VESELĪBAS PAMATI

Olbaltumvielas un fermenti 

Fermenti

Fermenti (enzīmi) ir olbaltumvielas, kas spēj palielināt bioķīmisko reakciju ātrumu organisma šūnās un audos. Šādus vielu veidus ķīmijā sauc par katalizatoriem. Tādējādi fermenti ir olbaltumvielu dabas katalizatori. Tie paātrina ķīmiskās reakcijas, aktīvi tajās piedaloties, bet reakcijas rezultātā atjaunojoties (reģenerējoties). To darbība principā pakļaujas tiem pašiem fizikāli ķīmiskajiem likumiem kā ķīmisko katalizatoru darbība. Piemēram, gan vieni, gan otri paātrina tikai tā dēvētās atļautās reakcijas, t. i., tādas, kas var noritēt arī bez katalizatora vai fermenta, tikai ar ārkārtīgi zemu, bieži pat nereģistrējamu, ātrumu. Praktiski visas organismā notiekošās reakcijas ir atļautas. Neatļautus procesus nevar paātrināt neviens ferments. Šāda procesa piemērs ir ATP (adenozīntrifosfāts) sintēze mitohondrijās. Tomēr pēc dažām pazīmēm fermenti no ķīmiskajiem katalizatoriem tomēr atšķiras.

  🦠 Fermentiem piemīt unikāli augsta aktivitāte, kas nav raksturīga ķīmiskajiem katalizatoriem: tie paātrina bioķīmiskās reakcijas miljardiem reižu (vairāk nekā 10⁹ reižu).

  🦠 Fermentiem piemīt augsta darbības izvēlīgums jeb selektivitāte. Ir zināmi fermenti, kas iedarbojas uz vienu vienīgu no tūkstošiem reakciju šūnā vai uz vienu vienīgu vielu, ko sauc par substrātu. Piemēram, ferments ureāze sašķeļ tikai urīnvielu. Uz nekādu citu vielu šis ferments neiedarbojas. Šādu izvēlīgumu sauc par absolūtu. Taču bieži ferments iedarbojas tikai uz radniecīgu vielu grupu: piemēram, fermenti pepsīns, tripsīns un himotripsīns iedarbojas tikai uz olbaltumvielām (kaut arī dažādām), bet neiedarbojas uz taukiem un ogļhidrātiem (cukuriem); savukārt daži fermenti iedarbojas tikai uz taukiem (triglicerīdiem), bet neiedarbojas ne uz olbaltumvielām, ne uz ogļhidrātiem (cukuriem). Šādu izvēlīgumu sauc par relatīvu. Fermentu darbības izvēlīgumam ir īpaši svarīga nozīme, jo katrā šūnā vienlaikus norit tūkstošiem fermentatīvu reakciju, un katru no tām kontrolē tās pašas izvēlīgi iedarbīgais ferments. Turklāt uz šīs unikālās fermentu īpašības balstās klīniski bioķīmiskais asins un citu sarežģītu bioloģisku objektu analīzes princips, kuros vienlaikus atrodas desmitiem fermentu un citu olbaltumvielu. Izmantojot katram fermentam specifisku substrātu, nosaka katra no tiem aktivitāti neatkarīgi no citu komponentu klātbūtnes.

  🦠 Visās fermentu sistēmās (kas parasti ir vai nu secīgu reakciju ķēde, vai cikli) pirmajam fermentam piemīt spēja mainīt savu aktivitāti dažādu signālu ietekmē, tostarp tā dēvēto signālmolekulu ietekmē. Šīs molekulas var būt reakcijas produkts, šūnas īpaši sintezētas molekulas, kalcija joni u. c. Šo unikālo fermentu īpašību sauc par darbības regulējamību, bet pašus fermentus — par regulatoriem. Caur šiem fermentiem dažas vielas, piemēram, hormoni, var vadīt bioķīmiskos procesus. Kā zināms, neviena sarežģīta sistēma, jo īpaši dzīva, nevar normāli funkcionēt bez sarežģītas daudzlīmeņu regulācijas (vadības) sistēmas.

