И активаторы, повышающие ферментативную активность. Ингибиторы способны взаимодействовать с ферментами с разной степенью прочности. На основании этого различают обратимое и необратимое ингибирование. Обратимые ингибиторы связываются с ферментами слабыми нековалентными связями и при определенных условиях легко отделяются от фермента, действуют кратковременно. Обратимые ингибиторы делятся на конкурентные и неконкурентные.
Конкурентные ингибиторы имеют структурное сходство с субстратом, в результате чего возникает конкуренция молекул субстрата и ингибитора за связывание с активным центром фермента. В этом случае с активным центром взаимодействует либо субстрат, либо ингибитор, образуя комплексы фермент-субстрат (ЕS) или фермент-ингибитор (ЕI). При формировании ЕI комплекса продукт реакции не образуется. Активность фермента может быть восстановлена при повышении концентрации субстрата. Многие лекарственные препа-раты действуют как конкурентные ингибиторы. Например, сульфаниламиды , обладающие бактериостатическим действием, являются аналогами пара-аминобензойной кислоты , которую бактерии используют для синтеза фолиевой кислоты (необходимой для синтеза нуклеотидов и деления клеток).
Неконкурентные ингибиторы не похожи на субстрат, поэтому взаимодействуют с ферментом в участке, отличном от активного центра.
Необратимые ингибиторы образуют прочные ковалентные связи с ферментом, при этом чаще модификации подвергается активный центр фермента. В результате фермент не может выполнять свою каталитическую функцию. Например, фосфорорганические соединения ковалентно связывают ОН-группу серина , находящуюся в активном центре и играющую ключевую роль в процессе катализа . Такие ингибиторы, если используются как лекарства, действуют длительно (сутки, недели). Восстановление ферментативной активности может быть связано с синтезом новых молекул фермента.
Большинство ферментативных процессов в клетке протекают не в одну стадию, а представляют собой совокупность ферментативных реакций, объединенных в ферментативные цепи (метаболические пути), которые могут быть линейными (гликолиз), разветвленными, циклическими (цикл Кребса). Чтобы воздействовать на скорость метаболического пути, достаточно регулировать количество или активность ферментов. В метаболических путях нет надобности регулировать активность всех ферментов, обычно регулируется активность ключевых ферментов, которые определяют скорость метаболического процесса в целом.
Ключевыми ферментами являются:
· ферменты начала метаболического пути (первый фермент),
· ферменты, катализирующие скорость-лимитирующие (самые медленные) реакции,
· ферменты, находящиеся в месте разветвления метаболических путей.
Регуляция скорости ферментативных реакций может осуществляться путем:
· изменения количества молекул фермента,
· доступностью молекул субстрата и кофермента ,
· регуляции каталитической активности молекул отдельных ферментов.
Регуляция количества молекул фермента в клетке может осуществляться путем изменения скорости его синтеза (индукция - увеличение скорости синтеза, репрессия - торможение) или путем изменения скорости его распада.
Важный параметр, контролирующий протекание метаболического пути, - наличие субстратов, главным образом - первого, чем больше его концентрация, тем выше скорость метаболического пути.
Регуляция каталитической активности отдельных ферментов . Основными способами регуляции являются: аллостерический и изостерический механизмы, регуляция с помощью белок-белковых взаимодействий, путем химической модификации, ограниченного (частичного) протеолиза.
Изостерическиймеханизм . В этом случае регулятор воздействует непосредственно на активный центр фермента. По такому механизму действуют конкурентные ингибиторы, некоторые металлы.
Аллостеричесий механизм. Многие ферменты помимо активного центра имеют еще и аллостерический центр, пространственно удаленный от активного центра. Аллостерические ферменты обычно являются олигомерными белками, состоящими из нескольких субъединиц. К аллостерическому центру нековалентно присоединяются эффекторы. В их роли могут выступать субстраты, конечные продукты метаболического пути, коферменты, макроэрги (причем АТФ и АДФ действуют как антагонисты: АТФ активирует процессы анаболизма и ингибирует катаболизм, АДФ - наоборот).
Аллостерических центров у фермента может быть несколько. Аллостерические ферменты обладают свойством положительной и отрицательной кооперативности. Взаимодействие эффектора с аллостерическим центром вызывает последовательное кооперативное изменение конформации всех субъединиц, приводящее к изменению формы активного центра, что снижает или увеличивает сродство к субстрату, а значит, соответственно, уменьшает или увеличивает каталитическую активность фермента.
Внутримолекулярное взаимодействие белок - белок (только для олигомерных ферментов) с изменением олигомерности. ПротеинкиназаА - фермент, который фосфорилирует белки за счет АТФ, состоит из 4 субъединиц двух типов: двух субъединиц регуляторных и двух каталитических. Такой тетрамер не обладает каталитической активностью. При диссоциации тетрамерного комплекса освобождаются две каталитические субъединицы и фермент становится активным. Такой механизм регуляции обратим. Ассоциация регуляторных и каталитических субъединиц протенкиназы А вновь приводит к образованию неактивного комплекса.
