Регуляция активности ферментов

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. R₂C₂+2цАМФ=R₂цАМФ₂+ 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-CH₂-CH₂-COOH®(над стрелкой СДГ, под ФАД®ФАДН₂) COOH-CH=CH-COOH]. Истинным субстратом этой реакции является сукцинат (янтарная к-та). Ингибиторы: малоновая к-та (COOH-CH₂-COOH) и оксалоацетат (COOH-CO-CH₂-COOH). [рис. фермента с 3 дырками+ субстрат+ ингибитор= комплекс ингибитора с ферментом]

Пр.: фермент холинэстераза катализирует превращение ацетилхолина в холин: (CH₃)₃-N-CH₂-CH₂-O-CO-CH₃® (над стрелкой ХЭ, под – вода) CH₃СOOH+(CH₃)₃-N-CH₂-CH₂-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®(E₁)B®(E₂) C®(E₃) D (от D стрелочка к стрелке между А и В). D – метаболит, действующий как аллостерический ингибитор на фермент Е₁.

 

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