Ферменты являются регулируемыми катализаторами. В качестве регуляторов могут выступать метаболиты, яды. Различают:

- активаторы – вещества, увеличивающие скорость реакции;

- ингибиторы – вещества, уменьшающие скорость реакции.

Активация ферментов . Различные активаторы могут связываться либо с активным центром фермента, либо вне его. К группе активаторов, влияющих на активный центр, относятся: ионы металла, коферменты, сами субстраты.

Активация с помощью металлов протекает по различным механизмам:

Металл входит в состав каталитического участка активного центра;

Металл с субстратом образуют комплекс;

За счет металла образуется мости между субстратом и активным центром фермента.

Субстраты также являются активаторами. При увеличении концентрации субстрата скорость реакции повышается. по достижению концентрации насыщения субстрата эта скорость не изменяется.

Если активатор связывается вне активного центра фермента, то происходит ковалентная модификация фермента :

1) частичный протеолиз (ограниченный протеолиз). Таким образом активируются ферменты пищеварительного канала: пепсин, трипсин, химотрипсин. Трипсин имеет состояние профермента трипсиногена, состоящего из 229 АК остатков. Под действием фермента энтерокиназы и с добавлением воды он превращается в трипсин, при этом отщепляется гексапептид. Изменяется третичная структура белка, формируется активный центр фермента и он переходит в активную форму.

2) фосфорилирование - дефосфорилирование. Пр.: липаза+АТФ= (протеинкиназа) фосфорилированная липаза+АДФ. Это трансферная реакция, использующая фосфат АТФ. При этом осуществляется перенос группы атомов от одной молекулы к другой. Фосфорилированная липаза является активной формой фермента.

Таким же путем происходит активация фосфорилазы: фосфорилаза B+ 4АТФ= фосфорилаза А+ 4АДФ

Также при связывании активатора вне активного центра происходит диссоциация неактивного комплекса «белок-активный фермент». Например, протеинкиназа – фермент, осуществляющий фосфорилирование (цАМФ-зависимое). Протеинкиназа – это белок, имеющий четвертичную структуру и состоящий из 2-х регуляторный и 2-х каталитических субъединиц. R 2 C 2 +2цАМФ=R 2 цАМФ 2 + 2С. Такой тип регуляции называется аллостерической регуляцией (активацией).

Ингибирование ферментов . Ингибитор – это вещество, вызывающее специфическое снижение активности фермента. Следует различать ингибирование и инактивацию. Инактивация – это, например, денатурация белка в результате действия денатурирующих агентов.

По прочности связывания ингибитора с ферментом ингибиторы делят на обратимые и необратимые.

Необратимые ингибиторы прочно связаны и разрушают функциональные группы молекулы фермента, которые необходимы для проявления его каталитической активности. Все процедуры по очистке белка не влияют на связь ингибитора и фермента. Пр.: действие фосфорорганических соединений на фермент – холинэстеразу. Хлорофос, зарин, зоман и др. фосфорорганические соединения связываются с активным центром холинэстеразы. В результате происходит фосфорилирование каталитических групп активного центра фермента. В следствии молекулы фермента, связанные с ингибитором, не могут связываться с субстратом и наступает тяжелое отравление.

Также выделяют обратимые игнибиторы , например прозерин для холинэстеразы. Обратимое ингибирование зависит от концентрации субстрата и ингибитора и снимается избытком субстрата.

По механизму действия выделяют:

Конкурентное ингибирование;

Неконкурентное ингибирование;

Субстратное ингибирование;

Аллостерическое.

