Бесконкурентное ингибирование

В этом случае ингибитор связывается в активном центре с фермент-субстратным комплексом. Повышение концентрации субстрата, увеличивая количество фермент-субстратного комплекса, усиливает и связывание ингибитора с ним. Таким образом, бесконкурентное ингибирование более сложно, чем другие типы ингибирования.

В качестве примера бесконкурентного ингибирования обычно называют связывание пенициллина и фермента транспептидазы, обеспечивающей сшивку цепей пептидогликана при синтезе клеточной стенки бактерий.

Смешанное ингибирование

При таком ингибировании ингибитор способен присоединяться везде – не только в активном центре, но и в других частях молекулы. Но после этого фермент еще способен частично сохранять свою активность. Примером является влияние мертиолата (ртутьорганическое вещество) на сахаразу грибов микромицетов для подавления их роста.

Аллопуринол – ингибитор ксантиноксидазы, фермента катаболизма пуринов, требуется для снижения образования мочевой кислоты и подавления развития гиперурикемии и подагры.

Ингибиторы гидроксиметилглутарил-SКоА-редуктазы (ловастатин, флувастатин, аторвастатин) применяются для снижения синтеза холестерола при атеросклерозе, заболеваниях сердечно-сосудистой системы, дислипопротеинемиях.

Ингибитор карбоангидразы (ацетазоламид) используется как мочегонное средство при лечении глаукомы, отеков, эпилепсии, алкалозах и горной болезни

 

 

Регуляция действия ферментов: аллостерические механизмы, химическая модификация. Белок-белковые взаимодействия. Примеры метаболических путей, регулирующих этими механизмами. Физиологическое значение регуляции действия ферментов.

- У группы регуляторных ферментов помимо активного центра, в молекуле фермента может присутствовать также аллостерический центр или центры (от греч. allos – другой и steros – пространственный, структурный), которые находятся за пределами активного центра. К аллостерическому центру могут присоединяться молекулы модуляторов (активаторов или ингибиторов), регулирующие активность ферментов. Присоединение модулятора к аллостерическому центру изменяет конформацию молекулы фермента и, соответственно, конфигурацию активного центра, вызывая повышение или снижение активности фермента.

Аллостерические ферменты обычно стоят в начале метаболических путей, и от их активности зависит течение многих последующих реакций. Поэтому они часто называются ключевыми ферментами. В качестве отрицательного регулятора может выступать конечный метаболит биохимического процесса или продукт данной реакции, т.е включается механизм обратной отрицательной связи. Если регуляторами являются начальный метаболит или субстрат реакции, то говорят о прямой регуляции, она может быть как положительной, так и отрицательной. Также регулятором могут быть метаболиты биохимических путей, каким-то образом связанных с данной реакцией. Например, фермент энергетического распада глюкозы, фосфофруктокиназа, регулируется промежуточными и конечными продуктами этого распада. При этом АТФ, лимонная кислота, фруктозо-1,6-дифосфат являются ингибиторами, а фруктозо-6-фосфат и АМФ – активаторами фермента. Аллостерическая регуляция имеет большое значение в следующих ситуациях:

-при анаболических процессах. Ингибирование конечным продуктом метаболического пути и активация начальными метаболитами позволяют осуществлять регуляцию синтеза этих соединений;

-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;

-для координации анаболических и катаболических путей. АТФ и АДФ - аллостерические эффекторы, действующие как антагонисты;

-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.

- Ковалентная (химическая) модификация заключается в обратимом присоединении или отщеплении определенной группы, благодаря чему изменяется активность фермента. Чаще всего такой группой является фосфорная кислота, реже метильные и ацетильные группы. Фосфорилирование фермента происходит по остаткам серина и тирозина. Присоединение фосфорной кислоты к белку осуществляют ферменты протеинкиназы, отщепление – протеинфосфатазы. Ферменты могут быть активны как в фосфорилированном, так и в дефосфорилированном состоянии. Например, ферменты гликогенфосфорилаза и гликогенсинтаза при потребности организма в глюкозе фосфорилируются, при этом фосфорилаза гликогена становится активной и начинает расщепление гликогена, а гликогенсинтаза неактивна. При необходимости синтеза гликогена оба фермента дефосфорилируются, синтаза при этом становится активной, фосфорилаза – неактивной.

