Регуляция активности ферментов

Существуют различные механизмы регуляции процессов, протекающих в организме.

3 уровня регуляции:

1НЕЙРОГУМОРАЛЬНАЯ регуляция(с участием центральной нервной системы, классических гормонов и гормонов местного действия)2) РЕГУЛЯЦИЯ НА ГЕНЕТИЧЕСКОМ УРОВНЕ - изменение скорости биосинтеза белка.

3)АВТОНОМНАЯ САМОРЕГУЛЯЦИЯ ФЕРМЕНТОВ.

АВТОНОМНАЯ САМОРЕГУЛЯЦИЯ - это регуляция, которая происходит благодаря только самим участникам реакции, то есть за счет фермента, его субстрата или продуктов деятельности фермента. Фермент не только работает, но еще и сам себя регулирует.

Механизмы автономной саморегуляции очень многочисленны, но построены на двух основных принципах.

1) Механизмы, основанные на кинетических свойствах фермента,конц-я,скорость-это механизмы КИНЕТИЧЕСКОГО ТИПА.

2)Второй принцип связан с аллостерическими свойствами фермента-способностью фермента угнетаться или активироваться под действием субстрата или продуктов.Это механизмы АЛЛОСТЕРИЧЕСКОГО ТИПА.

Такие аллостерические механизмы есть не у каждого фермента. Они обычно накладываются на механизмы кинетического типа,определяют особенности регуляции данного фермента. Связываются с аллостерическим центром фермента. Происходят изменения конформации аллостерического центра, а затем, через всю молекулу, они передаются на каталитический центр. Изменение конформации каталитического центра вызывает снижение активности фермента

4. ХАРАКТЕРИСТИКА КОНКУРЕНТНЫХ ИНГИБИТОРОВ

Конкурируют с субстратом за обладание активным центром фермента.По структуре они похожи на субстрат. Присоединяются к адсорбционному центру фермента:действуют на стадии I-го этапа ферментативного катализа.Поэтому конкурентные ингибиторы увеличивают конц.и уменьшают сродство фермента к субстрату.Они не изменяют скор.ферментативной реакции:при повышении концентрации субстрата действие конкурентных ингибиторов можно преодолеть-молекулы конкурентного ингибитора постепенно вытесняются субстратом с активного центра фермента.

ХАРАКТЕРИСТИКА НЕКОНКУРЕНТНЫХ (АЛЛОСТЕРИЧЕСКИХ) ИНГИБИТОРОВ

Связываются с аллостерическим центром фермента.Происходят изменения конформации аллостерического центра, а затем, через всю молекулу, они передаются на каталитический центр.Изменение конформации каталитического центра вызывает снижение активности фермента.Поэтому неконкурентные ингибиторы уменьшают скор.протекания II-го этапа ферментативного катализа.Не влияют на конц. и не изменяют сродство фермента к субстрату. 5.КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ I класс - ОКСИДОРЕДУКТАЗЫ. К данному классу относятся ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. При окислении может происходить либо отнятие водорода от окисляемого вещества, либо присоединение кислорода к окисляемому веществу. В зависимости от способа окисления различают следующие подклассы оксидоредуктаз:

1) ДЕГИДРОГЕНАЗЫ. Катализируют реакции, при которых происходит отнятие водорода от окисляемого вещества.

2) ОКСИГЕНАЗЫ. Ферменты этого подкласса катализируют включение кислорода в окисляемое вещество.

a) Монооксигеназы - включают один атом кислорода в окисляемое вещество.

б)Диоксигеназы - включают 2 атома кислорода в окисляемое вещество. Часто это сопровождается разрывом циклической структуры. По месту разрыва связи (на рисунке обозначено стрелкой) присоединяются атомы кислорода.

II класс - ТРАНСФЕРАЗЫ

ктализируют реакции переноса химических групп с молекулы одного вещества на молекулу другого вещества.(амино-,фосфотрансферазы)

III класс - ГИДРОЛАЗЫ

Катализируют реакции разрушения химических связей с участием воды.(пептидазы.липазы)

IV класс - ЛИАЗЫ

Катализируют реакции разрушения химических связей без участия воды.(дпгидротаза,синтаза)

V класс - ИЗОМЕРАЗЫ

Катализируют реакции изомерных превращений в 1мол-ле.