1) Конкурентное (изостерическое) ингибирование – это торможение ферментативной реакции, вызванное связыванием ингибитора с активным центром фермента. При этом ингибитор имеет сходство с субстратом. В процессе происходит конкуренция за активный центр: образуются фермент-субстратные и ингибитор-ферментные комплексы. E+S®ES® EP® E+P; E+I® E. Пр.: сукцинатдегидрогеназная реакция [рис. COOH-CH 2 -CH 2 -COOH®(над стрелкой СДГ, под ФАД®ФАДН 2) COOH-CH=CH-COOH]. Истинным субстратом этой реакции является сукцинат (янтарная к-та). Ингибиторы: малоновая к-та (COOH-CH 2 -COOH) и оксалоацетат (COOH-CO-CH 2 -COOH). [рис. фермента с 3 дырками+ субстрат+ ингибитор= комплекс ингибитора с ферментом]

Пр.: фермент холинэстераза катализирует превращение ацетилхолина в холин: (CH 3) 3 -N-CH 2 -CH 2 -O-CO-CH 3 ® (над стрелкой ХЭ, под – вода) CH 3 СOOH+(CH 3) 3 -N-CH 2 -CH 2 -OH. Конкурентными ингибиторами являются прозерин, севин.

2) Неконкурентное ингибирование – торможение, связанное с влиянием ингибитора на каталитическое превращение, но не на связывание фермента с субстратом. В этом случае ингибитор может связываться и с активным центром (каталитический участок) и вне его.

Присоединение ингибитора вне активного центра приводит к изменению конформации (третичной структуры) белка, вследствие чего изменяется конформация активного центра. Это затрагивает каталитический участок и мешает взаимодействию субстрата с активным центром. При этом ингибитор не имеет сходства с субстратом и это ингибирование нельзя снять избытком субстрата. Возможно образование тройных комплексов фермент-ингибитор-субстрат. Скорость такой реакции не будет максимальной.

К неконкурентным ингибиторам относят:

Цианиды. Они связываются с атомом железа в цитохромоксидазе и в результате этого фермент теряет свою активность, а т.к. это фермент дыхательной цепи, то нарушается дыхание клеток и они гибнут.

Ионы тяжёлых металлов и их органические соединения (Hg, Pb и др.). Механизм их действия связан с соединением их с различными SH-группами. [рис. фермента с SH-группами, иона ртути, субстрата. Все это соединяется в тройной комплекс]

Ряд фармакологических средств, которые должны поражать ферменты злокачественных клеток. Сюда же относятся ингибиторы, использующиеся в сельском хозяйстве, бытовые отравляющие вещества.

3) Субстратное ингибирование – торможение ферментативной реакции, вызванное избытком субстрата. Происходит в результате образования фермент-субстратного комплекса, неспособного подвергаться каталитическому превращению. Его можно снять и уменьшить концентрацию субстрата. [рис. связывания фермента сразу с 2 субстратами]

4) Аллостерическое ингибирование – торможение ферментативной реакции, вызванное присоединением аллостерического ингибитора в аллостерическом центре аллостерического фермента. Такой тип ингибирования характерен для аллостерических ферментов, имеющих четвертичную структуру. В качестве ингибиторов могут выступать метаболиты, гормоны, ионы металлов, коферменты.

Механизм действия:

а) присоединение ингибитора к аллостерическому центру;

б) изменяется конформация фермента;

в) изменяется конформация активного центра;

г) нарушается комплиментарность активного центра фермента к субстрату;

д) уменьшается число молекул ES;

е) уменьшается скорость ферментативной реакции.

[рис. фермент с 2 дырками, к одной аллостерический ингибитор и вторая меняет форму]

К особенностям аллостерических ферментов относят ингибирование по отрицателтной обратной связи. A®(E 1)B®(E 2) C®(E 3) D (от D стрелочка к стрелке между А и В). D – метаболит, действующий как аллостерический ингибитор на фермент Е 1 .

Обмен веществ

Обмен веществ (метаболизм) – это совокупность физиологических и биохимических процессов, обеспечивающих жизнедеятельность организма во взаимосвязях с внешней средой, направленных на самовоспроизведение и самосохранение.

К физиологическим процессам относятся пищеварение, всасывание, внешнее дыхание, выделение и др.; к биохимическим – химические превращения белков, жиров, углеводов, поступающих в организм в виде пищевых веществ. Особенностью биохимических процессов является то, что они осуществляются в ходе ряда ферментативных реакций. Именно ферменты обеспечивают определенную последовательность, места и скорость реакций.