химической модификации. Это наиболее часто встречаемый механизм регуляции активности ферментов путем ковалентной модифи-кации аминокислотных остатков. При этом модификации подвергаются ОН-группы фермента. Фосфорилирование осуществляется ферментами протеинкиназами за счет АТФ. Присоединение остатка фосфорной кислоты приводит к изменению каталитической активности, при этом результат может быть двояким: одни ферменты при фосфорилировании активируются, другие - становятся менее активными. Изменение активности путем фосфорилирования обратимо. Отщепление остатка фосфорной кислоты осуществляется протенфосфатазами.
Регуляция активности ферментов путем ограниченного протеолиза . Некоторые ферменты синтезируются в виде неактивных предшественников - проферментов и активируются в результате гидролиза одной или нескольких определенных пептидных связей, что приводит к отщеплению части белковой молекулы профермента. В результате в оставшейся части белковой молекулы происходит конформационная перестройка и формируется активный центр и фермент становится активным. Отщепление пептида от белков-предшественников катализируют ферменты пептидазы.
При этом активность фермента изменяется необратимо. Ограниченный протеолиз лежит в основе активации протеолитических ферментов ЖКТ, белков свертывающей системы крови и системы фибринолиза, а также белково-пептидных гормонов. Например, трипсиноген, синтезируемый в поджелудочной железе, поступает в кишечник, где на него действует фермент энтеропептидаза. В результате происходит ограниченный протеолиз с отщеплением гексапептида. При этом в оставшейся части молекулы формируется активный центр и образуется активный трипсин.
Способность к регуляции делает ферменты важными участниками и своеобразными организаторами клеточных процессов в организме человека. Регуляция скорости ферментативных реакций в клетке - основной механизм не только контроля и координации метаболических путей, но и роста и развития клетки, а также ее ответа на изменение окружающей среды.
Существует два основных способа контроля скорости ферментативных реакций:
- Контроль количества фермента.
Количество фермента в клетке определяется соотношением скоростей его синтеза и распада. Этот способ регуляция скорости ферментативной реакции является более медленным процессом (проявляется спустя несколько часов), чем регуляция активности фермента (практически мгновенный ответ).
- Контроль активности фермента.
Активность фермента может регулироваться путем взаимодействия с определенными веществами, изменяющими конформацию активного центра.
Некоторые способы регуляции активности ферментов представлены на рисунке 10.
Регуляция субстратом реакции
Регуляция ферментативной активности, осуществляемая в центре присоединения субстрата, носит название изостерической.
Одним из относительно простых способов регуляции активности ферментов является регуляция с помощью изменения концентрации субстратов реакции. Чем больше в распоряжении фермента имеется молекул веществ, превращения которых он осуществляет, тем выше (до определенных пределов) скорость процесса. При насыщении всех молекул фермента субстратом скорость реакции достигает максимального уровня. В дальнейшем скорость реакции может понизиться по мере исчерпания запасов субстрата и вновь возрасти при их восстановлении.
Слишком большая концентрация субстрата также может понижать скорость ферментативной реакции. Этот феномен носит название субстратного торможения .
В качестве примера субстратного торможения можно привести фермент, расщепляющий биологически активное вещество ацетилхолин - ацетилхолинэстеразу (АХЭ). К активному центру АХЭ субстрат (ацетилхолин) присоединяется двумя концами молекулы одновременно. При увеличении концентрации ацетилхолина с одной молекулой фермента могут одновременно реагировать две молекулы субстрата, но разными концами. В этом случае реакция, суть которой заключается в разрыве сложноэфирной связи в середине молекулы ацетилхолина (с образованием холина и уксусной кислоты), оказывается невозможной, и молекулы ацетилхолинэстеразы, нагруженные субстратом, оказываются тем не менее лишенными активности.
Уменьшение концентрации ацетилхолина в среде приведет к диссоциации неактивного комплекса и снимет торможение. Этот механизм имеет важное физиологическое значение для регуляции концентрации ацетилхолина, который выполняет в нервной системе и мышцах роль медиатора, передающего возбуждение с одной клетки на другую.
Аллостерическая регуляция . Фермент изменяет активность с помощью нековалентно связанного с ним эффектора. Связывание происходит в участке, пространственно удаленном от активного (каталитического) центра (allos - иной). Это связывание вызывает конформационные изменения в молекуле белка, приводящие к изменению определенной геометрии каталитического центра. Активность может увеличиться - это активация фермента, или уменьшиться - это ингибирование.
«Сообщение» о присоединении аллостерического активатора передается посредством конформационных изменений каталитической субъединице, которая становится комплементарной субстрату, и фермент «включается». При удалении активатора фермент вновь переходит в неактивную форму и «выключается». Аллостерическая регуляция является основным способом регуляции метаболических путей.
