Reglarea activitatii enzimelor Majoritatea enzimelor răspund rapid la modificarea concentraţiei substratului printr-o creştere a vitezei de reacţie. Aceasta are ca urmare scăderea concentraţiei substratului, fapt care face necesara o noua reajustare a vitezei de reacţie. Astfel reglarea vitezei de reacţie a enzimelor este esenţială pentru coordonarea proceselor metabolice. Princi Principal palele ele mecani mecanisme sme prin prin care care este este reglat reglatăă activ activita itatea tea enzime enzimelo lorr dintr dintr-o -o cale cale metabolică, sunt reprezentate de: . !eglarea alosterică" #. !eglarea covalentă $prin fosforilare-defosforilare% fosforilare-defosforilare% &. 'ransformarea 'ransformarea pre-enzimelor inactive (n enzime active" ). *inteza de noi noi molecule de enzime 1. Reglarea alosterică este mecanismul cel mai comple+ al coordonării metabolice.
nzimele implicate (n acest tip de reglare sunt enzime alosterice, limitante de viteză (n cadrul unui proces. !eglarea activitatii lor este posibila datorita structurii structurii lor speciale. 1.1. Structura enzimelor alosterice.
nzimele alosterice sunt enzime care prezintă pe lngă centrul activ un situs $uneori mai multe% suplimentar numit situs alosteric $fig. #%. Alo provine din grecescul /alo0 care (nseamă altul. 1ompuşii care se leagă la acest situs poartă numele de efectori sau liganzi sau modulatori. 2egarea unui efector alosteric produce modificări conformaţionale ale enzimei, care determina modificarea afinităţii acesteia pentru substrat. nzimele alosterice : %
sunt sunt prot protei eine ne cu str struc uctu tură ră cua cuate tern rnar arăă alcă alcătu tuit itee din din ma maii mul multe te lan lanţu ţuri ri poli polipe pept ptid idic ice, e, num numit itee monomeri sau subunităţi, care de regulă sunt (n număr par.
#%
fiec fiecar aree uni unita tate te prez prezin intă tă un cent centru ru acti activv şi şi unu unull sau sau ma maii mul multe te cent centre re alos aloste teri rice ce..
&%
fiec fiecar aree subu subunnitate tate se se prez prezin inttă sub sub do două for form me: o fo forma rma ' $ti $tigg3t sau sau ten tensse% cu cu afi afinita nitate te scăzută pentru substrat $stabilizată de efectorii negativi% şi o formă ! $rela+ed% cu afinitate crescută pentru substrat $stabilizată de efectorii pozitivi%. Page 1 of 9
4ig.# 5 *tructura enzimelor alosterice, alcatuite din monomeri ce isi pot modifica afinitatea pentru substrat functie de forma pe care o adopta la un moment dat: forma ' cu afinitate crescuta, forma ! cu afinitate scazuta pentru substrat. Modificarea de forma este
dictata
de
prezenta6absenta
modulatorilor. 1.2.
Funcţionarea
enzimelor
alosterice.
Au fost elaborate două modele care (ncearcă să e+plice funcţionarea acestor enzime, modelul simetric şi modelul secvenţial. Modelul simetric
Acest model trebuie să respecte condiţia de simetrie (n sensul că oligomerii pot e+ista fie (n forma ', fie (n forma !, stările 3ibride '! nefiind admise $fig. #%. 2egarea modulatorului $de e+emplu modulator pozitiv% la starea ' determină tranziţia la forma ! fără apariţia de specii intermediare. 7n virtutea simetriei toţi monomerii vor suferi tranziţia ' →! ceea ce va accelera semnificativ legarea substratului 5 efect cooperativ. Aceeaşi comportare se va manifesta şi la fi+area unui modulator negativ, numai că efectul va fi contrar, de scădere rapidă a fi+ării substratului.
Modelul secvenţial
Acest model abandonează principiul simetriei (n sensul că legarea efectorului la forma ' induce tranziţia '-!, dar efectul se limitează doar la monomerul vecin. 8umai monomerul vecin va fi+a cu mai multă uşurinţă substratul şi modificndu-şi conformaţia, prin legarea substratului,
Page 2 of 9
va induce tranziţia '-! monomerului următor, fenomenul propagndu-se din aproape (n aproape la toţi monomerii.
