізують реакції окислення-відновлення, в залежності від цього їх поділяють на ще два підкласи:
  Оксидази - каталізують реакції, де акцептором електрона/ів служить молекулярний оксиген(O_{2).
  Оксигенази каталізують реакцію, в якій тільки один атом оксигену з молекули O2 приєднується до субстрату, а той атом, який залишився бере участь в утворені молекули води.
  Дегідрогенази - напевно, найважливіший та найпоширеніший підклас, каталізує реакції дегідрування(перенос атомів гідрогену, тобто окиснення субстрату), а акцептором електронів служить молекула НАД⁼, НАДФ⁺ та інші.Особливістю цього підкласу є те, що вони мають дуже високу субстратну специфічність(каталізують лише одну реакцію).}
• Ізомерази - каталізують внутрішньомолекулярні перебудови, внаслідок чого утворюється ізомер субстрата, наприклад: тріоза фосфат ізомераза, фосфоглюкоізомераза.
• Синтетази(лігази) - каталізують об'єднання двох молекул(субстратів) з використанням енергії(АТФ або інші нуклеотиди).
• Гідролази - каталізують розщеплення зв'язків за допомогою приєднання молекули води.Наприклад, всі травні ферменти являються гідролазами(амілаза, пепсин, трипсин, ліпаза, мальтаза, тощо), також велика кількість цих ферментів знаходиться в лізосомах клітини, так як ці органели функціонують як "детоксикатори".
• Ліази - каталізують відщеплення від судбстратів певних груп, АЛЕ НЕ ЗА ДОПОМОГОЮ ВОДИ.Також, ці ферменти здатні приєднувати воду туди, де міститься подвійний зв'язок в молекулі, щоб розірвати його таким чином.

Ізоферменти

Ізоферменти - ферменти, які каталізують одну й ту ж саму реакцію, але ці ферменти трохи відрізняються своїм амінокислотним складом, а значить і первинною структурою білка.Відмінність в амінокислотному складі відбувається за рахунок того, що ці ферменти складаються з декількох субодиниць, а кожна субодиниця являється окремим білком, значить кодується геном, але в залежності від органу, гени експресуються трохи по-різному.
Якщо не зрозуміли, то зараз зрозумієте на прикладі.

Лактатдегідрогеназа складається з 4 субодиниць, але ці субодиниці можуть бути двох типів:М субодиниці(muscle - м'яз) та H субодиниці(heart - серце).В залежності від комбінації цих субодиниць в молекулі фермента, є 5 ізоформ:

• ЛДГ1 та ЛДГ2 найбільш активні в серцевому м'язі(аеробні умови)
• ЛДГ3 знаходиться в легенях
• ЛДГ4 та ЛДГ5 працюють в анаеброних умовах, знаходяться в печінці та м'язах

Якщо в крові піднімається рівень якогось ізоферменту лактатдегідрогенази, то це свідчить про пошкодження певного органу, наприклад, якщо в крові велика кількість ЛДГ4, то можна зробити висновок про ушкодження печінки або м'язів.
За допомогою вимірювання рівня ЛДГ1 в крові можна діагностувати інфаркт міокарда.

Креатинкіназа каталізує утворення креатинфосфату, який являється переносником фосфатної групи(приймає цю групу з молекули АТФ) з матриксу мітохондрії в цитоплазму клітини.
Креатинкіназа складається з субодиниць двох типів:В субодиниці(brain - мозок) та M-субодиниці(muscle).
Ізофермент, який складається двох BB субодиниць знаходиться в мозку, MM - в м'язах, а MB - в міокарді.

Регуляція активності ферментів

Деякі ферменти нам потрібні не завжди, наприклад, ті ж самі ферменти глюконеогенезу(синтез глюкози) потрібні лише в умовах голодання, ті же самі ферменти гліколізу потрібні лише в абсорбтивний період(2 години після їжі) і так далі, тому дуже важливо регулювати активність та експресію ферментів, так як це грає ключову роль в нормальній фізіології людини.Є декілька способів регуляції:
1.Білок-білкова взаємодія.Фермент має регуляторні та каталітичні субодиниці.Регуляторні субодиниці інгібують каталітичні до тих пір, доки до регуляторних не приєднається якась молекула(в нашому випадку цАМФ(циклічний аденозинмонофосфат), а ця молекула в свою чергу з'являється в клітині в результаті дії на клітину якогось чинника(гормона, нейромедіатора).


2.Модифікація фермента.Приєднання або відщеплення якоїсь групи, метильної чи то фосфорної, але найчастіше - фосфорної, прикладом слугують протеїнкінази, які приєднують фосфат до неактивних ферментів(та ж сама фосфорилаза кіназа, яка бере участь в глікогенолізі - розщеплення глікогену) і таким чином активують або інгібують їх(це вже залежить від ферменту).