Метаболические цепи
Обычно ферментативные реакции в клетке организованы в метаболические цепи или циклы, где самая медленная стадия лимитирует скорость всей цепи, то есть последовательности реакций, объединяемых общими субстратами (рис.9).
В таких цепях нередко наблюдается так называемая регуляция по типу обратной связи. Она служит для того, чтобы скорректировать работу цепи с потребностями клетки в конечном продукте. Принцип регуляции заключается в том, что ферменты, стоящие в начале цепи, ингибируются отдаленными метаболитами или конечными продуктами.
Такая регуляция чаще всего происходит по аллостерическому типу, когда молекула регулятора связывается с ферментом в специальном регуляторном центре. Аллостерические ферменты часто выполняют ключевую роль в регуляции обмена веществ, поскольку обладают способностью определять количество важных метаболитов и изменять в соответствии с этим свою активность.
В каждой метаболической цепи есть фермент, который задает скорость всей цепочке реакций. Он называется регуляторным ферментом.
Ферменты, регулирующие скорость метаболических путей:
Обычно действуют на ранних стадиях метаболических путей, в местах ключевых разветвлений метаболических путей;
Катализируют в условиях клетки практически необратимые реакции, протекающие наиболее медленно (ключевые).
Химическая модификация молекул ферментов (рис.10)
Химическая модификация белков осуществляется за счет присоединения к аминокислотным остаткам в молекуле белка определенных групп: фосфатной группы (при участии протеинкиназ), остатка жирной кислоты (с помощью ацилтрансфераз), углеводных компонентов (гликозил-трансферазы, гликозидазы).
Белки, как правило, имеют лабильную структуру, упаковка которой сильно зависит от свойств химических групп, входящих в состав молекулы. Поэтому присоединение к молекуле белка дополнительных группировок существенно влияет на структуру, а следовательно, и на ферментативную активность молекулы. Такая регуляция носит приспособительный (адаптационный) характер.
Пример. Регуляция активности ферментов путем фосфорилирования-дефосфорилирования . Фермент изменяет активность в результате ковалентной модификации. `
В этом случае фосфатная группа - ОРО 3 2- присоединяется к гидроксильным группам в остатках серина, треонина или тирозина. В зависимости от природы фермента фосфорилирование может его активировать или, наоборот, инактивировать. Реакция присоединения фосфатной группы и ее отщепление катализируют специальные ферменты - протеинкиназы и протеинфосфатазы.
Фосфорилирование - распространенный способ изменить свойства некоторых клеточных белков. Так, при фосфорилировании компонентов цитоскелета (комплекса структурных белков, обеспечивающих поддержание прочности и функционирования клетки) изменяются прочность его взаимодействия с мембраной и форма клеток. Фосфорилирование белков - регуляторов сокращения активирует сократительную реакцию мышцы.
Регуляция с помощью химической модификации белка приводит к долговременным последствиям: модифицированные молекулы сохраняют свои функции измененными до тех пор, пока специальные ферменты не отщепят модифицирующую белок химическую группу и не вернут его в исходное состояние.
Регуляция путем белок-белковых взаимодействий (ассоциации-диссоциации субъединиц в олигомерном ферменте) . (рис.10) Например, фермент протеинкиназа в неактивной форме построена как тетрамер R 2 C 2 (R и С - разные субъединицы). Активная протеинкиназа представляет собой субъединицу С, для освобождения которой необходима диссоциация комплекса. Активация фермента происходит при участии цAMP, который способен присоединиться к субъединице R, после чего изменяется конформация, комплементарность субъединиц R и С и происходит диссоциация комплекса: R 2 C 2 + 2cАМР 2С + 2(R -цАМР)
Протеинкиназа фосфорилирует соответствующие ферменты, изменяет их активность и, следовательно, скорость метаболизма в клетке.
Активация ферментов путем частичного протеолиза
Чачтичный протеолиз-разрушение белковой структкры до аминокислотных остатков,для того.чтобы слизистая пожелудочной не разрушилась от трипсина
Некоторые ферменты синтезируются первоначально неактивными и лишь после секреции из клетки переходят в активную форму. Неактивный предшественник называется проферментом. Активация профермента включает модификацию первичной структуры с одновременным изменением конформации. Например, трипсиноген, синтезированный в поджелудочной железе, затем в кишечнике превращается в трипсин путем удаления фрагмента с N-конца гексапептида. Расщепление определенных пептидных связей «запускает» новые взаимодействия R-групп по всей молекуле, приводя к новой конформации, в которой R-группы активного центра занимают оптимальное положение для катализа (рис.10).
Роль липидного окружения.