Fermentu nomenklatūra un klasifikācija

Sarežģīto fermentu nomenklatūras un klasifikācijas problēmu veiksmīgi atrisināja 20. gs. 40. gados īpaši izveidota starptautiska Fermentu komisija (Enzyme Commission, EC). Visu fermentu nosaukumiem raksturīgs trīsburtu galotnes elements -āze. Tas ir ērti, lai atšķirtu fermentu no reizēm gandrīz līdzskanīga substrāta (substrāts ir viela, uz kuru iedarbojas ferments; substrātu apzīmē ar burtu S (substrate), bet fermentu — ar burtu E (enzyme). Tā, piemēram: substrāts ir saharoze, bet fermentu, kas to sašķeļ, sauc par saharāzi; substrāts ir laktoze, bet fermentu, kas to sašķeļ, — par laktāzi.

Izņēmums no šī noteikuma ir pepsīns, tripsīns, himotripsīns, lizocīms, rennīns; šiem fermentiem tradīcijas dēļ saglabāti vēsturiski izveidojušies nosaukumi.

Fermentu klasifikācijas pamatā ir reakcijas tips, ko ferments paātrina. Pēc šī parametra visus fermentus iedala septiņās klasēs; katru klasi sadala apakšklasēs, bet apakšklasi — apakšapakšklasēs. Šim iedalījumam atbilst četrzīmju starptautiskais fermentu šifrs, kurā pirmā arābu ciparu zīme pēc burtiem EC apzīmē fermenta klasi, otrā — apakšklasi, trešā — apakšapakšklasi, bet ceturtā — fermenta numuru Starptautiskajā fermentu tabulā, kas pieņemta visās pasaules valstīs. Apzīmējuma piemērs: EC 1.3.5.7. Zinātniskajos rakstos, pieminot kādu fermentu, iekavās obligāti norāda tā atbilstošo šifru.

Fermentu klases

Pirmā klase — oksidoreduktāzes jeb oksidēšanās–reducēšanās fermenti (jēdziens “oksidēšanās–reducēšanās” nozīmē “elektronu pieņemšana un atdošana”). Pie tiem, piemēram, pieskaita apakšklases “oksidāzes” un “dehidrogenāzes”.

Otrā klase — transferāzes (no lat. trans — starp; ferre — nesu). Tie ir fermenti, kas pārnes noteiktas grupas — metilgrupas, aminogrupas u. c. Tā, piemēram, aminotransferāzes katalizē aminogrupas -NH2 pārnesi no aminoskābes uz ketoskābi; metiltransferāzes — metilgrupas -CH3 pārnesi; sulfotransferāze — sulfo grupas -SO3H pārnesi.

Trešā klase — hidrolāzes. Šie fermenti katalizē hidrolīzes reakcijas, t. i., dažādu saišu šķelšanu ūdens iedarbībā. Piemēram, peptidāzes šķeļ peptīdsaites.

Ceturtā klase — liāzes. Šie fermenti katalizē dažādu grupu pievienošanu dubultsaitēm vai attiecīgo grupu atšķelšanu ar dubultsaišu veidošanos. Šajā procesā var izdalīties amonjaks, ogļskābā gāze un ūdens. Piemērs ir pirovīnogskābes pārveidošana etiķskābē ar ogļskābās gāzes izdalīšanos (ferments piruvātdekarboksilāze).

Piektā klase — izomerāzes. Tās pārvērš vienu izomēru citā (par izomēriem sauc vielas ar vienādu sastāvu, bet atšķirīgu uzbūvi). Tā, piemēram, izomerāzes pārvērš glikozo-6-fosfātu fruktozo-6-fosfātā, bet glikozo-6-fosfātu — glikozo-1-fosfātā.

Sestā klase — ligāzes jeb sintetāzes. Tās katalizē sintēzes reakcijas, parasti saistītas ar ATP enerģijas izmantošanu.

Septītā klase — translokāzes. Šie fermenti katalizē jonu vai molekulu pārnesi caur membrānām vai to pārvietošanu (pārdali) membrānās.

