კოფაქტორები და კოფერმენტები. შექცევადი, შეუქცევადი, კონკურენტული და არაკონკურენტული ინჰიბიტორები. ალოსტერული ფერმენტები. უკუკავშირით ინჰიბირება.

შესავალი

თქვენი ორგანიზმის უჯრედებს მრავალი სხვადასხვა ფერმენტის წარმოქმნა შეუძლიათ და შესაძლოა, თავიდან იფიქროთ: ძალიან კარგი, მოდი, ყველა ფერმენტი "დავქოქოთ" და მეტაბოლიზმი რაც შეიძლება ავაჩქაროთ! თუმცა, როგორც აღმოჩნდა, სულაც არაა კარგი იდეა ყველა ფერმენტის ერთად წარმოქმნა და აქტივირება ერთდროულად ან ერთ უჯრედში.
საჭიროებები და გარემო პირობები სხვადასხვა უჯრედს განსხვავებული აქვს და ისინი დროთა განმავლობაში იცვლება კიდეც. მაგალითად, კუჭის უჯრედებს სულ სხვა ფერმენტები სჭირდებათ, ცხიმის შემნახველ, კანის, სისხლის ან ნერვულ უჯრედებს კი - სხვა. ასევე, მომნელებელი უჯრედი საჭმლის მირთმევის შემდეგ უფრო აქტიურად და დატვირთულად მუშაობს საკვები ნივთიერებების გადასამუშავებლად და დასაშლელად, ვიდრე ჭამიდან რამდენიმე საათის მერე. უჯრედების საჭიროებებისა და პირობების ცვლასთან ერთად სხვადასხვა ფერმენტის რაოდენობა და ფუნქციონირებაც იცვლება მათში.
ფერმენტები უჯრედის ნივთიერებათა ცვლას წარმართავენ და არეგულირებენ, ასე რომ, ისინიც დიდი სიზუსტით უნდა გაკონტროლდნენ. ამ სტატიაში განვიხილავთ ფაქტორებს, რომლებიც გავლენას ახდენს და აკონტროლებს ფერმენტთა აქტივობას. ეს ფაქტორებია pH, ტემპერატურა (განხილულია სტატიაში აქტიური საიტის შესახებ) და მათთან ერთად:
  • მარეგულირებელი მოლეკულები. ფერმენტების აქტივობა შეიძლება გაიზარდოს ან შემცირდეს აქტივატორი და ინჰიბიტორი მოლეკულების მიერ, რომლებიც სპეციფიკურად ფერმენტებს უკავშირდებიან.
  • კოფაქტორები. მრავალი ფერმენტი აქტიური მხოლოდ მაშინაა, თუ არაცილოვან დამხმარე მოლეკულასთან - კოფაქტორთანაა დაკავშირებული.
  • კომპარტმენტალიზაცია. კომპარტმენტალიზაცია ფერმენტების სპეციალურ კომპარტმენტებში (გამოყოფილ სივრცეებში) მოთავსებაა, რათა მათ უჯრედი არ დააზიანონ ან შეექმნათ ოპტიმალური პირობები ფუნქციონირებისთვის.
  • უკუკავშირით ინჰიბირება. მთავარი მეტაბოლური ფერმენტები ხშირად ინჰიბირდება იმ მეტაბოლური გზების საბოლოო პროდუქტებით, რომელთაც ისინი აკონტროლებენ (უკუკავშირით ინჰიბირება).
ამ სტატიის დანარჩენ ნაწილში ზემოთ ჩამოთვლილი ფაქტორებიდან თითოეულს ცალ-ცალკე განვიხილავთ და ვნახავთ, რა გავლენას ახდენენ ისინი ფერმენტთა აქტივობაზე.

მარეგულირებელი მოლეკულები

ფერმენტი შესაძლოა რეგულირდებოდეს სხვა მოლეკულებით, რომლებიც ზრდიან ან ამცირებენ მის აქტივობას. ფერმენტის გამააქტიურებელ მოლეკულებს აქტივატორები ეწოდებათ, მათი აქტივობის შემამცირებელ ნივთიერებებს კი - ინჰიბიტორები.
არსებობს მრავალნაირი მოლეკულა, რომელთაც ფერმენტების გააქტიურება ან დათრგუნვა შეუძლიათ და ისინი ამას სხვადასხვა გზით ახერხებენ.