Изменение вязкости микроокружения белковых молекул управляет взаимодействием между белками в олигомерных комплексах и регулирует активность мембраносвязанных ферментов.. Этот тип регуляции, который обнаружен в случае многих мембранных белков, обеспечивает тонкую настройку их работы на сиюминутные потребности клетки.
Регуляция каталитической активности ферментов. Бывает:
1). Неспецифическая регуляция . В связи с лабильностью всех ферментов, их каталитическая активность зависит от температуры, рН и давления.
2). Специфическая регуляция . Под действием специфических активаторов и ингибиторов изменяется активность регуляторных ферментов, которые контролируют интенсивность метаболических процессов в организме.
Механизмы специфической регуляции каталитической активности ферментов:
1). Аллостерическая регуляция;
2). Регуляция с помощью белок-белковых взаимодействий;
3). Регуляция через ковалентную модификацию.
а). Регуляция путем фосфорилирования/дефосфорилирования фермента;
б). Регуляция частичным протеолизом.
1). Аллостерическая регуляция каталитической активности ферментов
Аллостерическими ферментами называют ферменты, активность которых регулируется обратимым нековалентным присоединением модулятора (активатора и ингибитора) к аллостерическому центру. Ингибиторами аллостерических ферментов часто являются конечные продукты метаболических путей, активаторами – их начальные субстраты.
Активирование происходит по принципу прямой положительной связи, а ингибирование - по принципу отрицательной обратной связи.
Аллостерические ферменты играют важную роль в регуляции т.к. чрезвычайно быстро реагируют на изменения среды.
Например, конечный продукт катаболизма глюкозы АТФ ингибирует аллостерически ферменты гликолиза фосфофруктокиназу и пируваткиназу. Накапливаемая в гликолизе фруктоза-1,6-ф активирует пируваткиназу, что ускоряет реакции гликолиза.
2). Регуляция каталитической активности ферментов с помощью белок-белковых взаимодействий . Выделяют 2 механизма:
а). Активация ферментов в результате присоединения регуляторных белков. Например, аденилатциклаза (Ац), которая катализирует превращение АТФ в цАМФ, активируется присоединением α-субъединицы G -белка. Этот механизм регуляции обратим.
б). Регуляция каталитической активности ферментов ассоциацией/диссоциацией протомеров. Например, протеинкиназа А, активируется при диссоциации ее тетрамера на 4 субъединицы и инактивируется при обратном соединении 4 субъединиц в тетрамер.
3). Регуляция каталитической активности ферментов путем их ковалентной модификации. Регуляция активности фермента осуществляется в результате ковалентного присоединения или отщепления от него фрагмента.Она бывает 2 видов:
а). путем фосфорилирования и дефосфорилирования ферментов;
б). путем их частичного протеолиза.
а). Регуляция каталитической активности ферментов путем их фосфорилирования и дефосфорилирования . Фосфорилирование осуществляется протеинкиназами (ПК) по ОН-группе серина, треонина или тирозина регуляторный белков и ферментов. Дефосфорилирование в этих же положениях осуществляется фосфопротеинфосфатазами (ФПФ).
Введение отрицательно заряженной фосфорной группы приводит к обратимому изменению конформации и активности фермента.
Например, под действием глюкагона и адреналина в клетках печени происходит фосфорилирование ключевых ферментов гликогенеза (гликогенсинтаза) и гликогенолиза (гликогенфосфорилаза), при этом распад гликогена активируется, а синтез ингибируется.
Инсулин наоборот вызывает в клетках печени дефосфорилирование тех же ключевых ферментов, в результате синтез гликогена активируется, а распад ингибируется.
б). Регуляция каталитической активности ферментов путем их частичного протеолиза . При участии активаторов и протеолитических ферментов происходит отщепление части молекулы фермента и его необратимая активация. Такой фермент функционирует короткий период, а затем разрушается. Подобная схема активации характерна для внеклеточных ферментов ЖКТ (пепсин, трипсин, химотрипсин и др.) и ферментов свертывающей и противосвертывающей системы крови (тромбин, фибрин, плазмин др.).Например, трипсиноген, синтезируемый в поджелудочной железе, поступает в двенадцатиперстную кишку, где энтеропептидаза кишечника отщепляет у него с N -конца гексапептид. В результате в оставшейся части молекулы фермента формируется активный центр.
Организм очень сложная система, и все процессы в нём в норме взаимосвязаны, без лишних реакций и напрасных затрат. Но т.к. организм не закрытая система, и постоянно испытывает воздействия извне, нужны механизмы регуляции, которые бы приспосабливали его к этим изменениям.
Поскольку всеми процессами в нашем организме управляют ферменты (гормоны действуют через фермент), то при изменении условий для соответствия процессов этим условиям будет меняться активность и количество ферментов.
1 уровень. Изменения активности при изменении температуры, кол-ва субстрата, рН среды, т.к. в этих условиях меняется подвижность молекулы, ионизация функциональных групп, а следовательно, и активность фермента.