Fermentu molekulas uzbūve

No ķīmijas viedokļa fermenti ir olbaltumvielas. Daži no tiem ir vienkāršas olbaltumvielas, t. i., sastāv tikai no aminoskābēm (kaut arī ar terciāro struktūru). Tomēr pārliecinošais vairums fermentu ir saliktas olbaltumvielas, t. i., bez aminoskābju ķēdes satur arī neproteīnu daļu: parasti tie ir ūdenī šķīstošo vitamīnu aktīvo formu atvasinājumi un minerālvielas (makro- un mikroelementi). Vēlreiz īpaši jāuzsver: salikto olbaltumvielu sastāvā ir tieši vitamīnu atvasinājumi, nevis paši vitamīni. Šos vitamīnu atvasinājumus, t. i., to aktīvās formas, sauc par koenzīmiem. Piemēram, vitamīnu B₆ sauc arī par piridoksīnu, bet tā atbilstošais atvasinājums — koenzīms — ir piridoksālfosfāts. Tātad vitamīns vēl nav koenzīms: lai kļūtu aktīvs un pārvērstos par atbilstošu koenzīmu, tam jāiziet virkne stadiju, un katru no tām katalizē savs ferments.

Fermentu neproteīnu komponents var būt minerālvielas (makroelementi, piemēram, kalcija joni, un mikroelementi, piemēram, cinka, vara, dzelzs joni, kā arī selēns). Fermenta minerālo komponentu sauc par kofaktoru.

Tādējādi gan vitamīni (precīzāk — to koenzīmās formas), gan minerālvielas ietilpst fermentu sastāvā, un šajā ziņā tie bioķīmiski ir vienlīdz nozīmīgi. Gan vitamīnu, gan minerālvielu deficīts var izraisīt fermentatīvās aktivitātes un metabolisma samazināšanos un līdz ar to visu dzīvības funkciju traucējumus.

Tieši tādēļ vitamīnu un minerālvielu kompleksus nepieciešams lietot katru dienu un pastāvīgi, obligāti nodrošinot pilnvērtīgu olbaltumvielu uzņemšanu.

Fermenta molekula ir ļoti liela salīdzinājumā ar substrāta molekulu (substrāts ir viela, uz kuru iedarbojas ferments), un substrāts saistās ar fermenta molekulu noteiktā vietā. Ar mūsdienu metodēm pierādīts, ka fermenta molekulā, pateicoties terciārajai struktūrai, ir izveidojusies iedobe (to sauc par “kabatu”, retāk — par “spraugu”), kurā vairākas dažādu aminoskābju funkcionālās grupas (piemēram, serīna -OH, cisteīna -SH, histidīna imidazola grupa u. c.) satuvinās un veido daudzcentru sistēmu. Šādu strukturālu veidojumu sauc par fermenta aktīvo centru, kas mijiedarbības brīdī ar substrātu nodrošina abu procesa dalībnieku vairāku funkcionālo grupu satuvināšanu un precīzu orientāciju. Vēlreiz jāuzsver, ka izšķiroša loma aktīvā centra veidošanā ir olbaltumvielas terciārajai struktūrai. Aktīvajā centrā līdzās aminoskābju funkcionālajām grupām ietilpst arī koenzīmi un kofaktori.

Fermenti organismos darbojas noteiktas temperatūras un vides pH (ūdeņraža rādītāja) apstākļos, ko sauc par optimāliem. Cilvēka organismā optimālā temperatūra, kurā fermentu aktivitāte ir vislielākā, ir 37°C. Novirzes gan uz vienu, gan otru pusi pat nelielas izraisa strauju aktivitātes samazināšanos (un tas ir viens no sliktas pašsajūtas iemesliem pie paaugstinātas vai pazeminātas ķermeņa temperatūras). Putniem optimālā fermentu aktivitātes temperatūra ir cita: piemēram, zīlītēm ķermeņa temperatūra ir 42°C, un, lai to uzturētu ziemas salā, nepieciešams daudz siltuma, ko mitohondrijās var saražot, ja ir pietiekams barības daudzums (neapstrādātas sēkliņas, nesālīts speķis). Tieši tādēļ ziemojošie putni jāpiebaro, lai tie salā izdzīvotu.

Optimālais pH jeb ūdeņraža rādītājs (t. i., skābums) audu fermentiem un asins fermentiem ir 7,20±0,15. Novirzes gan skābajā virzienā (acidoze), gan sārmainajā virzienā (alkaloze) izraisa straujas fermentu aktivitātes izmaiņas. Tas var beigties letāli, ja netiek veikti pasākumi pH normalizēšanai.