По направленности все химические превращения делят на:

а) диссимиляция (катаболизм) – распад веществ до более простых с переходом энергии связей вещества в энергию макроэргических связей (АТФ, НАД·Н, др.);

б) ассимиляция (анаболизм) – синтез более сложных веществ из более простых с затратой энергии.

Биологическое значение этих двух процессов состоит в том, что при расщеплении веществ освобождается заключенная в них энергия, которая обеспечивает все функциональные возможности организма. В то же время, при распаде веществ образуются "строительные материалы" (моносахариды, АК, глицерин и др.), которые затем используются в синтезе специфических организму веществ (белков, жиров, углеводов и др.).

[СХЕМА] Над горизонтальной линией (во внешней среде) – "белки, жиры, углеводы", от них стрелка вниз под линию (внутри организма) к надписи "диссимиляция", от последней четыре стрелки: две вверх к надписям над линией "теплота" и "конечные продукты"; одна стрелка вправо к надписи "промежуточные вещества (метаболиты)", от них к "ассимиляция", затем к "собственные белки, жиры, углеводы"; одна стрелка вниз к надписи "энергия АТФ", от нее – к "мышечное сокращение, проведение нервного импульса, секреция и др." а также наверх к "теплота" и "ассимиляция".

Диссимиляция белков, жиров и углеводов протекает по-разному, но в разрушении этих веществ есть ряд общих этапов:

1) Этап переваривания . В ЖКТ белки распадаются до АК, жиры – до глицерина и ВЖК, углеводы – до моносахаридов. Нарабатывается большое количество неспецифических веществ из специфических, поступающих извне. За счет переваривания в ЖКТ выделяется около 1% химической энергии веществ. Этот этап необходим для того, чтобы вещества, поступившие с пищей, смогли всосаться.

2) Этап межуточного обмена (тканевой обмен веществ, метаболизм ). На клеточном уровне он распределяется на анаболизм и катаболизм. Образуются и превращаются промежуточные вещества обмена веществ – метаболиты . При этом мономеры, образовавшиеся на этапе переваривания, распадаются с образованием небольшого (до пяти) ключевых промежуточных продуктов: ЩУК, альфа-КГ, ацетил-КоА, ПВК, альфа-глицерофосфат. Выделяется до 20% энергии веществ. Как правило, межуточный обмен происходит в цитоплазме клеток.

3) Окончательный распад веществ с участием кислорода до конечных продуктов (СО 2 , Н 2 О, азотсодержащие вещества). Выделяется около 80% энергии веществ.

Все рассмотренные этапы отражают лишь главные формы обменных процессов. Как на втором, так и на третьем этапах выделяющаяся энергия накапливается в виде энергии химических связей макроэргических соединений (это вещества, имеющие хотя бы одну макроэргическую связь, напр., АТФ, ЦТФ, ТТФ, ГТФ, УТФ, АДФ, ЦДФ, …, креатинфосфат, 1,3-дифосфоглицериновая кислота). Так, энергия связи последнего фосфата в молекуле АТФ составляет около 10-12 ккал/моль.

Биологическая роль обмена веществ:

1. аккумуляция энергии при распаде химических соединений;

2. использование энергии для синтеза собственных веществ организма;

3. распад обновляемых структурных компонентов клетки;

4. происходит синтез и распад биомолекул специального назначения.

Обмен белков

Являясь единицей живой материи, функционирующей как комплекс открытых биосистем, клетка постоянно обменивается с внешней средой веществами и энергией. Для поддержания гомеостаза в ней существует группа особых веществ белковой природы - энзимов. Строение, функции, а также регуляция активности ферментов изучаются специальной отраслью биохимии, называемой энзимологией. В данной статье на конкретных примерах мы рассмотрим различные механизмы и способы регуляции активности ферментов, присущие высшим млекопитающим и человеку.

Условия, необходимые для оптимальной активности энзимов

Биологически активные вещества, избирательно влияющие как на реакции ассимиляции, так и на расщепление, проявляют свои каталитические свойства в клетках при определенных условиях. Например, важно выяснить, в каком участке клетки протекает химический процесс, в котором участвуют энзимы. Благодаря компартментации (разделению цитоплазмы на участки) антагонистические реакции происходят в различных её частях и органоидах.

