Вплив кислотності середовища

Ферменти найкраще функціонують в досить обмеженому діапазоні рН середовища - оптимумі рН. Причому для різних ферментів його значення відрізняються (рис. 6.3.). Оптимум рН часто знаходиться в області ізоелектричної точки білка - фермента і може не співпадати з кислотністю середовища. Ця залежність пов’язана з необхідністю підтримання іонізованого стану функціональних груп ферменту і субстрату для забезпечення фермент-субстратної взаємодії.

Інгібітори ферментів

В біологічному каталізі вирішальне значення має можливість тонкої його регуляції залежно від потреб організму. Максимальна швидкість перетворення субстратів ферментами використовується організмом так само рідко, як і гучне звучання музичного інструменту професійним музикантом.

Регуляція активності ферментів може здійснюватись у двох напрямках - активації (прискорення) і інгібування (гальмування). Регуляторами активності часто виступають різні хімічні речовини -продукти обміну речовин (природні регулятори) і чужорідні сполуки (ліки, добавки до їжі, хімічні забруднювачі середовища).

Інгібітори ферментів поділяють за механізмом дії на конкурентні і неконкурентні. Конкурентні інгібітори часто за будовою, просторовою формою подібні на субстрат і конкурують з ним за активний центр ферменту. Зв’язування їх в активному центрі за просторовою відповідністю приводить до інактивації ферменту - неможливості приєднувати і перетворювати субстрат.

Популярний приклад конкурентних інгібіторів - це лікарські препарати сульфаніламіди. Вони структурно подібні на п -амінобензойну кислоту (ПАБК), яка необхідна для росту деяких хвороботворних бактерій (див. вітамін В_С):

п -амінобензойна кислота сульфаніламіди

Зараз випробувано біля 10 000 сульфаніламідних препаратів, які мають антибактеріальну активність.

Велика група речовин, що містять основний атом азоту, є конкурентними інгібіторами нервово-паралітичної дії, оскільки вони інактивують холінестеразу, тобто протидіють розщепленню ацетилхоліну, який утворюється внаслідок нервового імпульсу. До них належать зміїні отрути, алкалоїди, нікотин, морфін, кокаїн та інші.

Неконкурентні інгібітори зв’язуються як з ферментом, так і з фермент-субстратним комплексом. Вони взаємодіють не з активним центром, а з іншими ділянками молекул ферменту, деформуючи його просторову структуру, що робить неможливим каталіз. Неконкурентними інгібіторами є йони важких металів, наприклад, Ag⁺, Hg²⁺, Pb²⁺, які реагують з сульфгідрильними групами ферментів, а також хелатоутворюючі речовини, які зв’язують йони металів - активаторів ферментів.

За міцністю взаємодії розрізняють зворотні і незворотні інгібітори. Зворотні інгібітори можуть вивільнюватись з комплексу з ферментом. Зворотню дію має багато конкурентних інгібітори. В присутності великих концентрацій субстрату вони витісняються з активного центру ферменту.

Незворотні інгібітори утворюють ковалентні зв’язки з ферментом або в активному центрі, або в іншій частині його молекули. Таким інгібітором є йодоацетат, або йодоацетамід, який утворює міцний зв’язок з сульфгідрильною групою або імідазолом ферменту незалежно від місця його знаходження, наприклад:

R-SH + I-CH₂CONH₂ ® R-S-CH₂CONH₂ + HI

Окисно-відновні ферменти, які діють за участю йону металу, гальмуються ціанамідом, сірководнем, оксидом вуглецю (П).

Незворотню дію на холестерази проявляють фосфоорганічні речовини типу (RO)₂PХО, які можна розглядати як похідні ортофосфорної кислоти, де R алкільні радикали (різної будови), а X - F, або CN, наприклад:

схема будови зарин табун

Вони токсичні для центральної нервової системи, застосовуються як інсектициди, хімічна зброя, в клінічній медицині.

Активація ферментів здійснюється різними шляхами. Ферменти можуть переходити в активний стан при взаємодії з якоюсь речовиною - активатором. Так діють на фермент кофактори простої будови. Вони, зв’язуючись з ферментом, переводять його в активний стан, але самі не беруть безпосередньої участі у взаємодії з субстратом. Різні неорганічні аніони (Cl^- та інші) виступають малоспецифічними активаторами. Значно більш специфічними є катіони металів.. Вони діють на один або декілька ферментів. Так Мg²⁺ активує ферменти, які діють на фосфорильовані субстрати і часто може замінятись Mn²⁺. Принаймні 13 інших катіонів також є активаторами: Na⁺, К⁺, Rb⁺, Cs⁺, Са²⁺, Zn²⁺, Cr³⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Ni²⁺, Al³⁺, NH₄⁺. Один з ферментів обміну пептиду глутатіону активується селеном

Іншим шляхом активації є відщеплення олігопептиду від неактивної форми ферменту (проферменту). За таким принципом активуються ферменти - гідролази, які діють поза клітинами - в травному тракті або плазмі крові. Вони утворюються в клітинах залоз в неактивній формі і лише після виходу з клітини під дією іншого ферменту відщеплюють частину молекули і набувають активної форми. Прикладами таких ферментів є трипсиноген і хімотрипсиноген, які синтезуються підшлунковою залозою і активуються в тонкому кишечнику. Якби в клітинах утворювалась відразу активна форма ферменту, то вона руйнувала би саму клітину.

Алостерична регуляція

Перетворення певної речовини в організмі звичайно здійснюється в декілька стадій, причому продукт перетворення однієї стадії стає субстратом іншої. Узгоджена дія такого ланцюга перетворень, тонка і економна регуляція його інтенсивності, здійснюється завдяки алостеричним регуляторним ферментам. Вони, звичайно, займають ключове місце в ланцюгу перетворень, завдяки чому від їх активності залежить не одна чи дві ланки ланцюгу, а весь багатоетапний процес. Регуляція їх здійснюється шляхом приєднання до алостеричного центру ферменту речовини - регулятора, що приводить до зміни просторової форми фермента. Інгібітори алостеричних ферментів звичайно є кінцевими продуктами процесу. Таким чином, накопичення кінцевого продукту приводить до зупинки перших стадій його утворення, чим досягається економне використання субстратів і енергії. Отже, алостеричне гальмування здійснюється за принципом негативного оберненого зв’язку. Алостеричними активаторами виступають субстрат або попередники субстрату ланцюга перетворень, тобто алостерична регуляція здійснюється за принципом позитивного прямого зв’язку:

Взаємодія цих двох систем регуляції ключових ферментів забезпечує точно збалансований регуляторний механізм дії, конкретні приклади якого ми розглянемо при вивченні обміну речовин.

Звичайно алостеричні ферменти складаються з кількох субодиниць. При дії активатора зростає їх кооперативність взаємодії і спорідненість до субстрату. Алостеричні інгібітори спричиняють утворення малоактивної форми ферменту.