კონკურენტული vs. არაკონკურენტული

ბევრ კარგად შესწავლილ შემთხვევაში, აქტივატორის ან ინჰიბიტორის დაკავშირება ფერმენტთან შექცევადია, ანუ, ეს მოლეკულა სამუდამოდ არ უკავშირდება ფერმენტს. ზოგი მნიშვნელოვანი წამალი სწორედ შექცევადი ინჰიბიტორია, მაგალითად, მედიკამენტი ტიპრანივირი, რომელიც აივ-ის წინააღმდეგ გამოიყენება.1^1 იგი ვირუსის იმ ფერმენტს ბლოკავს, რომელიც აივ-ის მრავალი ასლის წარმოსაქმნელადაა საჭირო.
შექცევადი ინჰიბიტორები ფერმენტთან დაკავშირების თავისებურებების მიხედვით ჯგუფებად იყოფა. ყველა მათგანს აქ არ განვიხილავთ, მაგრამ გავეცნობით ორ მნიშვნელოვან ჯგუფს: კონკურენტულ და არაკონკურენტულ ინჰიბიტორებს.
  • ინჰიბიტორი შესაძლოა ფერმენტის აქტიურ საიტს დაუკავშირდეს და სუბსტრატს მასთან ბმაში ხელი შეუშალოს. ამას კონკურენტული ინჰიბირება ეწოდება, რადგან ინჰიბიტორი "კონკურენციას უწევს" სუბსტრატს ამ ფერმენტთან დაკავშირებაში. სხვანაირად რომ ვთქვათ, ნებისმიერ მომენტში ფერმენტთან ან მხოლოდ სუბსტრატი შეიძლება იყოს დაკავშირებული, ან მხოლოდ ინჰიბიტორი.
  • არაკონკურენტული ინჰიბირების დროს ინჰიბიტორი სუბსტრატს ხელს არ უშლის აქტიურ საიტთან დაკავშირებაში. ამის ნაცვლად, იგი ფერმენტის სხვა ნაწილს ებმის და თავად ფერმენტს არ აძლევს საშუალებას, წარმართოს რეაქცია. ინჰიბირების ამ სახეს "არაკონკურენტული" ეწოდება, რადგან ინიბიტორიცა და სუბსტრატიც ერთდროულად შეიძლება იყოს ფერმენტთან დაკავშირებული.
კონკურენტული და არაკონკურენტული ინჰიბიტორების გარჩევა იმის მიხედვითაა შესაძლებელი, თუ რა გავლენას ახდენენ ისინი ფერმენტის აქტივობაზე სუბსტრატის სხვადასხვა კონცენტრაციის პირობებში.
  • თუ ინჰიბიტორი კონკურენტულია, იგი შეამცირებს რეაქციის სიჩქარეს სუბსტრატის მცირე კონცენტრაციაზე, მაგრამ სუბსტრატის დიდი რაოდენობით არსებობის შემთხვევაში, "დაიჯაბნება". სხვანაირად რომ ვთქვათ, ფერმენტი რეაქციის მაქსიმალურ სიჩქარეს მაინც მიაღწევს, თუ სუბსტრატი საკმარისად ბევრი იქნება. ამ შემთხვევაში, ფერმენტის თითქმის ყველა მოლეკულის აქტიურ საიტთან სუბსტრატის მოლეკულები იქნებიან დაკავშირებულები და არა - ინჰიბიტორისა.
  • თუ ინჰიბიტორი არაკონკურენტულია, ფერმენტის მიერ კატალიზებული რეაქციის სიჩქარე არასდროს მიაღწევს თავის მაქსიმალურს (რაც ნორმაში აქვს), რაც არ უნდა ბევრი იყოს სუბსტრატი. ეს იმიტომ ხდება, რომ არაკონკურენტულ ინჰიბიტორთან დაკავშირებული ფერმენტის მოლეკულები "მოწამლულნი" არიან და ვერ ასრულებენ თავიანთ სამუშაოს, მიუხედავად იმისა, თუ რა რაოდენობის სუბსტრატია ხელმისაწვდომი.
რეაქციის სიჩქარისა (y ღერძი) და სუბსტრატის სხვადასხვა კონცენტრაციის (x ღერძი) ურთიერთდამოკიდებულების გრაფიკზე ეს ორი სახის ინჰიბიტორი ერთმანეთისგან შეგიძლიათ, მრუდის ფორმით გაარჩიოთ:
ასეთ გრაფიკებში ვერ ერკვევით? არაუშავს! სტატიაში ფერმენტთა კინეტიკის გრაფიკის საფუძვლები ეს ნაბიჯ-ნაბიჯაა განხილული.