Так, синтез белков осуществляется в рибосомах, а их расщепление - в гиалоплазме. Клеточная регуляция активности ферментов, катализирующих противоположные биохимические реакции, обеспечивает не только оптимальную скорость протекания обмена веществ, но и препятствует формированию энергетически бесполезных метаболических путей.

Мультиферментный комплекс

Структурно-функциональная организация энзимов образует ферментативный аппарат клетки. Большинство химических реакций, протекающих в ней, взаимосвязаны. Если в многостадийном продукт первой реакции является реагентом для последующей, в этом случае пространственное расположение энзимов в клетке выражено особенно сильно.

Нужно помнить, что ферменты являются по своей природе простыми или сложными белками. И их чувствительность к клеточному субстрату объясняется прежде всего изменением собственной пространственной конфигурации третичной или четвертичной структуры пептида. Энзимы реагируют и на изменения не только внутри клеточных параметров, таких как химический состав гиалоплазмы, концентрацию реагентов и продуктов реакции, температуру, но и на изменения, происходящие в соседних клетках или в межклеточной жидкости.

Почему клетка разделена на компартменты

Разумность и логичность устройства живой природы просто поразительна. Это в полной мере относится и к жизненным проявлениям, характерным для клетки. Для ученого-химика совершенно понятно, что разнонаправленные ферментативные химические реакции, например синтез глюкозы и гликолиз, не могут протекать в одной и той же пробирке. Как же тогда происходят противоположные реакции в гиалоплазме одной клетки, являющейся субстратом для их проведения? Оказывается, клеточное содержимое - цитозоль, - в котором осуществляются антагонистические химические процессы, пространственно разделено и образует изолированные локусы - компартменты. Благодаря им метаболические реакции высших млекопитающих и человека регулируются особенно точно, а продукты обмена превращаются в формы, свободно проникающие через перегородки клеточных участков. Далее они восстанавливают свою первоначальную структуру. Кроме цитозоля, ферменты содержатся в органеллах: рибосомах, митохондриях, ядре, лизосомах.

Роль энзимов в энергетическом обмене

Рассмотрим окислительное декарбоксилирование пирувата. Регуляция каталитической активности ферментов в нем хорошо изучена энзимологией. Данный биохимический процесс протекает в митохондриях - двумембранных органеллах эукариотических клеток - и является промежуточным процессом между бескислородным расщеплением глюкозы и Пируватдегидрогеназный комплекс - PDH - содержит три фермента. У высших млекопитающих и человека снижение его происходит при повышении концентрации Ацетил-КоА и NATH, то есть в случае появления альтернативных возможностей образования молекул Ацетил-КоА. Если же клетка нуждается в дополнительной порции энергии и требует новых молекул акцептора для усиления реакций цикла трикарбоновых кислот, то ферменты активируются.

Что такое аллостерическое ингибирование

Регуляция активности ферментов может осуществляться специальными веществами - каталитическими ингибиторами. Они могут ковалентно связываться с определенными локусами энзима, минуя его активный центр. Это приводит к деформации пространственной структуры катализатора и автоматически влечет за собой снижение его ферментативных свойств. Иными словами, происходит аллостерическая регуляция активности ферментов. Добавим также, что такая форма каталитического воздействия присуща олигомерным энзимам, то есть тем, чьи молекулы состоят из двух и более полимерных белковых субъединиц. Рассмотренный в предыдущем заголовке PDH-комплекс как раз и содержит три олигомерных фермента: пируват дегидрогеназу, дегидролипоил дегидрогеназу и гидролипоил трансацетилазу.

Регуляторные ферменты

Исследования в энзимологии установили тот факт, что зависит как от концентрации, так и от активности катализатора. Чаще всего метаболические пути содержат главные ферменты, регулирующие на всех его участках.

Они называются регуляторными и обычно воздействуют на начальные реакции комплекса, а также могут участвовать в наиболее медленно протекающих химических процессах в необратимых реакциях, или же присоединятся к реагентам в точках ветвления метаболического пути.

