Conţinutul principal

Curs: Biblioteca de biologie > Unitatea 7

Lecția 6: Reglarea activității enzimelor

Reglarea activității enzimelor

Cofactori și coenzime. Inhibitori reversibili, ireversibili, competitivi și noncompetitivi. Enzimele alosterice. Inhibarea feedback-ului.

Introducere

Celulele din corpul tău sunt capabile să producă multe enzime diferite și, inițial, s-ar putea să te gândești: grozav, hai să sporim numărul acelor enzime și să metabolizăm cât mai repede posibil! Totuși, după cum s-a dovedit, chiar nu este de dorit să produci și să activezi toate aceste enzime în același timp sau în aceeași celulă.

Necesitățile și condițiile variază de la celulă la celulă și se modifică în timp la nivelul celulelor individuale. De exemplu, celulele gastrice au nevoie de enzime diferite față de de celulele de depozitare a grăsimii, celulele sanguine sau celulele nervoase. De asemenea, o celulă digestivă lucrează mult mai mult să prelucreze și să descompună nutrienții în timpul mesei comparativ cu atunci când au trecut multe ore după masă. Pe măsură ce aceste cereri și condiții celulare se schimbă, același lucru se întâmplă și cu cantitățile și funcționalitatea diferitelor enzime.

Deoarece enzimele îndrumă și reglează metabolismul unei celule, acestea tind să fie controlate cu atenție. În acest articol vom analiza factorii care pot afecta sau controla activitatea enzimatică. Printre acestea se numără pH-ul și temperatura (discutate în cadrul articolului despre centrul activ), precum și:

Molecule reglatoare. Activitatea enzimatică poate fi intensificată sau redusă de către moleculele activatoare sau inhibitoare care se leagă în mod specific de enzimă.
Cofactori. Multe enzime sunt active numai atunci când se leagă de molecule ajutătoare neproteice cunoscute sub numele de cofactori.
Compartimentare. Stocarea enzimelor în compartimente specifice le poate împiedica să producă daune sau poate oferi condițiile adecvate pentru desfășurarea activității.
Inhibiție de tip feedback Enzimele metabolice cheie sunt adesea inhibate de către produsul final al căii pe care o controlează (inhibiție de tip feedback).

În restul acestui articol, vom examina acești factori unul câte unul, descoperind cum poate afecta fiecare dintre ei activitatea enzimatică.

Moleculele reglatoare

Enzimele pot fi reglate de alte molecule care le sporesc sau le reduc activitatea. Moleculele care sporesc activitatea unei enzime se numesc activatori, în timp ce moleculele care duc la reducerea activității unei enzime se numesc inhibitori.

Există multe tipuri de molecule care blochează sau susțin funcția enzimatică și care o afectează pe diferite căi.

Competitiv vs. noncompetitiv

În multe cazuri atent studiate, legătura unui activator sau a unui inhibitor este reversibilă, însemnând că molecula nu se fixează permanent de enzimă. Unele tipuri importante de medicamente acționează ca inhibitori reversibili. De exemplu, medicamentul tipranivir, care este utilizat pentru tratarea HIV, este un inhibitor reversibil.

^{1}

Aceasta blochează activitatea unei enzime virale care ajută virusul să se replice.

Inhibitorii reversibili sunt împărțiți în grupuri, în funcție de comportamentul lor de legare. Nu vom discuta toate tipurile aici, dar vom analiza două grupuri importante: inhibitori competitivi și noncompetitivi.

Un inhibitor se poate lega de o enzimă și poate bloca legarea substratului, de exemplu, prin atașarea de centrul activ. Acest lucru se numește inhibiție competitivă, deoarece inhibitorul „concurează” cu substratul pentru enzimă. Ceea ce înseamnă că numai inhibitorul sau substratul poate fi legat la un moment dat.
În inhibiția noncompetitivă, inhibitorul nu blochează legarea substratului de centrul activ. În schimb, se atașează la un alt centru și blochează activitatea enzimei. Această inhibiție este considerată a fi „noncompetitivă”, deoarece atât inhibitorul, cât și substratul pot fi legați în același timp.

Inhibitorii competitivi și noncompetitivi pot fi deosebiți prin modul în care afectează activitatea unei enzime la diferite concentrații ale substratului.