ალოსტერული რეგულაცია

ალოსტერული რეგულაცია, ზოგადად რომ ვთქვათ, რეგულაციის ის ფორმაა, რომელშიც მარეგულირებელი მოლეკულა (აქტივატორი ან ინჰიბიტორი) ფერმენტს აქტიური საიტისგან განსხვავებულ ადგილას უკავშირდება. ფერმენტის ამ ნაწილს ალოსტერული საიტი ეწოდება.
არაკონკურენტული ინჰიბირების თითქმის ყველა შემთხვევა (კონკურენტული ინჰიბირების ზოგ უნიკალურ შემთხვევასთან ერთად) ალოსტერულ რეგულაციას მიეკუთვნება.
მიუხედავად ამისა, ზოგიერთ იმ ფერმენტს, რომელიც ალოსტერულად რეგულირდება, უნიკალური თავისებურებები ახასიათებს, რაც მათ სხვებისგან გამოარჩევს. ამ ფერმენტებს, მათ შორის ჩვენი მეტაბოლიზმის ზოგ მთავარ რეგულატორსაც, ხშირადალოსტერულ ფერმენტებს უწოდებენ2^2. ალოსტერულ ფერმენტებს, როგორც წესი, ცილის სხვადასხვა სუბერთეულზე განლაგებული რამდენიმე აქტიური საიტი აქვთ. როცა ალოსტერული ინჰიბიტორი ფერმენტს უკავშირდება, სუბერთეულების ყველა აქტიური საიტი მცირედ იცვლება, რაც მათ ფუნქციის შესრულებას უძნელებს.
არსებობს ალოსტერული აქტივატორებიც. ზოგი მათგანი ფერმენტს აქტიური საიტისგან განსხვავებულ ადგილას უკავშირდება და აქტიური საიტის გააქტიურებას იწვევს. არსებობს ე.წ. კოოპერატიულობის ფენომენიც, რომლის დროსაც თავად სუბსტრატი ასრულებს ალოსტერული აქტივატორის როლს: იგი ერთ აქტიურ საიტს უკავშირდება და ამით სხვა აქტიურ საიტებს ააქტიურებს.3^{3} ესეც ალოსტერული რეგულაციის სახედ ითვლება, რადგან სუბსტრატი თავისი დაკავშირების ადგილიდან მოშორებულ აქტიურ საიტებზე ახდენს გავლენას.

კოფაქტორები და კოფერმენტები

ბევრი ფერმენტი კარგად, ან საერთოდ, არ მუშაობს, თუ სხვა, არაცილოვან, დამხმარე მოლეკულასთან - კოფაქტორთან არაა დაკავშირებული. ეს ნივთიერებები ფერმენტს შესაძლოა დროებით, იონური ან წყალბადური ბმებით უკავშირდებოდეს ან მუდმივად - უფრო ძლიერი, კოვალენტური ბმებით. კოფაქტორები ხშირად არაორგანული იონებია, მათ შორის რკინა (Fe2+)\text {(Fe}^{2+}) და მაგნიუმი (Mg2+)(\text {Mg}^{2+}). მაგალითად, ფერმენტს, რომელიც დნმ-ის მოლეკულას წარმოქმნის, დნმ-პოლიმერაზას, მაგნიუმის იონები ესაჭიროება ფუნქციონირებისთვის.4^4
კოფერმენტები კოფაქტორების ქვეჯგუფია, კერძოდ, ორგანული (ნახშირბადზე დაფუძნებული) მოლეკულები. კოფერმენტების ძირითადი წყარო საკვებით მიღებული ვიტამინებია. ზოგი ვიტამინი კოფერმენტის წინამორბედია, ზოგი კი პირდაპირ კოფერმენტის როლს ასრულებს ორგანიზმში მოხვედრისას. მაგალითად, C ვიტამინი შემაერთებელი ქსოვილის მთავარი მოლეკულის, ცილა კოლაგენის წარმომქმნელი რამდენიმე ფერმენტის კოფერმენტია.

