Fő tartalom
Biológia
Tantárgy/kurzus: Biológia > 7. témakör
2. lecke: A környezet hatásai az enzimek működéséreAz enzimműködés szabályozása
Kofaktorok és koenzimek. Reverzibilis, irreverzilis, kompetitív és nonkompetitív inhibitorok. Allosztérikus enzimek. Végtermékgátlás.
Bevezetés
A tested sejtjei rengeteg különféle enzimet képesek előállítani. Elsőre akár azt is gondolhatnád: hajrá, indítsunk be minden enzimet, hadd dübörögjön az anyagcsere! Mint azonban hamarosan kiderül, valójában egyáltalán nem érdemes az összes enzimet egyidőben vagy egyazon sejtben termelni és aktiválni.
Minden sejtet más-más igények és körülmények jellemeznek, és idővel ezek az egyes sejtekben is változnak. A gyomor sejtjeinek például más enzimekre van szükségük, mint a zsírt raktározó sejteknek, a bőrsejteknek, a vérsejteknek vagy az idegsejteknek. Egy emésztősejt is sokkal keményebben dolgozik a tápanyagok feldolgozásán és lebontásán az étkezés után, mint órákkal később. A sejtek igényeihez és körülményeihez igazodva változik a különböző enzimek mennyisége és működése is.
Mivel az enzimek irányítják és szabályozzák a sejtek anyagcseréjét, a működésük általában gondos ellenőrzés alatt áll. Ebben a leckében megvizsgáljuk azokat a tényezőket, amelyek befolyásolhatják vagy szabályozhatják az enzimek aktivitását. Ezek közé tartozik a pH és a hőmérséklet (amelyeket az aktív centrumról szóló leckében tárgyalunk), valamint az alábbiak:
- Szabályozó molekulák. Az enzimaktivitás „alacsonyabb” vagy „magasabb” fokozatba kapcsolható az enzimhez specifikusan kötődő aktiváló és gátló molekulák által.
- Kofaktorok. Sok enzim csak akkor aktiválódik, amikor nemfehérje jellegű segítő molekulák, úgynevezett kofaktorok kötődnek hozzájuk.
- Kompartmentalizáció. Az enzimek speciális kompartmentekben (körülhatárolt sejtalkotókban) tárolódnak. Ezzel megelőzhető, hogy valamiben kárt tegyenek, és biztosíthatók a működésükhöz szükséges feltételek.
- Visszacsatolásos gátlás. Az anyagcsere kulcsfontosságú enzimjeit gyakran gátolja az általuk szabályozott anyagcsereút végterméke (ez az úgynevezett visszacsatolásos gátlás).
A lecke további részében sorra megvizsgáljuk ezeket a tényezőket, hogy lássuk, hogyan képesek befolyásolni az enzimek aktivitását.
Szabályozó molekulák
Az enzimeket más molekulák szabályozhatják, amelyek fokozzák vagy csökkentik az aktivitásukat. Az enzimek aktivitását fokozó molekulákat aktivátoroknak, az enzimaktivitást csökkentő molekulákat pedig inhibitoroknak (gátlóanyagoknak) nevezzük.
Sokféle olyan molekula létezik, amely gátolja vagy segíti az enzimek működését. Ezek különféle módokon fejtik ki hatásukat.
Kompetitív és nonkompetitív gátlás
Számos alaposan tanulmányozott esetben az aktivátor vagy az inhibitor kötődése reverzibilis, ami azt jelenti, hogy a molekula nem kötődik tartósan az enzimhez. Néhány fontos gyógyszertípus reverzibilis gátlóanyagként működik. Például a HIV kezelésére használt tipranivir nevű gyógyszer is reverzibilis inhibitor.start superscript, 1, end superscript Gátolja egy olyan vírusenzim aktivitását, amely abban segít a vírusnak, hogy az másolatokat készítsen önmagáról.
A reverzibilis gátlóanyagok a kötődési tulajdonságaik alapján csoportosíthatók. Itt nem tárgyaljuk az összes típust, hanem két fontos csoportra összpontosítunk: a kompetitív és a nonkompetitív inhibitorokra.
- Az inhibitor egy enzimhez kötődve megakadályozhatja a szubsztrát kötődését, például azáltal, hogy az aktív centrumhoz kötődik. Ezt kompetitív gátlásnak nevezzük, mivel az inhibitor „versenyez” a szubsztráttal az enzimért. Egy adott pillanatban tehát vagy csak az inhibitor, vagy csak a szubsztrát tud megkötődni.
