Кратко: функциональная специфичность ферментов в метаболических путях задаётся их структурой (домены, активные центры, интерфейсы олигомеризации) и динамической модификацией этой структуры (посттрансляционные модификации — ПТМ). Ниже — основные механизмы с пояснениями и примерами.
1) Архитектура доменов
- Каталитические домены формируют геометрию и химические группы активного центра, определяющие какие субстраты реагируют (например, сериновая протеаза с каталитическим триадом Ser–His–Asp; Rossmann fold узнаёт NAD(P)+).
- Связывающие/специфичностные домены (субстратные карманы, вспомогательные сайты) повышают селективность по форме, заряду и гидрофобности молекулы.
- Регуляторные домены (алостерические, инхибиторные) переключают конформацию активного центра и включают/выключают каталитическую активность. Пример: аллостерическая регуляция фосфофруктокиназы-1.
2) Модульность и мультиферментные комплексы
- Наличие нескольких доменов в одном белке или сборки нескольких белков обеспечивает пространственную организацию канальных путей (substrate channeling), снижая утечку интермедиатов и ускоряя поток метаболитов. Пример: комплекс пируватдегидрогеназы, жирнокислотный синтаз.
3) Посттрансляционные модификации (ПТМ)
- Фосфорилирование: вводит отрицательный заряд — вызывает конформационные изменения или создаёт сайты для связывания (например, фосфат-метка для SH2). Результат: изменение $K_M$, $k_{cat}$ или субклеточной локализации.
- Ацетилирование/метилирование: модулируют взаимодействия с ДНК/белками или изменяют каталитическую активность (например, ацетилирование метаболических ферментов влияет на активность в ответ на энергетическое состояние).
- Убиквитинирование: метит для расщепления или меняет стабильность/локализацию.
- Гликозилирование/липидирование: влияет на фолдинг, стабильность и мембранную локализацию, что важно для ферментов путей вне цитозоля.
- Протеолиз (зимогены): активация ферментов путём отрезания ингибирующих про-доменов (например, пищеварительные протеазы, каскад коагуляции).
4) Влияние на кинетику и специфичность
- ПТМ и домены изменяют кинетические параметры: $K_M$ (аффинность к субстрату) и $k_{cat}$ (каталитическая скорость). Следовательно изменяется специфичность, часто охарактеризованная как константа специфичности $\frac{k_{cat}}{K_M}$.
- Классическая зависимость скорости: $$v=\frac{V_{max}[S]}{K_M+[S]}$$ где модификация может менять $V_{max}=k_{cat}[E]$ и/или $K_M$.
5) Пространственная и временная регуляция
- Домены, распознающие липиды или мембраны (PH, C2), и липидные ПТМ (миристо‑/пальмитоилирование) направляют ферменты в нужный субкомпартмент, обеспечивая контакт с правильными субстратами.
- Быстрые и обратимые ПТМ (фосфорилирование, нитрозилирование) дают динамическую подстройку активности в ответ на метаболические сигналы.
6) Примеры-иллюстрации
- Киназы: каталитический домен + регуляторный домен; фосфорилирование активирует или ингибирует; SH2/SH3 обеспечивают специфичность по партнёрам.
- Сериновые протеазы: про‑домен (инактивность) → протеолиз → активный фермент; субстратная специфичность задана карманом S1.
- Ацетил-КоА дегидрогеназы: ацетилирование может снижать активность, изменяя $\frac{k_{cat}}{K_M}$ и перенаправляя поток метаболизма.
Вывод: доменная организация задаёт «архитектуру» специфичности (какие реакции возможны и с кем взаимодействовать), а ПТМ обеспечивают гибкую, часто обратимую, настройку этой специфичности по кинетике, локализации и взаимодействиям, позволяя метаболическим путям быстро реагировать на состояние клетки.