ფერმენტთა კომპარტმენტალიზაცია

ფერმენტები ხშირად კომპარტმენტალიზებულია (უჯრედის სპეციალურ ნაწილშია მოთავსებული და იქ ფუნქცნიონირებს) - მაგალითად, რომელიმე ორგანელაში. კომპარტმენტალიზაცია ნიშნავს, რომ სპეციფიკური პროცესებისთვის საჭირო ფერმენტები იმ სივრცეში თავსდება, სადაც ისინი საჭიროა, ადვილად "იპოვიან" თავიანთ სუბსტრატებს, არ დააზიანებენ უჯრედებს და სადაც მათ სწორედ ის მიკროგარემო აქვთ, რომელიც კარგად მუშაობისთვის სჭირდებათ.
ასე, მაგალითად, ლიზოსომების მომნელებელი ფერმენტები საუკეთესოდ ფუნქციონირებენ, როცა გარემოს pH დაახლოებით 5.05.0-ია, რაც ლიზოსომების შიდა სივრცეს შეესაბამება (და არა ციტოზოლს, რომლის pH-იც 7.27.2-ია). ლიზოსომების ფერმენტები ნაკლებად აქტიურია ციტოზოლის pH-ზე, რითაც უჯრედი "თავს იზღვევს": ლიზოსომა რომც გასკდეს და მისი ფერმენტები გარეთ გადმოიღვაროს, ისინი უჯრედს მაინც ვერ მოინელებენ, რადგან ფუნქციონირებისთვის საჭირო pH აღარ ექნებათ.5^5

მეტაბოლური გზების უკუკავშირით ინჰიბირება

უკუკავშირით ინჰიბირების პროცესში მეტაბოლური გზის საბოლოო პროდუქტი ამ გზის მთავარ ჩამრთველ ფერმენტზე მოქმედებს და ხელს უშლის მეტი საბოლოო პროდუქტის წარმოქმნას.
ეს შესაძლოა, უცნაურად მიგეჩვენოთ - რატომ უნდა უნდოდეს მოლეკულას, რომ საკუთარი მეტაბოლური გზა გამორთოს? მაგრამ, სინამდვილეში, ეს საკმაოდ ჭკვიანური გზაა იმისთვის, რომ უჯრედმა სწორედ საჭირო რაოდენობით წარმოქმნას პროდუქტი. როცა პროდუქტი ცოტაა, ფერმენტი არ ინჰიბირდება, მეტაბოლური გზა მთელი დატვირთვით იმუშავებს და პროდუქტს საკმარისი რაოდენობით წარმოქმნის. როცა პროდუქტი ბევრია, იგი დათრგუნავს ფერმენტს და ხელს შეუშლის იმავე ნივთიერების მეტი რაოდენობის წარმოქმნას, სანამ არსებული მარაგი არ დაიხარჯება.
უკუკავშირით ინჰიბირება, როგორც წესი, მეტაბოლური გზის პირველ გადამწყვეტ საფეხურზე მოქმედებს, ანუ იმ პირველ საფეხურზე, რომლის იქითაც მეტაბოლური გზა შეუქცევადია. მიუხედავად ამისა, უკუკავშირით ინჰიბირებას შესაძლოა, რამდენიმე სამიზნე წერტილი ჰქონდეს გზაზე, განსაკუთრებით მაშინ, თუ ეს მეტაბოლური პროცესი "დატოტვილია". გზის ის საფეხურები, რომლებიც უკუკავშირით ინჰიბირდება, ხშირად ალოსტერული ფერმენტების მიერ კატალიზდება.6^{6}
მაგალითად, ენერგიის გადამტანი მოლეკულა ატფ ზოგი ფერმენტის ალოსტერული ინჰიბიტორია უჯრედულ სუნთქვაში - პროცესში, რომლის დროსაც ატფ წარმოიქმნება სხვა უჯრედული რეაქციების ენერგიით მოსამარაგებლად. როცა ატფ ბევრია, უკუკავშირით ინჰიბირება აჩერებს ახალი ატფ-ის წარმოქმნას. ეს ჭკვიანურია, რადგან ატფ არასტაბილური მოლეკულაა. თუ იგი ჭარბად წარმოიქმნა, შესაძლოა, დიდი ნაწილი თავისით დაიშალოს (ადფ-ად და Pi_i-ად) და სულ ტყუილად დაიხარჯოს.
ადფ, მეორე მხრივ, ატფ-ის მიერ ინჰიბირებული ზოგი ფერმენტის დადებითი ალოსტერული რეგილატორია (ალოსტერული აქტივატორი). მაგალითად, ადფ-ს შეუძლია, დაუკავშირდეს ფერმენტს, შეუცვალოს მას ფორმა და უფრო აქტიური გახადოს.7^{7}
რეგულაციის ამ თავისებურების წყალობით, როცა ადფ-ის დონე ატფ-ზე მაღალია, უჯრედული სუნთქვის ფერმენტები ძალიან აქტიურდება და ამ პროცესში ბევრ ატფ-ს წარმოქმნის.
იტვირთება