- Nonkompetitív gátlás esetén az inhibitor nem akadályozza meg a szubsztrátot abban, hogy az aktív centrumhoz kötődjön. Ehelyett egy másik ponton kötődik meg, így akadályozza az enzim működését. Ezt a gátlást azért nevezzük „nonkompetitívnek”, mert egyidejűleg meg tud kötődni az inhibitor és a szubsztrát is.
A kompetitív és a nonkompetitív inhibitorokat az alapján lehet megkülönböztetni, hogy különböző szubsztrátkoncentrációk mellett hogyan befolyásolják az enzim aktivitását.
- A kompetitív inhibitor alacsony szubsztrátkoncentráció esetén csökkenti a reakció sebességét, de a magas koncentrációban jelen lévő szubsztrát „felülkerekedhet” rajta. Ez azt jelenti, hogy ha elegendő szubsztrát áll az enzim rendelkezésére, akkor képes elérni a maximális reakciósebességét. Ebben az esetben szinte minden enzimmolekula összes aktív centrumát a szubsztrát foglalja el, nem pedig az inhibitor.
- Nonkompetitív inhibitorok esetében az enzim által katalizált reakció még magas szubsztrátkoncentráció esetén sem éri el a rá jellemző maximális sebességet. Ez azért van így, mert a nonkompetitív inhibitor „megmérgezi”, az enzimmolekulákat, így azok nem tudják elvégezni a feladatukat, függetlenül attól, hogy mennyi szubsztrát áll rendelkezésre.
A különböző szubsztrátkoncentrációk esetén (x-tengely) mért reakciósebesség (y-tengely) grafikonján a görbék alakja alapján meg lehet különböztetni a kétféle gátlóanyagot:
Nem ismerős ez a fajta grafikon? Semmi gond! Az enzimkinetikai grafikonok alapjai című tananyag lépésről lépésre végigvezet a témán.
Allosztérikus szabályozás
Az allosztérikus szabályozás tágabb értelemben véve a szabályozás minden olyan formáját jelenti, ahol a szabályozó molekula (az aktivátor vagy az inhibitor) nem az aktív centrumban, hanem más helyen kötődik az enzimhez. Azt a helyet, ahol a szabályozó molekula megkötődik, allosztérikus helynek nevezzük.
A legtöbb nonkompetitív gátlás (a kompetitív gátlás néhány egyedi esetével együtt) az allosztérikus szabályozás valamilyen formája.
Néhány allosztérikusan szabályozott enzim viszont a többiektől eltérő, egyedi tulajdonságokkal rendelkezik. Ezeket az enzimeket, közöttük az anyagcserénk néhány kulcsfontosságú szabályozóját gyakran allosztérikus enzimeknek nevezik.squared Az allosztérikus enzimek jellemzően több aktív centrummal is rendelkeznek, amelyek nem egyazon fehérje alegységeken helyezkednek el. Amikor egy allosztérikus inhibitor hozzákötődik az enzimhez, a fehérje alegységeken lévő összes aktív centrum kissé megváltozik, így gyengül a működésük.
Léteznek allosztérikus aktivátorok is. Egyes allosztérikus aktivátorok az enzimnek az aktív centrumtól eltérő helyeihez kötődnek és fokozzák az aktív centrum működését. A kooperativitás nevű folyamat során maga a szubsztrát is szolgálhat allosztérikus aktivátorként: amikor az egyik aktív centrumhoz kötődik, akkor a többi aktív centrum aktivitása is fokozódik.cubed Ez allosztérikus szabályozásnak tekinthető, mivel a szubsztrát az olyan aktív centrumokra is hatással van, amelyek távol esnek a kötőhelyétől.
Kofaktorok és koenzimek
Számos enzim működése nem optimális vagy éppen lehetlen, ha nem kötődnek hozzájuk más, nemfehérje jellegű segítő molekulák, úgynevezett kofaktorok. Ezek némelyike ideiglenesen kapcsolódik az enzimhez (ionos vagy hidrogénkötéssel), mások tartósan (erősebb kovalens kötésekkel). Gyakori kofaktorok a szervetlen ionok, mint például a vas start text, left parenthesis, F, e, end text, start superscript, 2, plus, end superscript, right parenthesis és a magnézium left parenthesis, start text, M, g, end text, start superscript, 2, plus, end superscript, right parenthesis. A DNS-molekulákat felépítő enzim, a DNS-polimeráz működéséhez például magnéziumionokra van szükség.start superscript, 4, end superscript
A kofaktorok egyik alcsoportja a koenzimek, amelyek szerves (szénalapú) molekulák. A koenzimek leggyakoribb forrásai a táplálékkal bevitt vitaminok. Egyes vitaminok a koenzimek előanyagai, mások pedig közvetlenül koenzimként működnek. A C-vitamin például számos olyan enzim koenzimje, amelyek részt vesznek a kollagén nevű fehérje előállításában, amely a kötőszövet kulcsfontosságú alkotója.