Как осуществляется пептидное взаимодействие

Одним из способов, с помощью которого происходят регуляция активности ферментов в клетке, является белок-белковое взаимодействие. О чем речь? Осуществляется присоединение регуляторных белков к молекуле энзимов, вследствие чего происходит их активация. Например, фермент аденилатциклаза находится на внутренней поверхности клеточной мембраны и может взаимодействовать с такими структурами, как рецептор гормона, а также с пептидом, расположенным между ним и ферментом. Так как в результате соединения гормона и рецептора промежуточный белок изменяет свою пространственную конфирмацию, этот способ усиления каталитических свойств аденилатциклазы в биохимии носит название «активации вследствие присоединения белков-регуляторов».

Протомеры и их роль в биохимии

Эта группа веществ, иначе называемая протеинкиназами, ускорят перенос аниона PO 4 3- на гидроксогруппы аминокислот, входящих в пептидную макромолекулу. Регуляция активности ферментов протомеров будет рассмотрена нами на примере протеинкиназы А. Её молекула - тетрамер, состоит из двух каталитических и двух регуляторных пептидных субъединиц и не функционирует как катализатор до тех пор, пока к регуляторным участкам протомера не прикрепятся четыре молекулы цАМФ. Это вызывает трансформацию пространственной структуры белков-регуляторов, что приводит к высвобождению двух активированных каталитических белковых частиц, то есть происходит диссоциация протомеров. Если же от регуляторных субъединиц отделяются молекулы цАМФ, то неактивный комплекс протеинкиназы снова восстанавливается до тетрамера, так как происходит ассоциация каталитических и регуляторных пептидных частиц. Таким образом, рассмотренные выше пути регуляции активности ферментов обеспечивают их обратимый характер.

Химическая регуляция активности ферментов

Биохимия изучила и такие механизмы регуляции активности ферментов, как фосфорилирование, дефосфорилирование. Механизм регуляции активности ферментов в данном случае имеет следующий вид: аминокислотные остатки энзима, содержащие группы ОН - , изменяют свою химическую модификацию вследствие воздействия на них фосфопротеинфосфатаз. В этом случае коррекции поддается причем для одних энзимов это является причиной, активирующей их, а для других - ингибирующей. В свою очередь каталитические свойства самих фосфопротеинфосфатаз регулируются гормоном. Например, животный крахмал - гликоген - и жир в промежутках между приемами пищи расщепляются в желудочно-кишечном тракте, точнее, в двенадцатиперстной кишке под воздействием глюкагона - панкреатического фермента.

Этот процесс усиливается благодаря фосфорилированию трофических энзимов ЖКТ. В период активного пищеварения, когда пища поступает из желудка в двенадцатиперстную кишку, синтез глюкагона усиливается. Инсулин - еще один фермент поджелудочной железы, вырабатываемый альфа-клетками островков Лангерганса, - взаимодействует с рецептором, включая механизм фосфорилирования тех же пищеварительных энзимов.

Частичный протеолиз

Как видим, уровни регуляции активности ферментов в клетке разнообразны. Для энзимов, находящихся вне цитозоля или органоидов (в плазме крови или в желудочно-кишечном тракте), способом их активации служит процесс гидролиза пептидных связей CO-NH. Он необходим, так как такие ферменты синтезируются в неактивной форме. От молекулы энзима отщепляется пептидная часть, а в оставшейся структуре модификации подвергается активный центр. Это приводит к тому, что фермент «входит в рабочее состояние», то есть становится способным влиять на протекание химического процесса. Например, неактивный фермент поджелудочной железы трипсиноген не расщепляет белки пищи, поступающие в двенадцатиперстную кишку. В ней под действием энтеропептидазы происходит протеолиз. После чего энзим активируется и называется теперь трипсином. Частичный протеолиз - процесс обратимый. Он происходит в таких случаях, как активация энзимов, расщепляющих полипептиды, в процессах свертывания крови.