Muskuļaudos, īpaši fiziskas slodzes laikā, vide ir skābāka uzkrājošās pienskābes dēļ. Tādēļ fermentu aktivitāte samazinās, rodas muskuļu kontraktūra, samazinās to darba spējas, parādās sāpes. Kuņģī vide ir izteikti skāba — pH 1,5-2,5 — tie ir optimāli apstākļi kuņģa sulas fermenta pepsīna darbībai. Pie augstāka vai zemāka pH šā fermenta aktivitāte krītas, un samazinās kuņģa sulas gremošanas spēja. Optimālais pH tripsīnam un himotripsīnam — tievās zarnas sulas fermentiem — ir virs 8, t. i., tievajā zarnā normāli vide ir sārmaina

Ir zināmas vielas, kas nomāc fermentu aktivitāti; tās sauc par inhibitoriem un apzīmē ar simbolu I (no angļu val. inhibitor — inhibitors). Inhibitori var darboties atgriezeniski; tad tos sauc par atgriezeniskiem inhibitoriem.

Atgriezeniskos inhibitorus iedala konkurējošos un nekonkurējošos. Konkurējošie inhibitori konkurē ar substrātu par saistīšanos ar aktīvo centru, un tas ir iespējams tikai tad, ja inhibitora struktūra ir līdzīga substrāta struktūrai. Konkurējošie inhibitori ir praktiski svarīgi. Ja šāds inhibitors ir kaitīga vai toksiska viela, tad, lietojot augstu normālā substrāta koncentrāciju, konkurences dēļ var pasargāt organismu no toksiskās iedarbības un saindēšanās. Piemēram, ferments alkohola dehidrogenāze (jēdziens “dehidrogenāze” nozīmē, ka šis ferments katalizē ūdeņraža atšķelšanu) metabolizē gan etilspirtu (C₂H₅OH), gan īpaši toksisko metilspirtu (CH₃OH). Etilspirts ir šā fermenta normālais substrāts, bet metilspirts, kas no etilspirta atšķiras tikai par vienu oglekļa atomu, ir konkurējošs inhibitors. Tātad, ja cilvēks nejauši ir uzņēmis bīstamu metilspirta devu, savlaicīgi lielākā devā uzņemts etilspirts kalpos kā pretinde.

Cits piemērs ir ferments sukcinātdehidrogenāze, kas metabolizē normālo substrātu — dzintarskābi jeb sukcinātu (HOOC-CH₂-CH₂-COOH). Tai ļoti līdzīga ir malonskābe (HOOC-CH₂-COOH), kas ir vienkārši par vienu neitrālu grupu -CH₂ īsāka nekā dzintarskābe. Taču ar to pietiek, lai malonskābe darbotos kā inde. Šīs skābes esterus ražo tūkstošiem tonnu. Saindēšanās gadījumā ar šo skābi, piemēram, ražošanā, pretinde būs ferments sukcinātdehidrogenāzes normālais substrāts — dzintarskābe lielā devā.

Konkurējoši inhibitori var būt arī medikamenti. Piemēram, miorelaksanti (preparāti, kas atslābina muskulatūru) inhibē nervu impulsa kontroles fermentu — holīnesterāzi. Šā fermenta normālais substrāts ir acetilholīns. Tas piedalās nervu impulsa pārvadē. Acetilholīna struktūrā ir pozitīvi lādēts jeb kvartērs slāpekļa atoms. Visi savienojumi, kas satur šādu atomu, būs holīnesterāzes konkurējoši atgriezeniski inhibitori. Miorelaksanti ir tieši šādi savienojumi. Ir zināmi dabiskie miorelaksanti, piemēram, tubokurarīns (no kurāres indes), ko Āfrikas savvaļas ciltis izmantoja indīgām bultām (ar šo indi varēja nogalināt pat ziloni). Mazās devās tubokurarīnu medicīnā lieto līdzās sintētiskajiem miorelaksantiem, lai sirds un plaušu operāciju laikā izslēgtu elpošanas muskuļu darbību.