2 уровень. Влияния активаторов и ингибиторов на работу фермента (его количество не меняется, меняется конформация) через аллостерич. и иногда активный центр.
3 уровень. Индукция и репрессия синтеза Е, т.е. меняется его количество.
4 уровень – организменный (нейрорегуляция). Происходит регуляция синтеза ферментов, участвующих в процессах нормализации гомеостаза. 4.1. гормональная – одни гормоны влияют на выделение других (релизинг-факторы: статины, либерины, а затем - тропные гормоны). 4.2. регуляция продукции гормона по типу обратной связи (почти всегда по отрицательной). 4.3. регуляция с участием структур ЦНС. 4.4. саморегуляция, зависит от параметров гомеостаза.(околощитовидная железа при
снижении Са в крови увеличивает продукцию паратгормона).
Регуляции активности ферментов .
1. Частичный протеолиз - активатор
Из неактивного фермента
образуется активный. пептид
Это обеспечивает появление
активного фермента в нужный момент
и в нужном месте (пищеварительные ферменты; ферменты, участвующие в свёртывании крови).
2. Белок – белковые C R
Взаимодействия в виде C R +4сАМР 2 R 4сАМР + 2 С
присоединения или
отщепления регуляторных неактивн. ПК активная
субъединиц или регуляторов. Происходит связывание с АМР с регуляторн.
субъединицей (R) и тем самым освобождение
каталитической субъединицы, осуществляющей
фосфорилирование белков.
3. Фосфорилирование и
Дефосфорилирование – АТР АДР
основной механизм протеинкиназа
Контроля скорости белок ФП
Протеинфосфатаза
Введение «-» заряженной фосфорной группы приводит к обратимым изменениям конформации, и к изменению активности фермента (гликогенсинтаза, тканевая липаза).
4. Аллостерическая:
*активатор взаимодействует
с аллостерич. центром à
изменяется конформ.à
Улучшение связывания S с Е
и скоростьреакции. фосфофруктокиназа инибируется АТФ
* Ингитор взаимодействует изоцитратДГ игибируется АТФ,
с Е происходит ингибирование +
реакциив результате НАДН Н
Биологическая химия Лелевич Владимир Валерьянович
Глава 4. Регуляция активности ферментов. Медицинская энзимология
Способы регуляции активности ферментов:
1. Изменение количества ферментов.
2. Изменение каталитической эффективности фермента.
3. Изменение условий протекания реакции.
Регуляция количества ферментов
Количество молекул фермента в клетке определяется соотношением двух процессов – скоростями синтеза и распада белковой молекулы фермента.
В клетках существуют два типа ферментов:
1. Конститутивные ферменты – являются обязательными компонентами клетки, синтезируются с постоянной скоростью в постоянных количествах.
2. Адаптивные ферменты – их образование зависит от определенных условий. Среди них выделяют индуцируемые и репрессируемые ферменты.
Индуцируемыми, как правило, являются ферменты с катаболической функцией. Их образование может быть вызвано или ускорено субстратом данного фермента. Репрессируемыми обычно бывают ферменты анаболической направленности. Ингибитором (репрессором) синтеза этих ферментов может быть конечный продукт данной ферментативной реакции.
Изменение каталитической эффективности ферментов
Этот тип регуляции может осуществляться по нескольким механизмам.
Влияние активаторов и ингибиторов на активность ферментов
Активаторы разными путями могут повышать ферментативную активность:
1. формируют активный центр фермента;
2. облегчают образование фермент-субстратного комплекса;
3. стабилизируют нативную структуру фермента;
4. защищают функциональные группы активного центра.
Классификация ингибиторов ферментов:
1. Неспецифические.
2. Специфические:
Необратимые
Обратимые:
§ конкурентные
§ неконкурентные.
Неспецифические ингибиторы вызывают денатурацию молекулы фермента – это кислоты, щелочи, соли тяжелых металлов. Их действие не связано с механизмом ферментативного катализа.
Необратимое ингибирование
Необратимое ингибирование наблюдают в случае образования ковалентных стабильных связей между молекулой ингибитора и фермента. Чаще всего модификации подвергается активный центр фермента. В результате фермент не может выполнять каталитическую функцию.
К необратимым ингибиторам относят ионы тяжёлых металлов, например ртути (Hg 2+), серебра (Ag +) и мышьяка (As 3+), которые в малых концентрациях блокируют сульфгидрильные группы активного центра. Субстрат при этом не может подвергаться химическому превращению.
Диизопропилфторфосфат (ДФФ) специфически реагирует лишь с одним из многих остатков серина в активном центре фермента. Остаток Сер, способный реагировать с ДФФ, имеет идентичное или очень сходное аминокислотное окружение. Высокая реакционная способность этого остатка по сравнению с другими остатками Сер обусловлена аминокислотными остатками, также входящими в активный центр ферментов.
