Ovlivnění aktivity
již existujícího enzymu
A) modulace
aktivity enzymu na základě enzymové kinetiky
1) vliv
koncentrace substrátu, hodnoty Km, pH, koncentrace
produktu
Koncentrace regulačních enzymů metabolických
drah je v buňce obecně velmi nízká. Stejně tak i koncentrace
substrátů je běžně mnohem nižší než odpovídá hodnotě Michaelisovy konstanty (Km
je rovna koncentraci substrátu při níž rychlost enzymem katalyzované reakce
probíhá polovinou maximální rychlosti). Nepatrná změna koncentrace substrátu
tak vede ke změně rychlosti jeho přeměny. Kromě toho mají enzymy určitou
substrátovou specifitu. Přeměňuje-li enzym více různých substrátů, obvykle tak
činí různě ochotně. Pokud může být stejný substrát přeměňován např. dvěma
různými enzymy, každý z těchto enzymů má k danému substrátu jinou
afinitu. Čím je afinita k substrátu vyšší (Km pro dvojici
enzym-substrát je tím nižší), tím nižší koncentrace substrátu v okolí jeho
aktivního centra stačí enzymu k uskutečnění dané reakce.
Dalším významným regulačním mechanismem je odebírání produktu jedné
reakce reakcí následnou (metabolické dráhy) nebo využitím produktu jedné
metabolické dráhy v metabolické dráze jiné, případně již výše zmíněný
transport produktu do jiného oddílu buňky.
Také změna pH může ovlivnit aktivitu enzymu změnou disociace různých
funkčních skupin v aktivním centru enzymu (elektrostatické interakce při
vazbě substrátu) i v celé molekule enzymu (změna biologicky aktivní
konformace enzymu v konformaci méně aktivní - např. přístup
k aktivnímu centru).
2) vliv přítomnosti
modulátorů aktivity (aktivátorů nebo inhibitorů): regulace zpětnou vazbou,
zkřížená regulace, regulace krokem vpřed
Aktivita regulačního enzymu může být ovlivněna také přímou vazbou nějaké
látky na jeho proteinovou molekulu. Nahromaděním určitého meziproduktu, nebo
častěji konečného produktu, dané metabolické dráhy dochází pak k inhibici
regulačního enzymu dané dráhy, na nějž se produkt váže (regulace zpětnou
vazbou). Také určitý meziprodukt (nebo produkt) jedné metabolické dráhy může
ovlivňovat (aktivovat nebo inhibovat) aktivitu regulačního enzymu jiné, nějak
související, metabolické dráhy (zkřížená regulace). Vyskytuje se i ovlivnění
aktivity následného enzymu meziproduktem metabolické dráhy, který v následném
sledu reakcí předchází regulovanému enzymu (regulace krokem vpřed).
Modulátory se mohou vázat na enzym buď přímo do aktivního centra
(kompetitivní inhibice) nebo se váží na jiné, tzv. alosterické místo
(alosterická regulace); modulátory aktivity se na enzym váží nekovalentně, jen
pomocí slabých nevazebných interakcí.
Izosterická
modulace enzymové aktivity se týká jednoduchých enzymů, které vykazují
hyperbolickou závislost mezi rychlostí reakce a koncentrací substrátu. Jejich
aktivita je ovlivněna hlavně změnami v koncentraci substrátu, snížením
nebo zvýšením syntézy enzymu (viz dále) nebo pomocí inhibitorů, které se váží
přímo do aktivního centra místo substrátu (kompetitivní inhibice).
Kompetitivním inhibitorem může být jeden z produktů metabolické dráhy -
inhibice produktem je samoregulačním prvkem metabolismu (= inhibice zpětnou
vazbou).
Alosterická
regulace se vyskytuje u enzymů složených z více podjednotek (většina
regulačních enzymů metabolických drah), tyto enzymy vykazují sigmoidální závislost
rychlosti reakce na koncentraci substrátu. Alosterické modulátory aktivity se
váží mimo aktivní centrum na různá jiná místa molekuly enzymu. Vazbou
modulátoru se mění konformace molekuly, což se může projevit snížením nebo
zvýšením hodnoty Km (a tím i změnou afinity enzymu k substrátu)
nebo hodnoty maximální rychlosti (změny koncentrace aktivního enzymu). Vazbou
aktivátoru se méně aktivní tzv. T-forma enzymu („tenzní“) mění na více aktivní
R-formu („relaxovanou“); vazba alosterických aktivátorů tak zvýší počet molekul
enzymu v R-formě. Obecně substráty a efektory pouze ovlivňují rovnováhu
mezi konformacemi T a R - obě konformace existují vedle sebe v různých
poměrech. Konečné množství aktivních forem enzymu záleží na celkovém účinku
různých aktivátorů a inhibitorů vázajících se na enzym, tj. závisí na jejich
vzájemném poměru v buňce. Při zvýšení Km může být za
fyziologických podmínek reakce úplně vyřazena, neboť fyziologická koncentrace
substrátu leží v oblasti, ve které je enzym prakticky neúčinný. Jde o velmi jemnou a plynulou regulaci reakční rychlosti na
základě propojení různých metabolických drah.
Významnými efektory jsou adenyláty (poměr mezi ATP a ADP
v buňce).
B) kovalentní
modifikace enzymu
Jedná se o interkonverzi enzymů, které se vyskytují
v aktivní nebo inaktivní formě (náhlé přeřazení z jedné reakční cesty
na druhou). Většinou spočívá v reverzibilní fosforylaci a defosforylaci
hydroxylových skupin aminokyselin (serin, treonin, tyrosin) polypeptidového
řetězce enzymu. Některé enzymy se fosforylací aktivují (např.
glykogenfosforyláza), jiné jsou fosforylací inhibovány (např. glykogensyntáza).
Fosforylaci katalyzují enzymy patřící mezi proteinkinázy (fosfotransferázy),
defosforylaci zajišťují fosfatázy (esterázy). Jde o velmi významný způsob
aktivace enzymů, vyskytující se hlavně jako součást transdukčních kaskád při
přenosu signálu z membránového receptoru do buňky (propojení mezi signálem
přicházejícím k buňce z vnějšku s následným ovlivněním biochemických
dějů uvnitř buňky).
Literatura:
Karlson, P.; Gerok,
W.; Gross, W.: Pathobiochemie, 2. vyd. Academia, Praha 1987
Koolman,
J.; Röhm, K., H.: Color Atlas of Biochemistry. Thieme, Stuttgard, 1996. ISBN
3-13-100371-5
Devlin, T. M.
(editor): Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations, 4th
ed. Wiley‑Liss, Inc., New York, 1997. ISBN 0‑471‑15451‑2
Další informace:
Vladimíra
Kvasnicová (květen 2004)