Роль концентрации исходных веществ в метаболизме клетки

Регуляция активности фермента доступностью субстрата частично рассматривалась нами в подзаголовке «Мультиферментный комплекс». Скорость протекания проходящих в несколько стадий, сильно зависит от того, сколько молекул исходного вещества находится в гиалоплазме или органеллах клетки. Это связано с тем, что скорость метаболического пути прямо пропорциональна концентрации исходного вещества. Чем больше молекул реагента находится в цитозоле, тем выше скорость всех последующих химических реакций.

Аллостерическая регуляция

Ферментам, активность которых контролируется не только концентрацией исходных веществ-реагентов, но еще и веществами-эффекторами, присуща так называемая Чаще всего такие энзимы представлены промежуточными продуктами обмена веществ в клетке. Благодаря эффекторам и осуществляется регуляция активности ферментов. Биохимия доказала, что такие соединения, названные аллостерическими энзимами, очень важны для метаболизма клетки, так как обладают чрезвычайно высокой чувствительностью к изменениям её гомеостаза. Если энзим угнетает химическую реакцию, то есть снижает её скорость - его называют отрицательным эффектором (ингибитором). В противоположном случае, когда наблюдается увеличение скорости реакции, речь идет об активаторе - положительном эффекторе. В большинстве случаев исходные вещества, то есть реагенты, вступающие в химические взаимодействия, играют роль активаторов. Конечные же, продукты, образовавшиеся в результате многостадийных реакций, ведут себя как ингибиторы. Такой вид регуляции, построенной на взаимосвязи концентрации реагентов и продуктов, называется гетеротрофным.

Регуляция активности ферментов:

· Неспецифическая:

a) Изменением доступности субстрата и коферментов.

b) Изменением количества молекул субстрата.

c) Изменением каталитической активности ферментов.

i) Аллостерическая регуляция: регуляция происходит количеством не только молекул субстрата, но и эффекторов. Эффекторы – клеточные метаболиты, чаще всего, того пути, регуляцию которого они осуществляют.

ii) Регуляция с помощью белок-белковых взаимодействий: регуляция путем присоединения регуляторных белков (пример: аденилатциклазная система); изменение каталитической активности ферментов вследствие ассоциации и диссоциации протомеров фермента (присоединение остатка фосфорной кислоты с АТФ на белок).

iii) Регуляция путем фосфорилирования/дефосфорилирования молекулы фермента (к ОН-группе).

iv) Регуляция частичным (ограниченным) протеолизом: отщепление части молекулы неактивного предшественника.

· Специфическая:

a) Обратимое ингибирование: Обратимые ингибиторы связываются с ферментом слабыми нековалентными связями и могут легко отделяться от него.

i) Конкурентное: ингибитор связывается с активным центром фермента и препятствует образованию фермент-субстратного комплекса. Пример: малоновая кислота ингибирует сукцинатдегидрогеназную реакцию, являясь структурным аналогом сукцината. Конкурентные ингибиторы используют как лекарственные средства.

ii) Неконкурентное: ингибитор взаимодействует с ферментом в участке, отличном от активного центра. Образует неактивный комплекс, связываясь с ферментом или фермент-субстратным комплексом.

b) Необратимое ингибирование: Образование ковалентных стабильных связей между молекулой ингибитора и фермента. Чаще всего изменяется активный центр фермента. Примеры: ионы тяжелых металлов. Имеются специфичные и неспецифичные ингибиторы. Используются как лекарственные вещества.

6. Роль гормонов и вторичных мессенджеров (цАМФ, цГМФ, Са2+, ДГ, ИТФ, ПГ) в регуляции активности ферментов.

Гормоны – сигнальные молекулы беспроводного системного действия, влияющие на активность и количество ферментов в клетке через каскадные системы (аденилатциклазную, гуанилатциклазную,инозитолтри-фосфатную, RAS и т.д.).

Мессенджеры – низкомолекулярные вещества, переносящие сигналы гормонов внутри клетки (Са2+, цАМФ, цГМФ, ДАГ, ИТФ).