- Белок-белковое взаимодействие обозначает ситуацию, когда в качестве регулятора выступают не метаболиты биохимических процессов, а специфичные белки. В целом ситуация схожа с аллостерическим механизмом: после влияния каких-либо факторов на специфичные белки изменяется активность этих белков, и они, в свою очередь, воздействуют на нужный фермент. К примеру, мембранный фермент аденилатциклаза является чувствительным к воздействию мембранного G-белка, который сам активируется при действии на клетку некоторых гормонов (например, адреналина и глюкагона).

- Активность ферментов в клетке непостоянна во времени. Ферменты чутко реагируют на ситуацию, в которой оказывается клетка, на факторы, воздействующие на нее как снаружи, так и изнутри. Главная цель такой чувствительности ферментов – отреагировать на изменение окружающей среды, приспособить клетку к новым условиям, дать должный ответ на гормональные и иные стимулы, а в некоторых ситуациях – получить шанс выжить.

 

7. Роль ферментов в метаболизме. Многообразие ферментов. Понятие о классификации. Наследственные первичные энзимопатии: ФКУ, алкаптонурия. Другие примеры наследственных энзимопатий. Вторичные энзимопатии. Значение ферментов в медицине.

В клетке постоянно происходит большое количество разнообразных химических реакций, которые формируют метаболические пути - последовательное превращение одних соединений в другие. Метаболизм - совокупность всех метаболических путей, протекающих в клетках организма. Основу всех жизненных процессов составляют тысячи химических реакций, катализируемых ферментами.

1. Оксидоредуктазы — ускоряют реакции окисления — восстановления. Окисление протекает как процесс отнятия атомов Н (электронов) от субстрата, а восстановление — как присоединение атомов Н (электронов) к акцептору. Пример: каталаза.

2. Трансферазы — ускоряют реакции переноса функциональных групп и молекулярных остатков. В зависимости от характера переносимых группировок различают фосфотрансферазы, аминотрансферазы, гликозилтрансферазы, ацилтрансферазы, трансферазы, переносящие одноуглеродные остатки (метилтрансферазы, формил-трансферазы), и др. Например, амидазы ускоряют гидролиз амидов кислот. Из них важную роль в биохимических процессах в организме играют уреаза, аспарагиназа и глутаминаза. Уреаза ускоряет гидролиз мочевины до NН3 и СO2.

3. Гидролазы — ускоряют реакции гидролитического распада. Пример: эстеразы, пепсин, трипсин, амилаза.

4. Лиазы — ускоряют негидролитическое отщепление от субстратов определенных групп атомов с образованием двойной связи (или присоединяют группы атомов по двойной связи).

5. Изомеразы — ускоряют пространственные или структурные перестройки в пределах одной молекулы.

6. Лигазы — ускоряют реакции синтеза, сопряженные с распадом богатых энергией связей. Пример: ДНК-полимераза

В основе многих заболеваний лежат нарушения функционирования ферментов в клетке - энзимопатии. Различают первичные (наследственные) и вторичные (приобретённые) энзимопатии. При первичных энзимопатиях дефектные ферменты наследуются, в основном, по аутосомнорецессивному типу. Гетерозиготы, чаще всего, не имеют фенотипических отклонений. Первичные энзимопатии обычно относят к метаболическим болезням, так как происходит нарушение определённых метаболических путей.