ДФФ относят к специфическим необратимым ингибитором «сериновых» ферментов, так как он образует ковалентную связь с гидроксильной группой серина, находящегося в активном центре и играющего ключевую роль в процессе катализа.
Монойодуксусная кислота, п-хлормеркурибензоат легко вступают в реакции с SH-группами остатков цистеина белков. Эти ингибиторы не относят к специфичным, так как они реагируют с любыми свободными SH-группами белков и называются неспецифическими ингибиторами. Если SH-группы принимают участие непосредственно в катализе, то с помощью этих ингибиторов представляется возможным выявление роли SH-групп фермента в катализе.
Необратимые ингибиторы ферментов как лекарственные препараты
Пример лекарственного препарата, действие которого основано на необратимом ингибировании ферментов, - широко используемый препарат аспирин. Противовоспалительный нестероидный препарат аспирин обеспечивает фармакологическое действие за счёт ингибирования фермента циклооксигеназы, катализирующего реакцию образования простагландинов из арахидоновой кислоты. В результате химической реакции ацетильный остаток аспирина присоединяется к свободной концевой ОН-группе серина циклооксигеназы.
Это вызывает снижение образования продуктов реакции простагландинов, которые обладают широким спектром биологических функций, в том числе являются медиаторами воспаления.
Обратимое ингибирование
Обратимые ингибиторы связываются с ферментом слабыми нековалентными связями и при определённых условиях легко отделяются от фермента. Обратимые ингибиторы бывают конкурентными и неконкурентными.
Конкурентное ингибирование
К конкурентному ингибированию относят обратимое снижение скорости ферментативной реакции, вызванное ингибитором, связывающимся с активным центром фермента и препятствующим образованию фермент-субстратного комплекса. Такой тип ингибирования наблюдают, когда ингибитор – структурный аналог субстрата, в результате возникает конкуренция молекул субстрата и ингибитора за место в активном центре фермента. В этом случае с ферментом взаимодействует либо субстрат, либо ингибитор, образуя комплексы фермент-субстрат (ES) или фермент-ингибитор (EI). При формировании комплекса фермента и ингибитора (EI) продукт реакции не образуется.
Классический пример конкурентного ингибирования – ингибирование сукцинатдегидрогеназной реакции малоновой кислотой. Малоновая кислота – структурный аналог сукцината (наличие двух карбоксильных групп) и может также взаимодействовать с активным центром сукцинатдегидрогеназы. Однако отщепление двух атомов водорода от малоновой кислоты невозможно; следовательно, скорость реакции снижается.
Лекарственные препараты как конкурентные ингибиторы
Многие лекарственные препараты оказывают своё терапевтическое действие по механизму конкурентного ингибирования. Например, четвертичные аммониевые основания ингибируют ацетилхолинэстеразу, катализирующую реакцию гидролиза ацетилхолина на холин и уксусную кислоту.
При добавлении ингибиторов активность ацетилхолинэстеразы уменьшается, концентрация ацетилхолина (субстрата) увеличивается, что сопровождается усилением проведения нервного импульса. Ингибиторы холинэстеразы используют при лечении мышечных дистрофий. Эффективные антихолинэстеразные препараты – прозерин, эндрофоний и др.
Антиметаболиты как лекарственные препараты
В качестве ингибиторов ферментов по конкурентному механизму в медицинской практике используют вещества, называемые антиметаболитами. Эти соединения, будучи структурными аналогами природных субстратов, вызывают конкурентное ингибирование ферментов, с одной стороны, и, с другой – могут использоваться этими же ферментами в качестве псевдосубстратов, что приводит к синтезу аномальных продуктов. Аномальные продукты не обладают функциональной активностью; в результате наблюдают снижение скорости определённых метаболических путей.
В качестве лекарственных препаратов используют следующие антиметаболиты: сульфаниламидные препараты (аналоги пара-аминобензойной кислоты), применяемые для лечения инфекционных заболеваний, аналоги нуклеотидов для лечения онкологических заболеваний.
Неконкурентное ингибирование
Неконкурентным называют такое ингибирование ферментативной реакции, при котором ингибитор взаимодействует с ферментом в участке, отличном от активного центра. Неконкурентные ингибиторы не являются структурными аналогами субстрата.
Неконкурентный ингибитор может связываться либо с ферментом, либо с фермент-субстратным комплексом, образуя неактивный комплекс. Присоединение неконкурентного ингибитора вызывает изменение конформации молекулы фермента таким образом, что нарушается взаимодействие субстрата с активным центром фермента, что приводит к снижению скорости ферментативной реакции.
Аллостерическая регуляция
Аллостерическими ферментами называют ферменты, активность которых регулируется не только количеством молекул субстрата, но и другими веществами, называемыми эффекторами. Участвующие в аллостерической регуляции эффекторы – клеточные метаболиты часто именно того пути, регуляцию которого они осуществляют.