Nekonkurējošas darbības inhibitori (nekonkurējošie inhibitori) mijiedarbojas ar fermentu ārpus aktīvā centra apgabala. Strukturāli tie nav līdzīgi substrātam. Šādos gadījumos fermenta substrāts nevar kalpot kā pretinde saindēšanās gadījumā ar šādu inhibitoru. Kā nekonkurējošas inhibēšanas piemērs var kalpot dažu smago metālu joni.

Par neatgriezenisku inhibitoru paraugu var kalpot holīnesterāzes inhibitori. Dažus holīnesterāzes inhibitorus, kas neatgriezeniski saistās ar aktīvā centra grupām, izmanto kā insekticīdus (hlorofoss, dihlorfoss u. c.). Tie selektīvi spēcīgi iedarbojas uz kukaiņu holīnesterāzi un, protams, ievērojami vājāk — uz cilvēka holīnesterāzi. Taču ir arī daudz aktīvāki šā fermenta neatgriezeniski inhibitori, piemēram, zarīns, zomāns, tabūns, VX (V-sērijas nervu paralītiskā kaujas viela), “Novičok” — kaujas indvielas un ķīmiskie ieroči. Pretinde ir tikai īpašas vielas — holīnesterāzes reaktivatori.

Pie neatgriezeniskajiem inhibitoriem pieskaita arī smago metālu jonus, piemēram, dzīvsudraba un svina jonus, kas saista fermentu SH (sulfhidril-) grupas. Pret dzīvsudraba joniem īpaši jutīgas ir nieres, kas ir bagātas ar SH saturošiem (t. s. tiol-) fermentiem. Turklāt smago metālu joni var saistīt SH grupas ne tikai aktīvajā centrā, bet arī citās fermenta daļās — tā ir neatgriezeniska nekonkurējoša inhibēšana (jo inhibitors mijiedarbojas ar fermentu ārpus aktīvā centra apgabala).

Inhibēšanai pretējs process ir fermentu aktivācija.

Fermentu aktivatori var būt metālu joni. Piemēram, magnija joni aktivē visus no ATP atkarīgos fermentus un ATPāzes (adenozīntrifosfāta hidrolāzes; jonu sūkņus — kālija, nātrija un kalcija jonu pārnesējus pret koncentrācijas gradientu), bet lipāžu (fermentu, kas šķeļ taukus) aktivatori ir kalcija joni.

Vienlaikus metālu jonus — fermentu aktivatorus — nevajag jaukt ar tiem metālu joniem, kas ir tiešs aktīvā centra strukturāls komponents (piemēram, cinka joni Zn²⁺ un vara joni Cu²⁺ vienā no galvenajiem organisma antioksidantās sistēmas fermentiem — Zn-, Cu-atkarīgajā superoksīddismutāzē). Šie joni nav aktivatori, bet gan metallofermenta sastāvdaļas. Aktivatori savukārt nav fermenta komponenti — tie ieplūst no ārpuses.

Vēl viens svarīgs fermentu aktivācijas mehānisms ir ierobežota proteolīze. Ierobežotas proteolīzes procesā olbaltumviela netiek šķelta pilnīgi līdz aminoskābēm (pilnīgu olbaltumvielu šķelšanu sauc par proteolīzi), bet selektīvi noteiktā vietā, tādēļ šādu proteolīzi sauc arī par selektīvu. Sākotnēji šis aktivācijas mehānisms tika atklāts gremošanas fermentiem — pepsīnam, tripsīnam, himotripsīnam. Piemēram, aktīvais ferments pepsīns veidojas no neaktīvā profermenta pepsinogēna, ko sākotnēji izdala kuņģa gļotāda. Pepsīna molekula izrādījās par 6 aminoskābēm mazāka nekā pepsinogēna molekula, un tas ļāva pieņemt, ka aktivitātes parādīšanos izraisa vienkārša šā nelielā fragmenta atšķelšana. Tas skaidrojams ar to, ka pepsinogēnā nav izveidots aktīvais centrs. Pēc aminoskābju fragmenta atšķelšanas (vienā vietā) šāds centrs izveidojas, jo mainās fermenta terciārā struktūra. Šādu struktūras izmaiņu procesu sauc par konformācijas pāreju. Līdzīgi aktivējas arī citi fermenti: tripsīns — no tripsinogēna; himotripsīns — no himotripsinogēna; lipāze — no prolipāzes. Vēlāk tika noskaidrots, ka šim mehānismam ir vispārbioloģiska nozīme. Tieši šādā ceļā veidojas virkne peptīdās dabas hormonu: sākumā tiek sintezēta viena liela olbaltumviela, bet pēc tam tā lokāli tiek fragmentēta atsevišķos peptīdos, kuri kalpo par hormoniem un/vai endorfīniem (īsie “baudas”, ‘’sāpju’’ u. tml. peptīdi).