Dacă un inhibitor este competitiv, va reduce viteza de reacție când nu există prea mult substrat, dar poate fi „întrecut” de mult substrat. Și anume, enzima poate atinge în continuare viteza maximă de reacție cu suficient substrat. În acest caz, aproape toți centrii activi ai aproape tuturor moleculelor enzimatice vor fi ocupați mai degrabă de substrat decât de inhibitor.
Te poți gândi la inhibiția competitivă din perspectiva unui joc de fotbal.
De exemplu, ai putea avea un jucător în ofensivă (substrat) și unul în defensivă (inhibitor), ambii concurează pentru minge (enzimă). În acest scenariu, este posibil ca jucătorul în defensivă să posede mingea o perioadă semnificativă din timp. Acest lucru este similar cu cazul în care concentrația substratului este mică, iar inhibitorul reduce semnificativ viteza de reacție.
Dacă, dimpotrivă, ai trimite șase jucători în ofensivă (moleculele substratului) pentru fiecare jucător în defensivă (inhibitorul), șansele ca ofensiva să primească mingea (enzima) ar crește considerabil. După un anumit procentaj, ar deveni aproape o certitudine. Acest lucru este asemănător cu cazul în care concentrația substratului este ridicată, permițând atingerea vitezei maxime de reacție în ciuda prezenței inhibitorului.
Dacă un inhibitor este noncompetitiv, reacția catalizată enzimatic nu va atinge niciodată viteza maximă normală, nici măcar cu o cantitate mare de substrat. Acest lucru se datorează faptului că moleculele enzimatice cu inhibitorul noncompetitiv atașat sunt „otrăvite” și nu își pot face treaba, indiferent de cât substrat este disponibil.

Pe un grafic al vitezei de reacție (axa y) la diferite concentrații ale substratului (axa x), poți deosebi aceste două tipuri de inhibitori prin forma curbelor:

_Credit imagine: „Enzymes: Figure 3”, de OpenStax College, Biology, CC BY 3.0._

Nu ești familiarizat cu acest tip de grafic? Nu te îngrijora! Articolul bazele graficelor cineticii enzimatice conține explicații pas cu pas.

Reglarea alosterică

Reglarea alosterică, în general, este orice formă de reglare unde molecula de reglare (un activator sau un inhibitor) se leagă de o enzimă într-un loc altul decât centrul activ. Locul în care se leagă reglatorul este numit centru alosteric.

_Imagine modificată din „Enzymes: Figure 4”, de OpenStax College, Biology, CC BY 3.0._

Cam toate cazurile de inhibiție noncompetitivă (împreună cu unele cazuri unice de inhibiție competitivă) sunt forme de reglare alosterică.

Cu toate acestea, unele enzime care sunt reglate alosteric au un set de proprietăți unice care le diferențiază. Aceste enzime, care includ unii dintre reglatorii metabolici cheie, sunt adesea numite enzime alosterice

^{2}

. În mod obișnuit, enzimele alosterice au mai mulți centri activi localizați în diferite subunități ale proteinei. Când un inhibitor alosteric se leagă de o enzimă, toți centrii activi din subunitățile proteinei sunt ușor modificați astfel încât nu mai funcționează la fel de bine.

Există, de asemenea, activatori alosterici. Unii activatori alosterici se leagă de alte locuri din enzimă decât de centrul activ, determinând o creștere în funcția centrului activ. De asemenea, într-un proces numit cooperare, substratul însuși poate fi un activator alosteric: când se leagă de un centru activ, activitatea celorlalți centrii activi se intensifică.

^{3}

Aceasta este considerată o reglare alosterică, deoarece substratul afectează centrii activi departe de centrul de legare.

Hemoglobina, proteina transportoare de oxigen din sângele nostru, prezintă cooperare. De fapt, este un exemplu clasic.

Cu toate acestea, hemoglobina nu este un exemplu de enzimă alosterică. Hemoglobina transportă oxigen dar nu catalizează o reacție, așa că nu este o enzimă. În orice caz, proteina de hemoglobină are mulți centri activi, iar când oxigenul se leagă de unul, afinitatea pentru oxigen (tendința de a se lega cu oxigenul) la ceilalți centri crește.

Poți învăța mai multe despre cooperarea hemoglobinei în acest video despre transportul oxigenului.

Cofactorii și coenzimele

Multe enzime nu funcționează optim, sau chiar deloc, cu excepția cazului în care se leagă de alte molecule ajutătoare neproteice numite cofactori. Acestea pot fi atașate temporar enzimei prin legături ionice sau de hidrogen ori permanent prin legături covalente mai puternice. Cofactorii obișnuiți includ ioni anorganici, precum fierul

{(Fe}^{2 +})

și magneziul

({Mg}^{2 +})

. De exemplu, enzima care formează molecule de ADN, ADN polimeraza, necesită ioni de magneziu ca să funcționeze.

^{4}

Coenzimele sunt o submulțime de cofactori care sunt molecule organice (pe bază de carbon). Cele mai comune surse de coenzime sunt vitaminele din alimente. Unele vitamine sunt precursori ale coenzimelor, iar altele acționează direct ca și coenzime. De exemplu, vitamina C este o coenzimă pentru multe enzime care participă la producerea colagenului proteic, o parte cheie a țesutului conjunctiv.