Роль аллостерических ферментов в метаболизме клетки. Аллостерические ферменты играют важную роль в метаболизме, так как они чрезвычайно быстро реагируют на малейшие изменения внутреннего состояния клетки.
Аллостерическая регуляция имеет большое значение в следующих ситуациях:
1. при анаболических процессах. Ингибирование конечным продуктом метаболического пути и активация начальными метаболитами позволяют осуществлять регуляцию синтеза этих соединений;
2. при катаболических процессах. В случае накопления АТФ в клетке происходит ингибирование метаболических путей, обеспечивающих синтез энергии. Субстраты при этом расходуются на реакции запасания резервных питательных веществ;
3. для координации анаболических и катаболических путей. АТФ и АДФ – аллостерические эффекторы, действующие как антагонисты;
4. для координации параллельно протекающих и взаимосвязанных метаболических путей (например, синтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, используемых для синтеза нуклеиновых кислот). Таким образом, конечные продукты одного метаболического пути могут быть аллостерическими эффекторами другого метаболического пути.
Особенности строения и функционирования аллостерических ферментов:
1. обычно это олигомерные белки, состоящие из нескольких протомеров или имеющие доменное строение;
2. они имеют аллостерический центр, пространственно удалённый от каталитического активного центра;
3. эффекторы присоединяются к ферменту нековалентно в аллостерических (регуляторных) центрах;
4. аллостерические центры, так же, как и каталитические, могут проявлять различную специфичность по отношению к лигандам: она может быть абсолютной и групповой.
Некоторые ферменты имеют несколько аллостерических центров, одни из которых специфичны к активаторам, другие – к ингибиторам;
1. протомер, на котором находится аллостерический центр, - регуляторный протомер, в отличие от каталитического протомера, содержащего активный центр, в котором проходит химическая реакция;
2. аллостерические ферменты обладают свойством кооперативности: взаимодействие аллостерического эффектора с аллостерическим центром вызывает последовательное кооперативное изменение конформации всех субъединиц, приводящее к изменению конформации активного центра и изменению сродства фермента к субстрату, что снижает или увеличивает каталитическую активность фермента;
3. регуляция аллостерических ферментов обратима: отсоединение эффектора от регуляторной субъединицы восстанавливает исходную каталитическую активность фермента;
4. аллостерические ферменты катализируют ключевые реакции данного метаболического пути.
Регуляция каталитической активности ферментов белок-белковыми взаимодействиями.
Некоторые ферменты изменяют свою каталитическую активность в результате белок-белковых взаимодействий.
Различают 2 механизма активации ферментов с помощью белок-белковых взаимодействий:
1. активация ферментов в результате присоединения регуляторных белков;
2. изменение каталитической активности ферментов вследствие ассоциации или диссоциации протомеров фермента.
Регуляция каталитической активности ферментов путём фосфорилирования/дефосфорилирования.
В биологических системах часто встречается механизм регуляции активности ферментов с помощью ковалентной модификации аминокислотных остатков. Быстрый и широко распространённый способ химической модификации ферментов – фосфорилирование/дефосфорилирование. Модификации подвергаются ОН-группы фермента. Фосфорилирование осуществляется ферментами протеинкиназами, а дефосфорилирование – фосфопротеинфосфатазами. Присоединение остатка фосфорной кислоты приводит к изменению конформации активного центра и его каталитической активности. При этом результат может быть двояким: одни ферменты при фосфорилировании активируются, другие, напротив, становятся менее активными.
Регуляция каталитической активности ферментов частичным (ограниченным) протеолизом.
Некоторые ферменты, функционирующие вне клеток (в ЖКТ или в плазме крови), синтезируются в виде неактивных предшественников и активируются только в результате гидролиза одной или нескольких определённых пептидных связей, что приводит к отщеплению части белковой молекулы предшественника. В результате в оставшейся части белковой молекулы происходит конформационная перестройка и формируется активный центр фермента (трипсиноген – трипсин).
Ферменты плазмы крови
По происхождению ферменты плазмы крови можно подразделить на 3 группы.
1. Собственные ферменты плазмы крови (секреторные). Они образуются в печени, но проявляют своё действие в крови. К ним относятся ферменты свертывающей системы крови – протромбин, проакцелерин, проконвертин, а также церулоплазмин, холинэстераза.
2. Экскреторные ферменты – попадают в кровь из различных секретов – дуоденального сока, слюны и т.д. К ним относятся амилаза, липаза.
3. Клеточные ферменты – попадают в кровь при повреждениях или разрушениях клеток или тканей.