4ig.## 5 Model secvential, in care monomerii pot adopta configuratii in intregime ' sau ! sau configuratii 3ibride '!. Modulatorii pozitivi induc tranzitia ' ! doar monomerului vecin ducand la aparitia formei mi+te '!. Aceasta leaga la unitarea !, ce are afinitate crescuta, substratul, ceea ce induce tranzitia ' ! urmatorului monomer. Modificarea se transmite progresiv tuturor monomerilor. Modelul secvential poate fi ilustrat prin comportarea 3emoglobinei. 9emoglobina este un tetramer alcătuit din patru lanţuri polipeptidice, numite subunitati sau monomeri, in care fiecare subunitate transporta o molecula de o+igen. 9emoglobina se prezinta sub doua forme: %
o forma tensionata cu afinitate mică pentru o+igen, determinată de o structură densă, cauzată de legături de 3idrogen, ce (mpiedică mişcarea liberă a monomerilor" Page 3 of 9
#%
o formă rela+ata cu afinitate mare pentru o+igen, determinată de o structură /afnată0, cauzată de ruperea unor legăturilor de 3idrogen fapt ce permite mişcarea liberă a monomerilor" 2a nivel pulmonar, presiunea crescută a o+igenului /forteaza legarea0 unei prime molecule de o+igen. n urma legarii, 4e #; din 3em se poziţioneaza (n centrul nucleului tetrapirolic ceea ce antrenează deplasarea 3istidinei pro+imale si a intregii portiuni de lant careia ii apartine $fig. #&%.
$a%
$b%
Page 4 of 9
4ig.#& 5 Atomul de 4e este situat in afara planului porfirinic in molecula de 3em $a%. 4i+area unei molecule de o+igen trage 4e in planul porfirinic, miscare ce antreneaza deplasarea 3istidinei 4 < pro+imale si a intregului fragment 4 din care aceasta face parte $b%. Acest fapt are ca urmare ruperea unor legaturi de 3idrogen intre monomeri si modificarea conformatiei spatiale a proteinei. Apar asadar modificări conformaţionale ale acestei subunităţi care duc la ruperea unor legături ionice slabe, prezente (n forma '. n urma acestor modificari forma ' trece (n forma ! care are afinitatea crescută pentru o+igen. Aceste modificări sunt transmise subunităţilor următoare astfel că monomerii #, & şi ) vor trece consecutiv (n forma !. Altfel spus prima moleculă de o+igen se va lega greu, următoarele din ce (n ce mai uşor. *ubunităţile se influenţează asadar reciproc, cooperand (n fi+area substratului $fig. #)%. =e aici noţiunea de cooperativitate (n activitatea acestor enzime. 2a nivel tisular, datorită gradientului de presiune, o+igenul este descărcat. Pierderea primei molecule de o+igen va favoriza conversia formei ! (n forma ', conversie ce se va transmite progresiv tuturor subunităţilor. Astfel detaşarea primei molecule de o+igen va determina desprinderea din ce (n ce mai rapidă a următoarelor.
4ig.#)- 'ranzitia de la forma ' la forma !. 2egaturile slabe dintre monomeri prezente in forma ' $ puntile albastre% se rup progresiv pe masura ce o+igenul este legat. 4i+area fiecarei molecule
Page 5 of 9
de o+igen antreneaza tranzitia ' ! a monomerului invecinat. Progresiv tranzitia ' ! este indusa apoi pas cu pas tuturor monomerilor. 1.3. Factorii care regleaza activitatea enzimelor alosterice.
4actorii care regleaza activitatea enzimelor alosterice sunt asa numitii modulatori sau efectori sau liganzi. 4uncţie de natura lor, modulatorii sunt 3omotropi sau 3eterotropi. Modulatori homotropi
7n aceasta situaţie modulatorul se identifică cu substratul. 1el mai adesea substratul activează enzima care (l transforma. *e spune ca substratul este modulator pozitiv şi generează un efect 3omotrop. 2egarea unei molecule de substrat la unul din centrele active ale enzimei măreşte capacitatea de legare a celorlalte centre active. 1u alte cuvinte monomerii se influenţează unii pe alţii, instalndu-se aşa-numitul efect cooperativ intre centrele active ale enzimei. >rmarea cooperarii monomerilor este cresterea brusca a vitezei de reactie observata in cinetica sinusoidala $fig ?.% >n e+emplu de efect 3omotrop este fi+area o+igenului la 3emoglobina, acesta favorizndu-şi propria legare. Modulatori heterotropi
*unt compuşi diferiţi de substrat. 7n general sunt produşi de reacţie sau metaboliţi şi pot genera două tipuri de efecte, reversibile şi anume: $a% feed-for@ord, de regula activator şi $b% feed-bac, de regulă in3ibitor.
