Регулаторни ензим

Регулаторни ензим је ензим у биохемијском путу који путем свог респонса на присуство одређених других биомолекула регулише активност пута. До тога обично долази на путеве чији производи могу бити потребни у различитим количинама у различито време, као што је продукција хормона. Регулаторни ензими постоје у високим концентрацијама (низак Vmax) тако да њихова активност може да буде повећана или смањена са променом концентрације супстрата.

Преглед

Регулаторни ензими су обично први ензими у мултиензимском систему: продукат реакције катализоване првим ензимом је супстрат другог ензима, тако да ћелија може да контролише количину резултирајућег продукта путем регулације активности првог ензима у биохемијском путу.

Постоји мноштво стратегија активације и деактивације регулаторних ензима. Регулаторним ензимима је неопходан додатни активациони процес и они морају да прођу кроз извесне модификације у својој 3Д структури да би постали функционални, на пример, катализујући ензими (регулаторни ензими). Регулација активације тих катализујућих ензима је неопходна да би се регулисала целокупна реакциона брзина, тако да је могуће да се добије потребна количина продукта у датом времену. То даје регулаторним ензимима биолошки значај. Регулаторни ензими у погледу своје контролисане активације могу да се поделе у два типа: алостерне ензиме и ковалентно модулисане ензиме; мада ензим може да комбинује оба типа регулације.

Алостерни ензими

Овај тип ензима садржи два места везивања, за субстрат ензима и за ефекторе. Ефектори су мали молекули који модулишу ензимску активност; они функционишу путем реверзибилног, нековалентног везивања регулаторног метаболита у алостерно место (које није активно место). Кад су везани, ови метаболити не учествују директно у катализи, мада су они есенцијални: они доводе до конформационих промена у конкретном делу ензима. Те промене утичу на свеукупну конформацију активног места, узрокујући модификације активности реакције.

Својства

Алостерни ензими генерално имају већу масу од других ензима. За разлику од случаја ензима са једном подјединицом, у овом случају протеин се састоји од више јединица, које садрже активна места и места везивања регулаторног молекула. Они манифестују специјалну кинетику: кооперацију. Код њих конфигурационе промене сваког ланца протеина узрокују промене у другим ланцима. Те промене се јављају на терцијарним и кватернарним нивоима организације.

На бази вида модулације, ензими се могу класификовати у две групе:

• Хомотропни алостерни ензими: субстрат и ефектор учествују у модулацији ензима, што утиче на каталитичку активност ензима.
• Хетеротропни алостерни ензими: само ефектор врши улогу модулације.

Повратна инхибиција

Код неких мултиензимских система, регулаторни ензим бива инхибиран крајњим продуктом, кад год његова концентрација премаши ћелијске потребе. На тај начин је брзина реакције контролисана количином продукта који је потребан ћелији (што су мање потребе, то спорије реакција тече).

Повратна инхибиција је једна од најважнијих функција протеина. Захваљујући повратној инхибицији, ћелија може да зна да ли је количина продукта довољна за њен опстанак или постоји недостатак продукта (или је вишак продукта присутан). Ћелија има способност механичког реаговања на ту врсту ситуације и решавања проблема количине продукта. Један пример повратне инхибиције у људским ћелијама је протеин аконитаза (ензим који катализује изомерацију цитрата у изоцитрат). Кад је ћелији потребно гвожђе, овај ензим губи молекул гвожђа и његова форма се мења. Кад дође до тога, аконитаза се конвертује у ИРПФ1, транслациони репресор или иРНК стабилизатор који репресује формирање протеина који везују гвожђе и фаворизује формирање протеина који могу да узму гвожђе из ћелијских ресерви.

Ковалентно модулисани ензими

Овде се активна и неактивна форма ензима разликују услед присуства ковалентне модификације њихових структура, што катализују други ензими. Овај тип ретулације се састоји од адиције или елиминације неких молекула, који могу да буду везани на ензим. Најважније групе које функционишу као модификатори су фосфат, метил, уридин, аденин и аденозин дифоспхат рибозил. Ове групе бивају додате или елиминисане са протеинских структура посредством других ензима. Најзначајнија ковалентна модификација је фосфорилација. Серин, треонин и тирозин су обично аминокиселине које учествују у ковалентним модификацијама и које се користе за контролу ензимских каталитичких активности. Киназе и фосфатазе су најпознатије класе ензима које посредују ове модификације, којима се узрокују промене конформационих стања и тиме афинитет везивања супстрата.

Фосфорилација

Фосфорилација је адиција фосфатних група на протеине, што је најчешћи механизам регулаторне модификације у ћелијама. Овај процес се одивија код прокариотских и еукариотских ћелија (у овом типу ћелија, трећина или половина протеина је подложна фосфорилацији). Услед њене велике заступљености, фосфорилација има велики значај у ћелијским регулаторним путевима. Додатак фосфорилне групе на ензим катализују киназе, док елиминацију ове групе катализују фосфатазе. Заступљеност фосфорилације као регулаторног механизма је последица лакоће промене из фосфориловане форме у дефосфориловану форму.

