Механизм фосфорилирования и дефосфорилирования
Наиболее часто ковалентная модификация ферментов осуществляется путем обратимого фосфорилирования. Этот процесс строго контролируется двумя противоположными по своему действию группами ферментов-регуляторов:
- Протеинкиназы — отвечают за фосфорилирование. Они переносят остаток фосфорной кислоты с молекулы АТФ на специфические ОН-группы аминокислотных остатков в составе белков-мишеней.
- Фосфопротеинфосфатазы — осуществляют дефосфорилирование, то есть отщепление ранее присоединенной фосфатной группы.
Именно баланс между активностью этих двух групп ферментов обеспечивает тонкую и обратимую настройку метаболических путей в клетке. Для глубокого понимания процесса необходимо отдельно изучать классы этих ферментов по номенклатуре КФ и их строгую субстратную специфичность.
Строение Протеинкиназы А (ПКА)
Классическим примером фермента, регулируемого и участвующего в ковалентной модификации, является протеинкиназа А (ПКА). По своему типу это цАМФ-зависимый фермент (зависит от циклического 3',5'-АМФ).
В неактивном состоянии ПКА представляет собой сложную структуру — тетрамер, который состоит из четырех субъединиц:
- 2 регуляторные субъединицы (R).
- 2 каталитические субъединицы (C).
Этот неактивный комплекс принято обозначать формулой $R_2C_2$. Важно отметить, что пока фермент находится в виде такого интактного тетрамера, он абсолютно не обладает каталитической активностью.
Механизм активации ПКА
Процесс перехода протеинкиназы А из неактивного состояния в активное включает несколько последовательных этапов:
- Связывание лиганда. Регуляторные субъединицы (R) обладают специальными участками для связывания молекул цАМФ.
- Стехиометрия. К каждой из двух R-субъединиц присоединяется ровно по 2 молекулы цАМФ. Таким образом, на весь тетрамер требуется 4 молекулы цАМФ.
- Конформационные изменения. Как только цАМФ присоединяется, структура регуляторных протомеров пространственно изменяется.
- Диссоциация. Тетрамерный комплекс $R_2C_2$ теряет стабильность и распадается.
- Результат. В среду высвобождаются две независимые и полностью активные каталитические субъединицы (C).
Теперь активная ПКА может выполнять свою функцию — фосфорилирование белков. Схема катализируемой реакции выглядит следующим образом: $E-OH + АТФ \xrightarrow{ПКА} E-O-PO_3H_2 + АДФ$ (где E обозначает белок-субстрат).
Обратимость процесса активации
Система регуляции не могла бы быть эффективной без механизма возврата в исходное состояние. Процесс активации ПКА полностью обратим.
Когда концентрация внутриклеточного сигнала падает, происходит отщепление молекул цАМФ от регуляторных субъединиц. Это немедленно провоцирует обратную ассоциацию свободных R- и C-субъединиц. Они вновь объединяются вместе, образуя исходный неактивный тетрамерный комплекс, и процесс фосфорилирования мишеней прекращается.
Для запоминания состава неактивной ПКА используйте формулу тетрамера R₂C₂: две Регуляторные и две Каталитические субъединицы. Они активны только тогда, когда распадаются под действием 4 молекул цАМФ.
Вопросы с занятий и экзамена
В чем заключается суть ковалентной модификации ферментов?
Суть заключается в быстром и обратимом присоединении или отщеплении химической (чаще фосфатной) группы к молекуле фермента, что изменяет его активность.
Сколько молекул цАМФ необходимо для активации одной молекулы протеинкиназы А?
Для полной активации фермента требуется 4 молекулы цАМФ — по 2 молекулы на каждую из двух регуляторных субъединиц.
Обладает ли тетрамер R₂C₂ протеинкиназы А каталитической активностью?
Нет, в виде собранного тетрамерного комплекса фермент неактивен. Каталитическая активность появляется только после диссоциации комплекса и высвобождения C-субъединиц.
Что ещё разобрать по теме
- Классификация киназ и фосфатаз по международной классификации ферментов (КФ)
- Субстратная специфичность протеинкиназ и фосфопротеинфосфатаз
- Детальные уравнения реакций фосфорилирования и дефосфорилирования
- Медицинские аспекты энзимологии и патологии регуляции ферментов
Разберите тему целиком в курсе «Биохимия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Ковалентная модификация ферментов» и ещё 3 574 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 115 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Энзимология»
Бесплатные видеоуроки: биохимияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.