a% !eglarea feed - for@ord Acest tip de reglare a activitatii enzimatice are scopul de a imprima un anumit ritm unei căi metabolice. 'ransformarea substratului A (n produsul final 9 are loc printr-o succesiune de reacţii catalizate de diferite enzime, (n care reacţia catalizată de enzima # $de e+emplu% este Page 6 of 9
limitantă de viteză. Aceasta (nsemnă că transformarea compusului B (n 1 se realizează cel mai (ncet, ceea ce duce la acumularea lui. 1reşterea concentratiei compusului B, (n mediu de reacţie face posibilă fi+area lui la enzima C, care catalizează transformarea 4 D. 1ompusul B este un activator al enzimei, prin urmare fi+area lui la situsul alosteric al enzimei va determina o crestere a activitatii enzimei C, ceea ce va asigura o fluidizare a procesului prin prelucrarea mai rapidă a produsului 4 $prezent (n cantitate din ce (n ce mai mare ca urmare a iniţierii căii metabolice%. Altfel spus un intermediar situat in amonte intr-o cale metabolica /atentioneaza0 o enzima situata in aval, sa se /pregateasca0 pentru a face fata unui aflu+ sporit de substrat. b% !eglarea feed - bac Acest tip de reglare a activitatii enzimatice se numeşte in3ibiţie prin produs final, feed-bac sau retroin3ibiţie. Produsul final acţionează ca un efector alosteric negativ asupra enzimei reglatoare. Acumularea de produs 9, ca urmare a neutilizării lui (n acelaşi ritm cu sinteza, duce la in3ibiţia enzimei ce iniţiază procesul, #, şi care de regulă catalizează etapă limitantă de viteză a acestuia. *e evită astfel att epuizarea substratelor ct şi producerea (n e+ces a compuşilor. 2. Reglarea covalentă $prin fosforilare-defosforilare%
>n grup important de enzime (şi reglează activitatea prin ataşarea respectiv (ndepărtarea unei grupări fosfat la un rest de serina, treonina sau tirozina care nu apartin centrului activ al enzimei. Ataşarea restului fosfat poarta denumirea de fosforilare şi este catalizată de o familie de enzime numite inaze prin intermediul A'P-ului. 7ndepărtarea grupării fosfat poartă denumirea de defosforilare şi este catalizată de o familie de enzime numite fosfataze, cu ajutorul apei.
Page 7 of 9
!ăspunsul la fosforilare6defosforilare este diferit funcţie de enzimă: astfel (n urma fosforilării unele enzime se activează, altele se dezactivează. >n e+emplu de reglare a unui proces metabolic (n care este utilizata reglarea
covalenta (l constituie degradarea6sinteza
glicogenului. 3. Transformarea preenzimelor !n enzime active
>nele enzime sunt secretate (n organism (n formă inactivă de pre-enzimă sau zimogen. =e regulă zimogenii sunt sintetizaţi (ntr-un anumit compartiment (n formă inactivă şi sunt activaţi la locul acţiunii sub influenţa unor factori locali sau autocatalitic. Aceste transformări au caracter ireversibil şi implică 3idroliza unor legături peptidice $covalente% de la capătul 8 terminal $(n cele mai multe cazuri% urmată de (ndepărtarea unor oligopeptide şi e+punerea centrului activ al enzimei. >n e+emplu de zimogeni (l constituie enzimele pancreatice $tripsina, c3imotripsina secretate de pancreas şi activate (n intestin% .
4ig.# 'ripsinogenul este secretat in forma inactiva in pancreas. n intestin are loc activarea la tripsina sub actiunea enteroinazei. Activarea se realizeaza prin indepartarea unui Page 8 of 9
fragment oligopeptidic care masc3eaza centrul activ. 4ragmentul oligopeptidic este situat, de regula, la capatul 8 terminal si indepartare lui duce la e+punerea centrului activ al enzimei . ". Reglarea sintezei de enzime
Mecanismele prezentate mai sus modifică activitatea enzimelor e+istente deja (n organism. 1elule (şi pot (nsă regla şi cantitatea de enzimă prezentă la un moment dat, prin reglarea sintezei acesteia. 7n acest caz reglarea este e+ercitata la nivelul genelor şi este realizată prin procese de inducţie sau represie. nducţia se referă la stimularea sintezei de noi molecule de enzimă ca răspuns la un semnal transmis de o moleculă de inductor care, de multe ori, este c3iar substratul enzimei $substratul (şi activează enzima%. !epresia reprezintă blocarea sintezei de noi molecule de enzimă ca răspuns la prezenţa unui represor. =e multe ori produşii reacţiei catalizate de o anumită enzimă acţionează (n calitate de represori limitnd sinteza respectivei enzime. Acest tip de reglare operează intermitent funcţie de condiţiile fiziologice la un moment dat. >n e+emplu de enzima inductibilă este glucoinaza, prezentă doar (n ficat, a carei sinteza este indusa de nivelele crescute de glucoză. 7n acest mod organismul face faţă aportului crescut de glucoză, dupa absorbtie. Modificarea cantităţii de enzimă ca răspuns la prezenţa unui stimul $sau absenţa unui represor% şi care se traduce prin sinteză de proteine, este un fenomen lent $ore6zile%. 7n contrast modificările (n activitatea enzimei, cauzate de mecanismele alosterice, se instalează rapid $secunde6minute%. Pe lngă enzimele inductibile (n organism e+istă şi enzime care se găsesc (n cantitate relativ constantă, (n sensul că rata lor de formare egalează rata dispariţiei lor cauzată de procesele normale de degradare. Aceste enzime sunt cunoscute sub denumirea de enzime constitutive. le nu sunt supuse reglarii prin mecanism de inducţie6represie" sunt aşa-numitele enzime de servici /3ouseeeping-enzEmes0 cu afinitate mare pentru substrat şi care saturndu-se rapid ating eficienţa ma+imă. >n e+emplu de enzimă constitutivă (l constituie 3e+oinaza $vezi met glucidic p...%.
Page 9 of 9