Fermentu aktivitātes regulācija

Fermentu aktivitātes regulācijas problēma ir svarīga vispārējās organisma funkciju vadības problēmas sastāvdaļa. Vispār jebkura funkcionējoša sistēma — sākot ar cilvēku kopienu un valsti un, protams, ar dzīvu organismu — var stabili funkcionēt tikai tad, ja tā tiek vadīta, t. i., ja darbojas uzticamas regulācijas sistēmas. Ja vadības nav, sistēma pārstāj funkcionēt.

Viena no šādām galvenajām sistēmām ir vadība caur atbilstošām fermentu sistēmām.

Fermentu sistēmu regulācija var būt lēna un ātra jeb operatīva. Lēnā regulācija (stundas, diennaktis) notiek gēna līmenī un ietver olbaltumvielas (fermenta) sintēzes indukciju (pastiprināšanu) vai represiju (nomākšanu). Indukcija ir attiecīgā gēna vai gēnu, kas kodē attiecīgās olbaltumvielas (fermentus), aktivēšana; represija — gluži pretēji, to nomākšana.

Lēnā regulācija ir bioloģisko sistēmu adaptācijas pamatā mainīgiem apstākļiem. Par piemēru var kalpot mikroorganismu rezistences veidošanās pret antibiotiku iedarbību, piemēram, pret penicilīnu. Pirmajos šī antibiotika lietošanas gados kokku infekcijas pret to bija ārkārtīgi jutīgas: piemēram, plaušu karsoni izārstēja vienas diennakts laikā. Taču laika gaitā, nekontrolēti plaši lietojot penicilīnu un bieži vien nepietiekamās devās, parādījās mikroorganismu celmi, kas pret to bija rezistenti. Tas notika tādēļ, ka nepietiekamu penicilīna devu ietekmē mikroorganismos tika inducēta (t. i., iedarbināta) fermenta penicilināzes sintēze; šis ferments sašķēla penicilīna molekulu, un antibiotika tika inaktivēta. Kādu brīdi penicilīnu gandrīz izņēma no ražošanas. Vēlāk ķīmiķi sintezēja pēc struktūras pārveidotas antibiotikas. Tās darbojās, bet pēc kāda laika tā paša iemesla dēļ zaudēja aktivitāti; tās izņēma no ražošanas un pārtrauca lietot. Penicilīnu gadījumā tika atrasts cits ceļš — izmantot jau minētā fermenta penicilināzes inhibitoru. Šis inhibitors — klavulānskābe — nomāc penicilināzi. Pagaidām šī pieeja darbojas, tomēr, iespējams, tikai “pagaidām”, jo daba ir ļoti elastīga un polipotenta.

Pie lēnās adaptācijas makroorganisma līmenī pieskaita arī svešu vielu (ksenobiotiku) detoksikācijas (neitralizācijas) procesus, zāļu vielu darbības modificēšanu un inaktivāciju u. tml.

Ātrā jeb operatīvā regulācija (sekundes, minūtes) ir jau esošu fermentu aktivitātes izmaiņas dažādu signālsistēmu ietekmē.