Фенилкетонурия (ФКУ). Фенилаланин (ФА) принадлежит к числу незаменимых аминокислот. Только часть ФА используется для синтеза белков; основное количество этой аминокислоты окисляется до тирозина. Реакцию гидроксилирования ФА катализирует фермент – фенилаланингидроксилаза. Причина ФКУ – недостаточность этого фермента. В результате этого нарушения ФА не превращается в тирозин, из которого образуется фенилпировиноградной кислоты (ФПВК), которая выделяется с мочой и потом, вследствие чего от больных детей исходит "мышиный" запах. Высокая концентрация ФПВК приводит к нарушению формирования миелиновой оболочки вокруг аксонов в ЦНС. ФПВК является нейротропным ядом, в результате чего повышаются возбудимость, тонус мышц, развиваются гиперрефлексия, тремор, судорожные эпилептиформные припадки. Позже присоединяются нарушения высшей нервной деятельности, умственная отсталость, микроцефалия. У больных детей наблюдается слабая пигментация из-за нарушения синтеза меланина. Диагностика заболевания осуществляется биохимическими методами: ещё до развития клинической картины в моче определяется ФПВК, в крови - высокое содержание фенилаланина. В родильных домах обязательно проводится скрининг-тест на фенилкетонурию.

Алкаптонурия. Нарушено окисление гомогентизиновой кислоты в тканях (гомогентизиновая кислота - промежуточный метаболит катаболизма тирозина). У таких больных наблюдают недостаточность фермента окисления гомогентизиновой кислоты - диоксигеназы гомогентизиновой кислоты, приводящей к развитию заболевания. В результате увеличиваются концентрация гомогентизиновой кислоты и выведение её с мочой. В присутствии кислорода гомогентизиновая кислота превращается в соединение чёрного цвета - алкаптон. Поэтому моча таких больных на воздухе окрашивается в чёрный цвет. Алкаптон также образуется и в биологических жидкостях, оседая в тканях, коже, сухожилиях, суставах. При значительных отложениях алкаптона в суставах нарушается их подвижность.

Альбинизм. При альбинизме нарушен синтез в меланоцитах пигментов - меланинов. Меланин находится в коже, волосах, радужке, пигментном эпителии сетчатки глаза и влияет на их окраску. При альбинизме наблюдают слабую пигментацию кожи, светлые волосы, красноватый цвет радужки глаза из-за просвечивающих капилляров. Проявление альбинизма связано с недостаточностью фермента тирозингидроксилазы (тирозиназы) - одного из ферментов, катализирующего метаболический путь образования меланинов.

Вторичные (приобретенные) энзимопатии возникают как следствие заболеваний органов, вирусных инфекций и т.п., что приводит к нарушению синтеза фермента или условий его работы, например, гипераммониемия при заболеваниях печени, при которых ухудшается синтез мочевины и в крови накапливается аммиак. Другим примером может служить недостаточность ферментов желудочно-кишечного тракта при заболеваниях желудка, поджелудочной железы или желчного пузыря.

Недостаток витаминов и их коферментных форм также является причиной приобретенных ферментопатий.

- 1. Широкое применение в медицинской практике ферменты находят в качестве диагностических (энзимодиагностика)и терапевтических (энзимотерапия)средств. Ферменты также используются в качестве специфических реактивовдля определения ряда метаболитов. Например, фермент глюкозооксидазу применяют для количественного определения глюкозы в моче и крови; фермент уреазу используют для оценки содержания в биологических жидкостях мочевины; с помощью различных дегидрогеназ выявляют наличие соответствующих субстратов, например пирувата, лактата, этилового спирта и т.д.

2. Энзимодиагностиказаключается в постановке диагноза заболевания (или синдрома) на основе определения активности ферментов в биологических жидкостях человека.

3. Применение ферментов в качестве лекарственных препаратовактивно развивают в следующих направлениях:

• заместительная терапия - использование ферментов в случае их недостаточности;

• элементы комплексной терапии - применение ферментов в сочетании с другой терапией.

Сейчас ферментативные препараты применяются в хирургии, терапии, акушерстве и гинекологии, урологии, стоматологии, отоларингологии и многих других областях медицины.

 

8. Понятие о катаболизме и анаболизм и их взаимосвязи. Эндоргонические и экзергические реакции в метаболизме. Способы передачи электронов. Особенности протекания окислительных реакций в организме. Этапы расщепления веществ и освобождения энергии(этапы катаболизма).