Роль мессенджеров в регуляции активности ферментов: цАМФ участвует в мобилизации энергетических запасов (распад углеводов в печени или триглицеридов в жировых клетках), в задержке воды почками, в нормализации кальциевого обмена, в увеличении силы и частоты сердечных сокращений, в образовании стероидных гормонов, в расслаблении гладких мышц и так далее. цГМФ активирует ПК G, ФДЭ, Са 2+ -АТФазы, закрывает Са 2+ -каналы и снижает уровень Са 2+ в цитоплазме.

Роль гормонов в регуляции активности ферментов: Гормоны влияют на активность и количество ферментов в клетке через каскадные системы, состоящие из:

1) Рецепторов

2) Регуляторных белков

3) Вторичных посредников

4) Ферментов

Может быть нужно будет зарисовать одну из гормональных систем.

Изменение активности фермента – наиболее быстрый путь воздействия на скорость протекания реакции. На активность фермента воздействуют физические факторы (температура, свет, давление и т.д.), действие этих факторов в большинстве случаев неспецифично. Специфически действуют на активность ферментов химические факторы. Здесь можно выделить несколько случаев. Во-первых, фактор может связываться с активным центром фермента, что чаще всего ведет к утрате каталитической активности. Так может действовать сам субстрат в случае отсутствия каких-либо необходимых для протекания реакции факторов, либо активный центр фермента может блокироваться другим агентом в случае конкурентного ингибирования. Во-вторых, может происходить химическая модификация фермента под действием другого фермента.

Наиболее тонким и широко распространенным способом регуляции активности ферментов является аллостерическая регуляция . В этом случае регуляторный фактор связывается не с каталитическим центром фермента, а с другим его участком (регуляторным центром ), что приводит к изменению активности фермента. Ферменты, регулируемые таким образом, называются аллостерическими , они часто занимают ключевую позицию в метаболизме. Вещество, связывающееся с регуляторным центром называется эффектором , эффектор может быть ингибитором , а может быть активатором .Обычно эффекторами бывают либо конечные продукты биосинтетических путей (ингибирование по принципу обратной связи), либо вещества, концентрация которых отражает состояние клеточного метаболизма (АТФ, АМФ, НАД+ и др.). Как правило, аллостерические ферменты катализируют одну из реакций, с которой начинается процесс образования какого-то метаболита. Обычно эта стадия лимитирует скорость всего процесса в целом. В катаболических процессах, сопровождающихся синтезом АТФ из АДФ, в роли аллостерического ингибитора одной из ранних стадий катаболизма часто выступает сам конечный продукт – АТФ. Аллостерическим ингибитором одной из ранних стадий анаболизма нередко служит конечный продукт биосинтеза, например какая-нибудь аминокислота. Так, например, аллостерическим ферментом является, треониндезаминаза , фермент, катализирующий первую стадию биосинтеза изолейцина из треонина; изолейцин является ингибитором этого фермента (рис. 31). Это типичный пример ингибирования по принципу обратной связи.

Рис. 31. Схема регуляции биосинтеза L-изолейцина по механизму отрицательной обратной связи:

Ф1 – аллостерический фермент треониндезаминаза, Ф2 – Ф5 – ферменты, катализирующие промежуточные стадии биосинеза изолейцина. Стрелка показывает ингибирование треониндезаминазы L-лейцином, конечным продуктом данного биосинтетического пути

Активность некоторых аллостерических ферментов стимулируется специфическими активаторами. Аллостерический фермент, регулирующий одну из катаболических последовательностей реакций, может, например, подчиняться стимулирующему влиянию положительных эффекторов – АДР или АМР и ингибирующему действию отрицательного эффектора – АТР. Известны также случаи, когда аллостерический фермент какого-нибудь метаболического пути специфическим образом реагирует на промежуточные или конечные продукты других метаболических путей. Благодаря этому оказывается возможной координация скорости действия различных ферментных систем.

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 Залманович

ОТ 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 Владимир

Микробы - 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 А

Глава 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 Кузьмич

Изменение 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 Александрович

Глава 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 Игнатьевич

Медицинская 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 Януш

Глава 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] автора

Тема 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 Анатольевич

Глава 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 Валерьянович

Глава 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 автора

Структура 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 автора

Механизм 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 автора

Специфичность 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 автора

Применение 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 автора

Глава 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,