Многие биохимические реакции в живых клетках могут идти в обоих направлениях. Например, клетки млекопитающих синтезируют и катаболизируют глюкозу. Скорость возникновения этих реакций необходимо регулировать, чтобы предотвратить потерю энергии в бесполезном цикле. В этом цикле протекают противоположные реакции с очень высокими скоростями без чистого потока субстрата в любом направлении. Согласно второму закону термодинамики, энтропия увеличивается в предпочтительных реакциях, энтропия - это энергия, которая тратится впустую и не может быть использована для выполнения работы.
Ферменты важны для любых физических и химических изменений в клетках. Следовательно, регулирование каталитической активности способствует пониманию врожденных ошибок и сохранению гомеостаза.
Регулирование действия ферментов может быть достигнуто за счет:
- Компартментализация. Различные ферменты, выполняющие разные задачи, могут быть локализованы в определенных компартментах. Это гарантирует метаболическую эффективность, а также упрощает регулирование. Например, хлоропласты содержат ферменты фотосинтеза, лизосомы - гидролитические ферменты, а митохондрии - ферменты энергетического метаболизма, окислительного фосфорилирования и цикла TCA.
- Ковалентная модификация. Это также известно как ферментативное взаимопревращение. Большинство ферментов регулируется путем добавления фосфата (фосфорилирование), удаления фосфата (дефосфорилирование), добавления AMP (аденилилирование) или других ковалентных модификаций. Ковалентная модификация вызывает изменения в структуре третичного фермента, которые изменяют его каталитическую активность.
- Частичный протеолиз. Это относится к необратимой ковалентной модификации, при которой зимогены или неактивные проферменты активируются посредством гидролиза одной или нескольких пептидных связей. Например, активация протеаз (ферментов, переваривающих белок) только в области пищеварения позволяет избежать протеолиза клеточных компонентов. Таким же образом факторы свертывания крови активируются только в местах разреза, чтобы предотвратить образование внутренних сгустков.
- Контроль концентрации фермента. Концентрация определенного фермента в клетке зависит от скорости его разложения и синтеза. Скорость синтеза ферментов регулируется путем индукции, а также репрессии гена. За некоторыми исключениями, скорость ферментативной реакции увеличивается с увеличением концентрации ферментов.
- Концентрация субстрата. Скорость ферментативной реакции обычно увеличивается с увеличением концентрации субстрата до определенного максимума.
- Концентрация конечного продукта. Когда конечные продукты реакции накапливаются, скорость реакции снижается. В некоторых случаях конечный продукт соединяется с ферментом, поэтому скорость еще больше снижается.
- Температура. На скорость ферментативных реакций большое влияние оказывает температура. Обычно начальная скорость ферментативной реакции увеличивается с повышением температуры до тех пор, пока не будет достигнут определенный оптимум. Выше оптимальной температуры начинается разрушение фермента, что снижает скорость ферментативной реакции.
- pH среды. Концентрация ионов водорода в среде влияет на активность ферментов. Активность фермента максимальна при определенном pH и быстро снижается по обе стороны от этого значения.
- Увлажнение. Влияние повышенной гидратации на активность ферментов тканей растений чаще всего проявляется при прорастании семян. Поскольку во время прорастания происходит впитывание воды, активность ферментов увеличивается.
- Активаторы. Активаторы относятся к определенным соединениям, которые ускоряют скорость ферментативной реакции. Некоторые активаторы увеличивают активность почти всех ферментативных реакций, таких как соли щелочноземельных металлов, таких как ионы хлора, кобальт, никель, марганец и магний.