Фосфорилација или дефосфорилација чине ензим функционалним у време кад је ћелији потребно да се реакција одвија. Ефекти који се производе адицијом фосфорил група ради регулисања кинетике реакција се могу поделиту у две групе:

• Фосфорилација мења конформацију ензима чиме се ствара више или мање активно стање (е.г. регулација гликоген фосфорилазом). Свака фосфатна група се састоји од два негативна наелектрисања, тако да адиција ове групе може да узрокује важне промене у конформацији ензима. Фосфат може да привуче позитивно наелектрисане аминокиселине или да креира репулзивне интеракције са негативно наелектрисаним аминокиселинама. Ове интеракције могу да промене конформацију и функцију ензима. Кад фосфатаза уклони фосфатне групе, ензим се враћа у своју иницијалну конформацију.
• Фосфорилација модификује афинитет ензима за супстрат (е.г. фосфорилација исоцитратном дехидрогеназом креира електростатичко одбијање чиме се инхивира унија супстрата и активног центра). До фосфорилација може доћи у активном центру ензима. Тиме се може променити конформација тог активног центра, што директно утиче на његову способност препознавања супстрата. Исто тако, јонизовани фосфат може да привуче неке делове супстрата, који се затим може везати за ензим.

Фосфорилација и дефосфорилација се могу одвијати као резултат респонса на сигнале који упозоравању на промену стања ћелије. То значи да су неки путеви у којима учествују ензими регулисани фосфорилацијом након доспећа специфичног сигнала: промене у ћелији.

Неки ензими могу да фосфорилишу на вишеструким местима. Присуство фосфорил групе у делу протеина може да буде зависно од ензимског савијања (што може да учини протеин у већој или мањој мери доступним протеинским киназама) и непосредне близине других фосфорилних група.

Протеолиза

Химотрипсиноген (прекурзор химотрипсина). Црвено обојен је остатак ILE16, а зелено је обојен остатак ARG15. Ови остаци учествују у ензимској активацији. Тамно плаво је обојен остатак ASP194 који касније формира интеракцију са ILE16.

Гама-химотрипсин. Црвено је обојен остатак ILE16 који формира интеракцију са ASP194 (обојен тамно плаво). У првом кораку активације ензима: пептидна веза ARG15-ILE16 се хидролизује, чиме се ослобађа ILE16 амин, који је позитивно наелектрисан у физиолошким условима. Амин формира јаку интеракцију са негативно наелектрисаним ASP194, и формира се јонска веза.

Гама-химотрипсин, комплекс са алфа-химотрипсином.

Неки ензими морају да прођу кроз процес матурације да би се активирали. Прекурзор (неактивно стање, боље познато као зимоген) прво бива бива синтетисан, и затим пресецањем специфичних пептидних веза (ензиматска катализа путем хидролитичког селективног раздвајања), његова 3Д конформација бива знатно модификована, при чему се формира каталитички функционални облик, и настаје активни ензим.

Протеолиза је неповратан и нормално неспецифичан процес. Један активатор може да модулише различите регулаторне ензиме: након што је трипсин активиран, он активира многе друге хидролитичке ензиме. Протеолиза исто тако може да буде брза и једноставна, као што је хидролиза једне пептидне везе којом се мења конформација протеина и образује активно место, чиме се омогућава интеракција између ензима и супстрата, на пример, химотрипсинска активација (као што се може видети на сликама).

Многи различити типови протеина са специфичним улогама у метаболизму се активирају протеолизом.

• Моћни хидролитички ензими, на пример дигестивни ензими, се активирају путем протеолизе чиме се осигурава да они не могу да хидролизују било који нежељени протеин док не доспеју на одговарајуће место: хидролизациони протеински зимогени се синтетишу у панкреасу и акумулирају у везикулама где они остају безопасном облику. Кад су они потребни, извесни хомонски и нервни стимулуси изазивају ослобађање зимогена директно у гастроинтестинални тракт где долази до њихове активације.
• Неки телесни одговори морају да буду непосредни тако да ензими који катализирају те реакције морају бити припремљени, али не и активни. Из тог разлога зимоген се синтетише и остаје спреман за брзу активацију. Коагулациони респонс је базиран на ензиматског каскади протеолитичке матурације. Путем активације првог каталитичког ензима долази до активације велике количине ензима следећег корака и неопходна количина продукта се брзо достиже кад се за то укаже потреба.
• Протеини везивног ткива као што је колаген (зимоген: проколаген), хормони попут инсулина (зимоген: проинсулин) и протеини који учествују у процесима развића и апоптозе (програмиране ћелијске смрти) се исто тако протеолитички активирају.

Протеолиза је неповратна, што подразумева потребу постојања процеса ензимске деактивације. Специфични инхибитори, аналози супстрата, могу да буду снажно везани за ензим, чиме блокирају приступ супстрата. Ова унија може да траје месецима.