Compartimentarea enzimei

Enzimele sunt adesea compartimentate (stocate într-o anumită parte a celulei unde își fac treaba) — de exemplu, într-un anumit organit. Compartimentarea înseamnă că enzimele necesare pentru un anumit proces pot fi păstrate în locuri unde pot acționa, asigurându-se că își pot găsi substraturile cu ușurință, că nu deteriorează celula și că au microambientul potrivit pentru a funcționa bine.

De exemplu, enzimele digestive ale lizozomilor acționează cel mai bine la un pH de aproximativ

5, 0

, care se găsește în interiorul acid al lizozomului (dar nu în citosol, care are un pH de aproximativ

7, 2

). Enzimele lizozomilor au activitate scăzută la nivelul pH-ului din citosol, lucru care poate servi drept „asigurare” pentru celulă: chiar dacă un lizozom se distruge și enzimele se împrăștie, acestea nu vor începe să digere celula, deoarece nu vor mai avea pH-ul adecvat pentru a funcționa.

^{5}

Inhibiția de tip feedback a căilor metabolice

În procesul numit inhibiție de tip feedback, produsul final al unei căi metabolice acționează asupra enzimei cheie reglând intrarea pe calea respectivă, oprind producerea de mai mult produs final.

Acest lucru poate părea ciudat — de ce ar dori o moleculă să își oprească propria cale? Dar este, de fapt, un mod inteligent de a face celula să producă o cantitate adecvată de produs. Când există prea puțin produs, enzima nu va fi inhibată și calea o să progreseze să refacă aprovizionarea. Când este prea mult produs, acesta o să blocheze enzima, împiedicând producerea de nou produs până la utilizarea rezervei existente.

În mod tipic, inhibiția de tip feedback acționează la primul pas specific al căii, însemnând primul pas care este practic ireversibil. Cu toate acestea, inhibiția de tip feedback poate atinge, uneori, mai multe puncte ale căii, în special dacă aceasta are multe puncte de ramificație. Pașii căii, reglați de inhibiția de tip feedback, sunt adesea catalizați de enzime alosterice.

^{6}

De exemplu, molecula transportoare de energie ATP este un inhibitor alosteric al unor enzime implicate în respirația celulară, un proces care face ca ATP să alimenteze reacțiile celulare. Când există o cantitate mare de ATP, această inhibiție de tip feedback împiedică producerea de mai mult ATP. Acest lucru este folositor, deoarece ATP-ul este o moleculă instabilă. Dacă se produce prea mult ATP, o mare parte s-ar irosi, descompunându-se spontan în componentele sale (ADP și P

_{i}

Pe de altă parte, ADP servește ca reglator alosteric pozitiv (un activator alosteric) pentru unele dintre aceleași enzime care sunt inhibate de ATP. De exemplu, ADP se poate lega de o enzimă și îi poate schimba forma astfel încât să devină mai activă.

^{7}

Datorită acestui tipar de reglare, când nivelurile de ADP sunt ridicate în comparație cu cele de ATP, enzimele implicate în respirația celulară devin foarte active și vor produce mai mult ATP prin respirația celulară.

Surse:

Acest articol este derivat din „Enzymes”, de OpenStax Biology (CC BY 3.0). Descarcă articolul original gratuit de la http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85:32/Biology.

Articolul modificat este licențiat sub o licență CC-BY-NC-SA 4.0.

Lucrări citate:

Enzyme inhibitor. (10 mai 2016). Preluat pe 20 iulie 2016 de pe Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Enzyme_inhibitor.
Berg, J. M., Tymoczsko, J. L. și Stryer, L. (2002). The Michaelis-Menten model accounts for the properties of many enzymes. În Biochemistry (ed. 5, secțiunea 8.4). New York, NY: W.H. Freeman. Preluat de la http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22430/#_A1063_.
Berg, J. M., Tymoczko, J. L. și Stryer, L. (2002). Aspartate transcarbamoylase is allosterically inhibited by the end product of its pathway. În Biochemistry (ed. 5, secțiunea 10.1). New York, NY: W. H. Freeman. Prealuat de la https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22460/#_A1336_.
Cofactor (biochemistry). (20 octombrie 2016). Preluat pe 6 noiembrie 2016 de pe Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Cofactor_%28biochemistry%29.
Cooper, G. M. (2000). Lysosomes. În The cell: A molecular approach (2nd ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. Preluat de la http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9953/.
Berg, J. M., Tymoczsko, J. L. și Stryer, L. (2002). Amino acid biosynthesis is regulated by feedback inhibition. În Biochemistry (ed. 5, secțiunea 24.3). New York, NY: W.H. Freeman. Prealuat de la http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22371/.
Berg, J. M., Tymoczsko, J. L. și Stryer, L. (2002). Entry to the citric acid cycle and metabolism through it are controlled. În Biochemistry (ed. 5, secțiunea 17.2). New York, NY: W.H. Freeman. Preluat de la http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22347/#_A2413_.