3.Алостерична регуляція.Як вже говорилось в першій частині, фермент має алостеричний центр, який взаємодіє з різними молекулами - ефекторами(стимуляторами чи інгібіторами), внаслідок чого змінюється конформація білка, що призводить до регуляції активності каталітичної субодиниці.Знову беремо ту ж саму гексокіназу, яка продукує глюкозу-6-фосфат, але ця ж молекула і являється її інгібітором, таким чином відбувається зворотний негативний зв'язок(коли продукт реакції інгібує фермент, який його ж і продукує, таким чином запобігаючи накопичення продукту в клітині).
4.Доступність субстрату/коферменту.Швидкість, з якою речовини реагують між собою залежить від їх концентрації, це щодо субстрату, а відносно до коферменту, то ми знаємо що деякі білки не працюють без кофакторів, а вони в свою чергу, потрапляють з зовнішнього середовища, тому їх дефіцит може спричинювати понижену активність фермента.
5.Протеоліз проферментів.Багато ферментів, які працюють у позаклітинному середовищі, наприклад, в просвіті кишечника(трипсин, амілаза, ентеропептидаза), синтезуються у вигляді проферментів, які не несуть ніякої каталітичної активності, тому їх потрібно активувати, а активуються вони за допомогою інших ферментів(в даному випадку - ентеропептидаза) шляхом відщеплення амінокислотних залишків та подальшим формуванням активного центра.
6.Кількість фермента.Чим більше фермента - тим бистріше протікає реакція.Ферменти - білки, а білки як ми знаємо кодуються генами, значить нам потрібно регулювати експресію генів, що роблять різні транскрипційні фактори, а вони в свою чергу, активуються різними гормонами.Наприклад, в печінці, гормон глюкагон активує фактор транскрипції CREBP, який підвищує експресію генів гліколізу та глюконеогенезу, таким чином бере участь в регуляції сталого рівня глюкози в крові.
7.Компартменталізація.Явище, коли якась група ферментів, яка каталізує певний метаболічний шлях, знаходиться в одній органелі, або компартаменті.Наприклад, група ферментів, які каталізують гліколіз - знаходяться в цитоплазмі, а ферменти, які каталізують реакції циклу Кребса - в матриксі мітохондрії.

Інгібітори та активатори

Ферменти регулюються впливом на них різних ефекторів, які поділяються на активатори та інгібітори.
Активатори впливаються на активний центр, таким чином збільшуючи каталітичну активність ферменту, вони можуть бути представлені як субстратами так і коферментами.
Збільшення кількості субстрату - збільшує каталітичну активність ферменту, але після досягнення певної концентрації - каталітична активність ферменту не збільшується, скільки би субстрату не додавалось, відбувається ніби таке "перенасичення" ферменту.
Без кофакторів деякі ферменти не активні, тому ці молекули також можна віднести до активаторів, так як вони напряму входять в склад активного центру органічних каталізаторів.

Інгібітори організовані дещо складніше.
Інгібітор - це молекула, яка знижує активність ферменту, шляхом зв'язування з ним.Це дуже важливо розуміти, тому-що кислоти також можуть знижувати активність ферменту, але не за рахунок зв'язування з ним, а за рахунок денатурації білка, це не інгібітор , а денатураційний фактор або інактиватор.
Інгібітори поділяють на оборотні та необоротні, це залежить від того, чи відновлює фермент свою активність після сильного розведення розчину з ним.Наприклад, якщо інгібітор дуже міцно з'єднується з ферментом і ніяк не хоче від нього відщеплюватись - необоротний інгібітор.
За механізмом взаємодії з ферментом, інгібітори поділяють на:

• Конкурентні інгібітори мають будову схожу з субстратом, внаслідок чого можуть зв'язуватись з активним центром ферменту, і таким чином заважати субстрату взаємодіяти з каталізатором
• Неконкурентний інгібітор зв'язується з ферментом(не з активним центром, а взагалі з ферментом) і призводить до просторових перебудов останнього, що в свою чергу впливає на здатність фермента каталізувати перетворення субстрату в продукт.Тобто, фермент зв'язується з субстратом, але продукт реакції відсутній
• Безконкурентне інгібування відбувається коли інгібітор зв'язується з комплексом фермент-субстрат, внаслідок чого змінюється конформація і подальший каталіз стає неможливим
• Субстратне інгібування відбувається коли замість однієї молекули субстрату, зв'язується дві молекули субстрату з ферментом, внаслідок чого втрачається активність ферменту.
• Алостеричне інгібуваання відбувається внаслідок зв'язування інгібітора з алостеричним центром.Найчастіше, алостеричним інгібітором являється продукт реакції, яку каталізує данний фермент(дивіться вище приклад з гексокіназою).
• Антикоферменти також можна віднести до інгібіторів, так як вони являються аналогами коферментів, але замість того, щоб активовувати фермент - вони його попросту інгібують.