Более быстрое приспособление клетки к резко меняющейся метаболической ситуации достигается путем изменения каталитической активности ферментов (слайд 13.29). 

Скорости реакций, катализируемых ферментами, различны и зависят от температуры, рН, количества и активности ферментов, концентрации субстрата и других факторов. Многие вещества, не являющиеся субстратами, могут активировать ферменты (активаторы), другие – тормозить их (ингибиторы). Наиболее часто свойства активаторов проявляют такие кофакторы, как ионы кобальта, магния, марганца, цинка. Аллостерические ферменты активируются преимущественно органическими соединениями.

Механизмы регуляции. Скорость ферментативной реакции, т.е. количество субстрата, превращаемое в единицу времени, зависит как от концентраций фермента (Е) и субстрата (S) или продукта (Р), так и от сродства фермента к субстрату (К_m), а также от максимальной скорости реакции (V_max). К_m – это константа Михаэлиса-Ментен; она равна той концентрации субстрата, при которой скорость реакции составляет половину максимальной. Максимальная скорость реакции достигается при избытке субстрата, т. е. тогда, когда фермент насыщен субстратом. 

Уравнение Михаэлиса-Ментен описывает поведение многих ферментов в зависимости от изменений концентрации субстратов (21).

                                                      V= V_max [S] / К_m + [S]           (21)

Простые ферменты. Для большинства ферментов характерна гиперболическая кривая насыщения субстратом. Скорость реакции зависит только от концентраций субстрата и продукта и гиперболически возрастает с повышением концентрации субстрата, т.е. удовлетворяет условиям соотношения Михаэлиса-Ментен. Такие ферменты называют простыми или «гиперболическими» ферментами.

Регуляторные ферменты. Свойства регуляторных ферментов более сложны. Кривые насыщения субстратом для большинства этих ферментов часто становятся сигмоидными. У таких кривых имеется область значительно большей крутизны, чем у кривых насыщения для простых ферментов. В этой области регуляторные ферменты очень чувствительны – даже небольшого изменения концентрации субстрата достаточно, чтобы сильно изменить скорость реакции.

Сигмоидная форма кривой указывает на то, что фермент построен из субъединиц, между которыми существуют кооперативные взаимодействия. Регуляторные ферменты состоят из двух или более, чаще всего из четырех, субъединиц (слайд 13.30). Кроме каталитических центров, распознающих и связывающих субстраты, у регуляторных ферментов есть и другие стереоспецифические участки – так называемые аллостерические центры. Это места связывания эффекторов, изменяющих сродство фермента к субстрату. Имеются особые участки для связывания положительных эффекторов (активаторов) и для отрицательных эффекторов (ингибиторов). Под влиянием эффекторов изменяется форма кривой насыщения (степень ее «сигмоидности»). 

Аллостерические эффекторы представляют собой низкомолекулярные соединения – это либо конечные продукты биосинтеза, либо вещества, концентрация которых может отражать состояние клеточного метаболизма, например АТР, ADP, AMP, ацетил-СоА, фосфоенолпиру-ват и NADH.

Модели кооперативности. Попытки объяснить кооперативность между субъединицами ферментов сводятся к двум гипотезам: «симметричной» модели (Моно) и «последовательной» модели (Кошленд).

В основу обеих моделей положено представление о том, что ферменты могут существовать в различных формах – в активной форме (с высоким сродством к субстрату) и в неактивной (с малым сродством к субстрату). Разница между гипотезами касается того, как происходит конформационное изменение.

Согласно симметричной модели (слайд 13.31), фермент представлен только двумя конформационными состояниями, находящимися в динамическом равновесии; промежуточных состояний нет, существуют только симметричные олигомеры. Поскольку каждая молекула имеет несколько участков для связывания субстрата, небольшого числа молекул субстрата достаточно для того, чтобы привести намного большее число таких участков в состояние высокой каталитической активности; таким образом, облегчается связывание и других молекул субстрата. В этом и состоит кооперативный эффект. Отрицательный эффектор оказывает обратное действие.

В последовательной модели предполагается (слайд 13.32), что фермент приобретает каталитически активную конформацию только в результате взаимодействия с субстратом. Если фермент состоит из нескольких субъединиц, то конформационное изменение одной из них, вызванное субстратом, последовательно передается другим субъединицам и облегчает им связывание добавочных молекул субстрата. Возможно образование несимметричных олигомеров с субъеди-ницами, имеющими разную конформацию. Присутствие активаторов способствует переходу в активную форму, а отрицательные эффекторы его затрудняют.