- обмен веществ (метаболизм) – совокупность разнообразных биохимических процессов, в результате которых поступающие питательные вещества усваиваются, происходит освобождение энергии и синтез необходимых организму соединений. Метаболизм состоит из двух частей: анаболизма (синтеза сложных веществ из более простых с затратой энергии) и катаболизма (распада более сложных веществ до более простых с выделением энергии). Анаболизм и катаболизм неразрывно связаны между собой: анаболизм поставляет катаболизму вещество, катаболизм поставляет анаболизму энергию. Однако в условиях постоянной температуры передача энергии в виде тепла от одного химического процесса другому невозможна. Поэтому в живых системах имеет место передача энергии посредством особых макроэргических соединений, обладающих значительным запасом энергии. Универсальным макроэргическим соединением во всех клетках служит аденозинтрифосфорная кислота (аденозинтрифосфат, АТФ)

В живых системах в отношении направления химических реакций и биологических процессов действует принцип: эндергонические реакции текут за счет энергии освобождающейся в экзергонических реакциях.

Анаболические (биосинтетические) процессы, требующие притока энергии, текут за счет энергии катаболических процессов (процессов распада молекул).

- В общем виде окислительно-восстановительную реакцию можно написать:

Донор электронов ↔ е- + Акцептор электронов

Способы передачи электронов от одной молекулы к другой:

I. Прямой перенос электронов.

Например, окислительно-восстановительная пара Fe2+ и Fe3+:

Fe2+ ↔ е- + Fe3+

II. Перенос электронов в составе атомов водорода(дегидрирование). Напомним, что атом водорода состоит из протона (Н+) и электрона (е-). В этом случае общее уравнение имеет вид:

ВН2 + А ↔ В+ АН2, где ВН2 – донор водорода (ВН2 ↔ В+ 2е- + 2Н+), А – акцептор водорода.

III. Перенос электронов путем прямого взаимодействия органического восстановителя с кислородом. В результате образуется продукт, в котором содержится ковалентно связанный кислород. Например, введение в состав органической молекулы атома кислорода с образованием гидроксильной группы:

R–CH3 + ½ О2 ↔ R–CH2–OH. В этой реакции донором электронов является органическая молекула, а атом кислорода играет роль акцептора.

Все окислительно-восстановительные реакции катализируются ферментами класса оксидоредуктаз. Все оксидоредуктазы относятся к сложным ферментам, т.е. содержат белковую часть – апофермент и небелковую часть – кофермент. Именно кофермент в составе оксидоредуктазы служит промежуточным переносчиком электронов/водорода от донора к акцептору в ходе окислительно-восстановительной реакции.

Способы передачи электронов:1) прямой перенос электронов Fe²+ Cu²= Fe³+ Cu; 2) перенос электронов в составе гидрид иона (НАД и НАДФ), зависимые дегидрогеназы. 3) перенос электронов в составе атомов водорода (флавинзависимые дегидрогеназы); 4) перенос путем прямого взаимодействия ограничения восстановления СО2, приводящий к образованию продукта, в котором содержится ковалентно-связанный кислород. Самым главным с энергетической точки зрения является процесс отщепления водорода от субстрата с последующим его на кислород и воду.

 

-Этапы катаболизма:

1-й этап. На этом этапе макромолекулы расщепляются до своих мономеров (или строительных блоков). Так, полисахариды распадаются до моносахаридов; жиры - до глицерина и жирных кислот; белки - до аминокислот. Этот этап является специфическим, так как каждая макромолекула своим набором ферментов расщепляется до мономеров. 1-й этап катализируется ферментами класса гидролаз. Он локализован в пищеварительном тракте для пищевых макромолекул, а для эндогенных - лизосомах. Этот этап энергетической ценности не имеет. В нем выделяется менее 1% энергии, которая рассеивается в виде тепла.

