Бета-каротин помогает ферментам сохранять активность при высокой нагрузке

Подготовка измерительного устройства в лаборатории. Автор: Магдалена Йосс

Ферменты играют ключевую роль в метаболизме и обеспечивают бесчисленные биологические процессы у людей, растений и в промышленности. Однако при перегрузке субстратом некоторые ферменты замедляют свою работу — это явление известно как субстратное ингибирование. Оно может снижать эффективность лекарств и промышленных процессов.

Исследователи из Технического университета Мюнхена (TUM) изучили этот механизм и обнаружили, что бета-каротин может помочь противодействовать ему. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Ферменты помогают стирать одежду, способствуют пищеварению и заставляют хлеб подниматься. Обычно чем больше работы им дают, тем активнее они становятся. Но около 20% известных ферментов ведут себя иначе: при перегрузке молекулами они замедляются или полностью прекращают работу.

До сих пор субстратное ингибирование было плохо изучено. Учёные считают, что оно служит регуляторным механизмом внутри клеток, но иногда даёт сбои.

«Лабораторные эксперименты с некоторыми лекарствами показывают, что субстратное ингибирование может влиять на действие препаратов, — объясняет Вильфрид Шваб, профессор биотехнологии природных соединений в TUM. — При слишком высокой концентрации лекарства реакция может замедляться».

Тот же принцип может снижать эффективность в пищевой промышленности и при производстве моющих средств.

Растительный фермент для самозащиты

Вильфрид Шваб и его команда впервые продемонстрировали, что порядок связывания молекул с ферментом может определять, произойдёт ли субстратное ингибирование. Учёные исследовали фермент табачного растения, который помогает преобразовывать фенолы (соединения с защитными свойствами) в форму, способную защитить растение от хищников или патогенов.

Фермент связывается как с молекулами сахара, так и с фенолами. Исследователи заметили, что если сахар связывается первым, а затем фенол, фермент работает нормально. Но если фенол связывается первым слишком часто, активность фермента подавляется. Чем больше фенолов присутствует, тем чаще происходит этот ингибирующий процесс, что в итоге останавливает защитную реакцию растения.

Конкурирующая молекула снижает нагрузку

Команда также сделала второе открытие: бета-каротин может смягчать это ингибирование и восстанавливать активность фермента. Он конкурирует с фенолами за те же участки связывания на ферменте, предотвращая чрезмерное присоединение фенолов и последующее отключение фермента.

«Эта идея основывалась на более ранних исследованиях, предполагавших, что бета-каротин может влиять на субстратное ингибирование. Однако мы были удивлены, обнаружив, что он действительно способен его уменьшать», — говорит Шваб.

Но означает ли это, что бета-каротин может решить проблему повсеместно?

«Бета-каротин — не волшебная таблетка, — предупреждает Шваб. — Как и во многих системах, баланс является ключом к правильной работе ферментов. Но наше открытие открывает новые направления для исследований и в конечном итоге может помочь улучшить процессы в самых разных областях».

Дополнительная информация: Jieren Liao et al, β-Carotene alleviates substrate inhibition caused by asymmetric cooperativity, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-58259-7

Источник: Технический университет Мюнхена