Таблица 4.1. Органоспецифические ферменты (изоферменты)
Из книги Геном человека: Энциклопедия, написанная четырьмя буквами автора Из книги Геном человека [Энциклопедия, написанная четырьмя буквами] автора Тарантул Вячеслав ЗалмановичОТ ГЕНА И БЕЛКА - К ЛЕЧЕНИЮ (медицинская геномика) Медицина поистине есть самое благородное из всех искусств. Гиппократ Самые худшие болезни - не смертельные, а неизлечимые. Эбнер-Эшенбах Известный русский биолог Н. Тимофеев-Ресовский писал: «В удивительном по своей
Из книги Путешествие в страну микробов автора Бетина ВладимирМикробы - продуценты ферментов Мы уже знаем, что ферменты - это биологические катализаторы, то есть вещества, способствующие осуществлению многих химических реакций, которые-происходят в живой клетке и необходимы для получения питательных веществ и построения ее
Из книги Эмбрионы, гены и эволюция автора Рэфф Рудольф АГлава 7 Генетическая регуляция развития У природы столько дел в этом мире, ей приходится создавать такую массу разнообразнейших творений, что по временам она и сама не в силах разобраться во всех тех различных процессах, которыми она одновременно занимается. Уилки
Из книги Проблемы лечебного голодания. Клинико-экспериментальные исследования [все четыре части!] автора Анохин Петр КузьмичИзменение активности некоторых Ферментов крови и печени крыс при экспериментальном голодании А. А. ПОКРОВСКИЙ, Г. К. ПЯТНИЦКАЯ (Москва) Проблема влияния голодания на разные показатели обменных процессов в организме животных и человека продолжает привлекать внимание
Из книги Гены и развитие организма автора Нейфах Александр АлександровичГлава XIII Регуляция экспрессии генов О проблеме регуляции экспрессии генов мы в этой книге говорим фактически во всех главах, рассматривая ее с разных сторон. Существует такое, может быть несколько одностороннее, определение развития: «Понять развитие - это значит
Из книги Мы бессмертны! Научные доказательства Души автора Мухин Юрий ИгнатьевичМедицинская статистика Нет, борьба с курением похвальна, поскольку народ раньше ничего такого за табаком не подозревал, а теперь узнал, что «капля никотина убивает лошадь». Умнее стал, спасибо медицине. Правда, ученый мир забывал сообщить человечеству, что человека может
Из книги Интим. Разговоры не только о любви автора Вишневский ЯнушГлава I. КАК ЭТО ДЕЛАЕТ ОН, А КАК ОНА? О сексуальной активности поляков ЯЛВ: Я хочу, чтобы ты, как социолог и сексолог, сказал мне, а может, даже поставил диагноз: что, собственно, происходит в спальнях у поляков? И даже не обязательно в спальнях, ведь есть и такие, кто не прочь
Из книги Генетика человека с основами общей генетики [Руководство для самоподготовки] автораТема 10. Медицинская генетика Между человеком и животным нет разницы более глубокой, нежели какая существует и между различными животными. В. Вундт (1832–1920), немецкий психолог, основатель современной психологии Медицинская генетика изучает генетические основы патологии
Из книги Генетика человека с основами общей генетики [Учебное пособие] автора Курчанов Николай АнатольевичГлава 10. Медицинская генетика Между человеком и животным нет разницы более глубокой, нежели какая существует и между различными животными. В. Вундт (1832–1920), немецкий психолог Медицинская генетика изучает генетические основы патологии человека. В задачи медицинской
Из книги Биологическая химия автора Лелевич Владимир ВалерьяновичГлава 3. Ферменты. Механизм действия ферментов Ферментами или энзимами называют специфические белки, входящие в состав всех клеток и тканей живых организмов и выполняющие роль биологических катализаторов.Общие свойства ферментов и неорганических катализаторов:1. Не
Из книги автораСтруктура молекулы ферментов По строению ферменты могут быть простыми и сложными белками. Фермент, являющийся сложным белком называют холоферментом. Белковая часть фермента называется апоферментом, небелковая часть – кофактором. Различают два типа кофакторов:1.
Из книги автораМеханизм действия ферментов В любой ферментативной реакции выделяют следующую стадийность:E + S ? ?E + Pгде Е – фермент, S – субстрат, – фермент-субстратный комплекс, Р – продукт.Механизм действия ферментов может быть рассмотрен с двух позиций: с точки зрения изменения
Из книги автораСпецифичность действия ферментов Ферменты обладают более высокой специфичностью действия по сравнению с неорганическими катализаторами. Различают специфичность по отношению к типу химической реакции, катализируемой ферментом, и специфичность по отношению к
Из книги автораПрименение ферментов в медицине Ферментные препараты широко используют в медицине. Ферменты в медицинской практике находят применение в качестве диагностических (энзимодиагностика) и терапевтических (энзимотерапия) средств. Кроме того, ферменты используют в качестве
Из книги автораГлава 27. Регуляция и взаимосвязь метаболизма Для нормального функционирования организма должна осуществляться точная регуляция потока метаболитов по анаболическим и катаболическим путям. Все сопутствующие химические процессы должны протекать со скоростями,