Referințe suplimentare:

Allosteric enzyme. (12 octombrie 2014). Preluat pe 25 august 2015 de pe Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Allosteric_enzyme.

Bailey, J. (17 septembrie 2011). Allosteric vs. noncompetitive. Preluat de la https://fallforbiochem.wordpress.com/2011/09/17/allosteric-vs-noncompetitive/.

Berg, J. M., Tymoczsko, J. L. și Stryer, L. (2002). Amino acid biosynthesis is regulated by feedback inhibition. În Biochemistry (ed. 5, secțiunea 24.3). New York, NY: W.H. Freeman. Preluat de la http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22371/.

Berg, J. M., Tymoczko, J. L. și Stryer, L. (2002). Aspartate transcarbamoylase is allosterically inhibited by the end product of its pathway. În Biochemistry (ed. 5, secțiunea 10.1). New York, NY: W. H. Freeman. Preluat de la https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22460/.

Berg, J. M., Tymoczsko, J. L. și Stryer, L. (2002). Entry to the citric acid cycle and metabolism through it are controlled. În Biochemistry (ed. 5, secțiunea 17.2). New York, NY: W.H. Freeman. Preluat de la http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22347/.

Berg, J. M., Tymoczsko, J. L. și Stryer, L. (2002). Regulatory strategies: enzymes and hemoglobin. În Biochemistry (ed. 5, secțiunea 10). New York, NY: W.H. Freeman. Preluat de la http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21158/.

Berg, J. M., Tymoczsko, J. L. și Stryer, L. (2002). Regulatory strategies: enzymes and hemoglobin. În Biochemistry (ed. 5th, secțiunea 10). New York, NY: W.H. Freeman. Preluat de la http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21158/.

Berg, J. M., Tymoczsko, J. L. și Stryer, L. (2002). The Michaelis-Menten model accounts for the properties of many enzymes. În Biochemistry (ed. 5, secțiunea 8.4). New York, NY: W.H. Freeman. Preluat de la http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22430/.

Carfilzomib. (30 noiembrie 2015). Preluat pe 15 februarie 2016 de pe Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Carfilzomib.

Cofactor (biochemistry). (20 octombrie 2016). Preluat pe 6 noiembrie 2016 de pe Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Cofactor_%28biochemistry%29.

Competitive inhibition. (15 august 2015). Preluat pe 29 august 2015 de pe Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Competitive_inhibition.

Drugs as enzyme inhibitors. (fără dată). Preluat pe 25 august 2015 de pe 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.

Enzyme inhibitor. (10 mai 2016). Preluat pe 20 iulie 2016 de pe Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Enzyme_inhibitor.

Ibrutinib. (fără dată). În _NCI drug dictionary. Preluat de la http://www.cancer.gov/publications/dictionaries/cancer-drug?cdrid=638648.

Mechanism of action of aspirin. (17 noiembrie 2015). Preluat pe 15 februarie 2016 de pe Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Mechanism_of_action_of_aspirin.

Non-competitive inhibition. (2 septembrie 2014). Preluat pe 25 august 2015 de pe Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Non-competitive_inhibition.

Protease inhibitor (pharmacology). (18 iulie 2015). Preluat pe 25 august 2015 de pe Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Protease_inhibitor_%28pharmacology%29.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V. și Jackson, R. B. (2011). An introduction to metabolism. În Campbell biology (ed. 10, p. 141-161). San Francisco, CA: Pearson.

Sarin. (13 iulie 2016). Preluat pe 20 iulie 2016 de pe Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Sarin.

Strelow, J., Dewe, W., Iverson, P. W., Brooks, H. B., Radding, J. A., McGee, J. și Weidner, J. (2012). Mechanism of action assays for enzymes. În Assay guidance manual. Preluat de la http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK92001/.

Tóth, L., Muszbek, L. și Komáromib, I. (2013). Mechanism of the irreversible inhibition of human cyclooxygenase-1 by aspirin as predicted by QM/MM calculations. Journal of molecular graphics and modeling, 40, 99-109. http://dx.doi.org/10.1016/j.jmgm.2012.12.013.

Vrei să te alături conversației?

Conectare

Ordonare după:

Nici o postare încă.

Înțelegi engleza? Dă clic aici pentru a vedea mai multe discuții care au loc pe site-ul în limba engleză al Khan Academy.