Az enzimek kompartmentalizációja
Az enzimek gyakran a sejt egy meghatározott részében tárolódnak, például egy adott sejtalkotóban, ahol a feladatukat látják el – ezt röviden kompartmentalizációnak nevezik. A kompartmentalizáció azt jelenti, hogy az egyes folyamatokhoz szükséges enzimek ugyanott tárolódnak a sejtben, mint ahol ellátják feladatukat, így biztosítva, hogy könnyen megtalálják a szubsztrátjaikat, ne károsítsák a sejtet, és a megfelelő mikrokörnyezetben legyenek ahhoz, hogy jól működhessenek.
A lizoszóma emésztőenzimjei például 5, comma, 0 körüli pH-értéken működnek a legjobban, amely a lizoszómák savas belső terében uralkodik (de nem a sejtplazmában, amelynek a pH-ja körülbelül 7, comma, 2). A sejtplazma pH-ján a lizoszóma enzimjeinek alacsony az aktivitása, ami „biztosítékként” szolgálhat a sejt számára: még ha a lizoszóma ki is szakad és kiszabadulnak az enzimjei, az enzimek akkor sem kezdik el megemészteni a sejtet, mert a pH nem megfelelő a működésükhöz.start superscript, 5, end superscript
Az anyagcsereutak visszacsatolásos gátlása
Visszacsatolásos gátlás során egy anyagcsereút végterméke hat arra a kulcsenzimre, amelyik az adott útvonalba való belépést szabályozza. Ezzel megakadályozható az, hogy több végtermék keletkezzen.
Ez furcsának tűnhet – miért gátolná egy molekula a saját képződésének a folyamatát? Valójában viszont ez egy szellemes módszer arra, hogy a sejt pontosan a megfelelő mennyiségben állítsa elő a terméket. Ha kevés a termék, akkor az enzim nincs gátlás alatt, és a folyamat teljes erővel működik, hogy pótolja a készletet. Ha viszont a termék felhalmozódik, az gátolja az enzimet, így megakadályozza a további termék előállítását, amíg a meglévő készlet el nem fogy.
A visszacsatolásos gátlás jellemzően az anyagcsereút elkötelező lépésére hat, vagyis az első olyan lépésre, amely ténylegesen visszafordíthatatlan. Néha azonban az anyagcsere-útvonal több pontjára is hathat, különösen, ha abban sok az elágazási pont. Az útvonalnak azokat a lépéseit, amelyeket visszacsatolás szabályoz, gyakran allosztérikus enzimek katalizálják.start superscript, 6, end superscript
Az ATP nevű energiahordozó molekula például allosztérikus gátlóanyagként hat néhány enzimre, amelyek a sejtlégzésben vesznek részt. E folyamat során ATP keletkezik a sejtben végbemenő reakciók működtetéséhez. Ha sok ATP van jelen, ez a visszacsatolásos gátlás megakadályozza, hogy még több ATP keletkezzen. Ez azért hasznos, mert az ATP bomlékony molekula. Ha túl sok ATP keletkezne, nagy része kárba veszne, mivel spontán visszabomlana az alkotóelemeire (ADP-re és a Pstart subscript, i, end subscript-vel jelölt szervetlen foszfátra).
Az ADP viszont pozitív allosztérikus szabályozóként (allosztérikus aktivátorként) hat néhány olyan enzimre, amelyeket az ATP gátol. Az ADP például úgy is kifejtheti a hatását, hogy egy enzimhez kötődve megváltoztatja annak alakját, így az enzim aktívabbá válik.start superscript, 7, end superscript
Ennek a szabályozási elvnek köszönhető, hogy amikor az ADP szintje magas az ATP szintjéhez képest, akkor a sejtlégzés enzimjeinek aktivitása erősen megnő, és a sejtlégzés útján több ATP-t állítanak elő.
Szeretnél részt venni a beszélgetésben?
Még nincs hozzászólás.