Šūnā parasti darbojas fermentatīvas ķēdes (piemēram, glikolīzē piedalās secīga 12 fermentu ķēde) vai cikli (piemēram, Krebsa cikls). Šajās secīgajās reakcijās viens (parasti pirmais) ferments atšķiras no pārējiem un ir regulatorais. Šāds regulators ferments vienmēr ir olbaltumviela ar kvartēro struktūru (t. i., sastāv no vairākām globulām jeb subvienībām), kurai līdzās aktīvajam centram ir vēl viens centrs — alostēriskais, kas atrodas citā olbaltumvielas subvienībā. Caur to notiek tā dēvētā alostēriskā fermenta aktivitātes regulācija. Tas ir regulatorais centrs. Ar to ar vājām saitēm (ūdeņraža, elektrostatiskām, hidrofobām) atgriezeniski saistās atsevišķi sintezētas signālmolekulas. Pie tām pieder cAMP (cikliskais adenozīnmonofosfāts), cGMP (cikliskais guanozīnmonofosfāts), kalcija joni Ca²⁺, kā arī konkrētā metaboliskā procesa galaprodukti. Regulācija ar metaboliskā procesa galaproduktu līdzdalību ir tā dēvētā negatīvās atgriezeniskās saites regulācija. Piemēram, Krebsa ciklu regulē ATP molekulas, kuru veidošanai šis process ir nepieciešams. ATP pārpalikums bremzē procesu pēc negatīvās atgriezeniskās saites principa, kad galaprodukts inhibē pirmo, regulatoro, fermentu un tādējādi bremzē visu procesu. Tiklīdz ATP koncentrācija samazinās (tā patēriņa dēļ), process atkal aktivējas, jo inhibēšana tiek noņemta.

Vēl viens fermentu aktivitātes regulācijas mehānisms ir fosfātgrupas pievienošana vai atšķelšana (pievienošanu sauc par fosforilēšanu, atšķelšanu — par defosforilēšanu). Šādu procesu sauc par fermenta kovalentu modifikāciju. Piemēram, aknās atrodas ferments glikogēnfosforilāze B (no angļu val. basic — bāzes, neaktīva), kam stresa brīdī jāšķeļ glikogēns (glikozes rezerve), intensīvi izdalot glikozi asinīs; tomēr miera stāvoklī šis ferments ir neaktīvs. Stresa laikā, kad asinīs izdalās adrenalīns, šim fermentam cita fermenta (kināzes) ietekmē ātri pievienojas fosforskābes atlikums no ATP molekulas (Mg²⁺ klātbūtnē), un glikogēnfosforilāze B pāriet aktīvā formā — glikogēnfosforilāzē A (no angļu val. activ — aktīva), kas ar lielu ātrumu atšķeļ no glikogēna glikozi. Glikoze pēc tam nonāk asinīs un, piemēram, to uzņem muskuļi aktīvam darbam (aizsardzībai vai bēgšanai no draudiem). Kad stress pāriet (bīstamība ir garām), adrenalīns tiek inaktivēts un aktivējas ferments fosfatāze, kas atšķeļ no glikogēnfosforilāzes A fosfātgrupu, un ferments atgriežas sākotnējā neaktīvajā stāvoklī (glikogēnfosforilāze B).

Fosfātgrupas pievienošana un atšķelšana ir kovalentas saites veidošana, tādēļ šādu regulācijas procesu sauc par “fermenta kovalentu modifikāciju”. Glikogēnfosforilāzes B aktivācijā (pārejā uz A formu) un inaktivācijā (atgriešanās B formā) piedalās divi papildu fermenti (kināze un fosfatāze), kurus vada sekundārais starpnieks — cAMP, kas veidojas, adrenalīnam saistoties ar savu receptoru uz šūnas membrānas virsmas. Tātad notiek alostēriskās regulācijas un fermentu kovalentās modifikācijas kombinācija (kināžu un fosforilāžu ietekmē). Šādu mehānismu sauc vienkārši par “kaskādisku” jeb “signāla kaskādisku pastiprināšanu”. Tas ir ļoti efektīvs un dod spēcīgu atbildes reakciju pat uz vāju signālu. Piemēram, viena adrenalīna molekula stresa laikā stimulē 2 miljonu glikozes molekulu izdalīšanos asinīs sekundē.

Fosforilēšana un defosforilēšana ir svarīgi šūnā notiekošo reakciju regulācijas mehānismi, un īpaši aktīvi tie norisinās šūnas kodolā. Tie ir svarīgi daudzu hormonu darbības realizācijai, piemēram, insulīna, augšanas hormona u. c.