2-й этап. Является специфическим путем катаболизма. На этом этапе каждый из мономеров своим собственным путем превращается в одну из карбоновых кислот. Моносахариды, глицерин и некоторые аминокислоты превращаются в пируват. Жирные кислоты и часть аминокислот - в ацетил-КоА. Некоторые аминокислоты превращаются в оксалоацетат или 2-оксоглутарат. 2-й этап происходит в митохондриях и цитозоле клеток. Образующаяся при этом энергия выделяется в виде тепла и используется на синтез АТФ.

3-этап. Является общим для разных классов веществ. На этом этапе пируват в процессе окислительного декарбоксилирования превращается в ацетил-КоА.Ацетил-КоА, оксалоацетат и 2-оксоглутарат окисляются в цикле Кребса. За один оборот цикла Кребса образуются 2 молекулы СО2,. Водород, полученный в дегидрогеназных реакциях, присоединяется к НАД+ и ФАД. с образованием НАДН и ФАДН2, которые окисляются в дыхательной цепи. При этом образуется вода, а выделившаяся энергия используется частично на синтез АТФ и частично рассеивается в виде тепла. Все реакции этого этапа локализованы в митохондриях.

 

Оксидоредуктазы. Классификация. Характеристика подклассов. НАД-зависимые дегидрогеназы. Строение окисленной и восстановленной форм. Важнейшие субстраты НАД-зависимых дегидрогеназ. ФАД-зависимые дегидрогеназы, сукцинатдегидрогеназа и ацилКоА-дегидрогеназа.

- 1. Оксидоредуктазы – ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. Для ферментов этого класса характерны следующие особенности: – они формируют окислительно-восстановительные системы; – катализируют реакции, связанные с высвобождением энергии; – являются сложными ферментами, в качестве коферментов действуют НАД, ФАД, гем, KoQ. Научное (систематическое) название: название донора электронов: название акцептора электронов и название класса. Рабочее название: где возможно, используется термин дегидрогеназа или редуктаза. Если акцептором электронов является кислород – оксидаза

1. Дегидрогеназы - оксидоредуктазы, катализирующие дегидрирование субстрата с использованием в качестве акцептора водорода любых молекул, кроме кислорода.

2. Если перенос водорода от молекулы донора трудно доказуем, то такие оксидоредуктазы называют редуктазами.

3. Оксидазы – оксидоредуктазы, катализирующие окисление субстратов с молекулярным кислородом в качестве акцептора электронов без включения кислорода в молекулу субстрата.

4. Монооксигеназы – оксидоредуктазы, катализирующие внедрение одного атома кислорода в молекулу субстрата с молекулярным кислородом в качестве донора кислорода.

5. Диоксигеназы – оксидоредуктазы, катализирующие внедрение 2 атомов кислорода в молекулу субстрата с молекулярным кислородом в качестве донора кислорода.

6. Пероксидазы – оксидоредуктазы, катализирующие реакции с пероксидом водорода в качестве акцептора электронов.

- НАД-зависимые дегидрогеназы

В реакциях, катализируемых этими ферментами, в качестве кофермента участвует НАД.

НАД-зависимые дегидрогеназы катализируют реакции окисления веществ путем дегидрирования; при этом окисляемое вещество служит донором водорода (DH2), а НАД выполняет роль акцептора водорода, т.е. восстанавливается. Остаток никотинамида в молекуле НАД принимает непосредственное участие в реакции.

ФМН (ФАД)-зависимые дегидрогеназы

Для этой группы дегидрогеназ коферментами служат ФАД или ФМН.

Флавиновые дегидрогеназы – сложные белки, они прочно связаны с апоферментами. В ходе реакции отщепляемые от субстрата атомы водорода присоединяются к изоаллоксазиновой группировке кофермента.

К флавиновым ферментам принадлежит НАДН-дегидрогеназа, которая окисляет НАДН. Акцептором водорода в этой реакции служит кофермент Q (убихинон), который в клетке может существовать в окисленной (убихинон, Q) и восстановленной (убихинол, QH2) формах.