Регуляция ферментативной активности — не менее важный для успешного функционирования клетки процесс, чем регуляция экспрессии генов на уровне транскрипции. Существование этих механизмов позволяет клеткам и всему организму четко координировать осуществление многочисленных разветвленных метаболических реакций, обеспечивая наиболее высокий и экономный уровень обмена веществ, а также быструю приспособляемость к меняющимся условиям окружающей среды. При этом регуляция синтеза ферментов является более медленным механизмом, действующим в течение многих минут или даже часов, в то время как изменение ферментативной активности происходит мгновенно и действует в течение нескольких минут или секунд. Регуляцию активности ферментов можно назвать «тонкой настройкой» клеточного метаболизма.
Регуляция ферментативной активности может осуществляться несколькими путями, среди которых наиболее распространены аллостерическая регуляция и ковалентная модификация.
Аллостерической регуляции подвержены не все ферменты, а лишь те, которые имеют в составе молекулы аллостерический (от греч. аллос – другой и стереос – тело, пространство) центр — участок, отличающийся от активного центра, характеризующийся высоким сродством к регуляторным молекулам.
Подобные ферменты называют аллостерическими. Их активность регулируется при участии низкомолекулярных веществ (эффекторов), общим свойством которых является способность к взаимодействию с аллостерическим центром, что приводит к искажению конформации белковой молекулы. Это искажение передается активному центру, в результате чего меняются активность фермента и скорость соответствующей реакции.
Эффекторы могут выполнять роль как ингибиторов активности ферментов, так и их активаторов. Примером ингибирования ферментативной активности может служить снижение активности первого фермента пути биосинтеза триптофана у E.coli — антранилатсинтетазы при избытке в клетке триптофана. В данном случае триптофан, как конечный продукт названного биосинтетического пути, служит игибитором активности ключевого фермента, что координирует скорость синтеза этой аминокислоты и позволяет клетке экономить свои ресурсы. Ведь при избытке триптофана, например, когда он присутствует в ростовой среде, клетке незачем расходовать строительные блоки и энергию на его синтез, она может воспользоваться экзогенной аминокислотой. Действительно, экспериментально доказано, что в процессе роста бактерии преимущественно используют добавленные к ростовой среде аминокислоты, пурины и пиримидины и что эти соединения оказывают ингибирующее действие на свой собственный синтез из молекул-предшественников. Поскольку в приведенном случае триптофан является конечным продуктом биосинтетического пути, скорость которого снижается при ингибировании ключевого фермента, такой тип регуляции носит название «ретроингибирование».
Увеличение активности аллостерического фермента при связывании с эффектором (активатором) можно рассмотреть на примере аспартаттранскарбамоилазы (АТКазы), которая катализирует первую реакцию биосинтеза пиримидинов. Этот фермент активируется аденозинтрифосфатом (АТР) —пуриновым нуклеотидом. Следует отметить, что одновременно АТКаза ингибируется одним из конечных продуктов названного биосинтетического пути — цитидинтрифосфатом (СТР), причем активатор и ингибитор связываются с одним и тем же аллостерическим центром. Таким образом, с помощью регуляции активности одного фермента обеспечивается координация синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов.
Мутационное повреждение аллостерического центра может обусловить утрату способности фермента связывать молекулы эффекторов и изменять в ответ на это свою активность. Данное явление используется в селекции микроорганизмов для получения мутантов с десенсибилизированными ферментами. Такие микроорганизмы часто являются продуцентами биологически активных веществ, и для их отбора используют аналоги метаболитов. Например, 5-метилтриптофан так же, как триптофан, способен ингибировать активность антранилатсинтетазы, но не заменяет триптофан в составе белка. Поэтому бактерии E.coli не способны формировать колонии на синтетической среде с этим веществом. Однако известны мутанты E.coli, растущие на среде с 5-метилтриптофаном. Эти бактерии содержат в клетках нечувствительную к ретроингибированию (десенсибилизированную) антранилатсинтетазу и синтезируют триптофан в избыточных количествах, выделяя его во внешнюю среду.
Еще одним распространенным путем регуляции активности ферментов служит ковалентная модификация — присоединение или отщепление от фермента небольшой химической группы. С помощью таких модификаций обычно либо полностью неактивная форма фермента становится активной, либо, наоборот, полностью активный фермент инактивируется. К явлению ковалентной модификации относятся:
- ограниченный протеолиз (укорочение полипептидных цепей),
- фосфорилирование — дефосфорилирование,
- аденилирование — деаденилирование,
- ацетилирование—деацетилирование и др.
Например, гликогенсинтетаза клеток млекопитающих, катализирующая превращение глюкозы в гликоген, инактивируется после ковалентного присоединения фосфатной группы к боковой цепи одного из сериновых остатков и снова активируется при отщеплении фосфата.
Особый случай регуляции активности ферментов представляют собой белок-белковые взаимодействия, в которых роль ингибиторов ферментов выполняют особые белки. При таких взаимодействиях блокируется активный центр фермента. Особое значение ингибирование с помощью белков имеет для регуляции активности протеиназ, участвующих в посттрансляционной модификации белков. Это способствует изменению скорости созревания многих важных для клетки белков, а, следовательно, и интенсивности процессов, в которых последние принимают участие.