VI класс - ЛИГАЗЫ (СИНТАЗЫ, СИНТЕТАЗЫ)

Катализируют реакции синтеза.

Одна и та же химическая реакция в организме может катализироваться разными белками-ферментами.В таком случае они называются изоферментами - это разные молекулярные формы одного и того же фермента.Они могут отличаться обычно очень незначительно.Например,в молекуле один или несколько аминокислотных остатков могут быть заменены другими.Но этого достаточно,чтобы возникли различия,при оптимальном значении рН для действия фермента и в субстратной специфичности,вVиK.Называют такие ферменты, как правило,одинаково,но добавляют к названию номер или иное дополнение(для идентификации).Если ферменты находятся в клетках разного типа, то изоферменты будут определять специфику метаболизма своих клеток. Такая система регуляции работает при разных концентрациях субстрата, которые изменяются в очень широких пределах.Наличие двух изоферментов позволяет успешно превращать субстрат и при малых,и при больших концентрациях субстрата. ИЗОФОРМЫ:КФК(МВ,ММ,ВВ АЛТ,АСТ,ЛДГ(1,2,3,4,5),ЩФ,тропонины(I,T,C),липаза,амилаза,трипсин

СтРОЕНИЕ И СВОЙСТВА БЕЛКОВ.

БЕЛКИ или ПРОТЕИНЫ-это высокомолекулярные азотсодержащие органические вещества, линейные гетерополимеры, структурным компонентом которых являются аминокислоты, связанные пептидными связями.Кроме понятия «белок»,в химии встречается терминыПЕПТИД и ПОЛИПЕПТИД.Пептидом обычно называют олигомер,состоящий не более чем из10аминокислот.Но встречаются и молекулы,содержащие от 10 до 100 аминокислот–они относятся к группе небольших ПОЛИПЕПТИДОВ,крупные же полипептиды могут содержать и более 100 аминокислот.Столько же аминокислот могут содержать и некоторые небольшие белки.Поэтому граница по количеству аминокислотных остатков,а,стало быть,и по молекулярной массе,между белками и полипептидами,весьма условна.

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ БЕЛКОВОЙ МОЛЕКУЛЫ

В основе каждого белка лежит полипептидная цепь.Она не просто вытянута в пространстве,а организована в трехмерную структуру.Поэтому существует понятие о 4-х уровнях пространственной организации белка,а именно-первичной,вторичной,третичной и четвертичной структурах белковых молекул.

ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА

Первичная структура белка -последовательность аминокислотных фрагментов,прочно(и в течение всего периода существования белка)соединенных пептидными связями.Существует период полужизни белковых молекул-для большинства белков около 2-х недель.Если произошел разрыв хотя бы одной пептидной связи,то образуется уже другой белок.

ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА

Вторичная структура -это пространственная организация стержня полипептидной цепи.Существуют 3 главнейших типа вторичной структуры:

1) Альфа-спираль -имеет определенные характеристики:ширину,расстояние между двумя витками спирали.Для белков характерна правозакрученная спираль.В этой спирали на 10 витков приходится 36 аминокислотных остатков.У всех пептидов,уложенных в такую спираль,эта спираль абсолютно одинакова.Фиксируется альфа-спираль с помощью водородных связей между NH-группами одного витка спирали и С=О группами соседнего витка.Эти водородные связи расположены параллельно оси спирали и многократно повторяются,поэтому прочно удерживают спиралеобразную структуру.Более того, удерживают в несколько напряженном состоянии(как сжатую пружину). Бета-складчатая структура - или структура складчатого листа.Фиксируется также водородными связями между С=О и NH-группами. Фиксирует два участка полипептидной цепи.Эти цепи могут быть параллельны или антипараллельны.Если такие связи образуются в пределах одного пептида,то они всегда антипараллельны,а если между разными полипептидами,то параллельны. Нерегулярная структура -тип вторичной структуры,в котором расположение различных участков полипептидной цепи относительно друг друга не имеет регулярного(постоянного)характера,поэтому нерегулярные структуры могут иметь различную конформацию.ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРАЭто трехмерная архитектура полипептидной цепи–особое взаимное расположение в пространстве спиралеобразных,складчатых и нерегулярных участков полипептидной цепи.У разных белков третичной структуры различна.В формировании третичной структуры участвуют дисульфидные связи и все слабые типы связей.Выделяют два общих типа третичной структуры:1) В фибриллярных белках(например,коллаген,эластин)молекулы которых имеют вытянутую форму и обычно формируют волокнистые структуры тканей,третичная структура представлена либо тройной альфа-спиралью (например,в коллагене),либо бета-складчатыми структурами. 2) В глобулярных белках, молекулы которых имеют форму шара или эллипса встречается сочетание всех трех типов структур:всегда есть нерегулярные участки,есть бета-складчатые структуры и альфа-спирали. Обычно в глобулярных белках гидрофобные участки молекулы находятся в глубине молекулы.Соединяясь между собой,гидрофобные радикалы образуют гидрофобные кластеры (центры).Формирование гидрофобного кластера вынуждает молекулу соответствующим образом изгибаться в пространстве.Обычно в молекуле глобулярного белка бывает несколько гидрофобных кластеров в глубине молекулы.Это является проявлением двойственности свойств белковой молекулы:на поверхности молекулы-гидрофильные группировки,поэтому молекула в целом-гидрофильная, а в глубине молекулы-спрятаны гидрофобные радикалы. ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРА

Встречается не у всех белков,а только у тех,которые состоят из двух или более полипептидных цепей.Каждая такая цепь называется СУБЪЕДИНИЦЕЙ данной молекулы(или ПРОТОМЕРОМ).Поэтому белки,обладающие четвертичной структурой,называют ОЛИГОМЕРНЫМИ белками.В состав белковой молекулы могут входить одинаковые или разные субъединицы. Например,молекула гемоглобина «А» состоит из двух субъединиц одного типа и двух субъединиц другого типа,то есть является тетрамером.Фиксируются четвертичные структуры белков всеми типами слабых связей,а иногда еще и дисульфидными связями. НАТИВНОСТЬ -это уникальный комплекс физических,физико-химических,химических и биологических свойств белковой молекулы,который принадлежит ей, когда молекула белка находится в естественном, природном(нативном)состоянии.Например:белок хрусталика глаза-кристаллин-обладает высокой прозрачностью только в нативном состоянии.

ДЕНАТУРАЦИЯ

Для обозначения процесса,при котором нативные свойства белка теряются,используют термин ДЕНАТУРАЦИЯ

ДЕНАТУРАЦИЯ -это лишение белка его природных,нативных свойств,сопровождающееся разрушением четвертичной(если она была),третичной, а иногда и вторичной структуры белковой молекулы,которое возникает при разрушении дисульфидных и слабых типов связей,участвующих в образовании этих структур.Первичная структура при этом сохраняется, потому что она сформирована прочными ковалентными связями.Разрушение первичной структуры может произойти только в результате гидролиза белковой молекулы длительным кипячением в растворе кислоты или щелочи

ФАКТОРЫ,ВЫЗЫВАЮЩИЕ ДЕНАТУРАЦИЮ БЕЛКОВ Факторы,которые вызывают денатурацию белков,можно разделить на физические и химические.

Физические факторы 1.Высокие температуры.Для разных белков характерна различная чувствительность к тепловому воздействию.Часть белков подвергается денатурации уже при 40-50⁰С.Такие белки называют термолабильными. Другие белки денатурируют при гораздо более высоких температурах,они являются термостабильными. 2.Ультрафиолетовое облучение

3.Рентгеновское и радиоактивное облучение

4.Ультразвук

5.Механическое воздействие(например,вибрация).

Химические факторы

1.Концентрированные кислоты и щелочи.Например,трихлоруксусная кислота(органическая),азотная кислота(неорганическая).

2.Соли тяжелых металлов(например,CuSO₄).

3.Органические растворители(этиловый спирт,ацетон)

4.Растительные алкалоиды.

5.Мочевина в высоких концентрациях

Обратимость денатурации

В пробирке (in vitro) чаще всего это–необратимый процесс.Если же денатурированный белок поместить в условия,близкие к нативным,то он может ренатурировать,но очень медленно,и такое явление характерно не для всех белков

In vivo,в организме,возможна быстрая ренатурация.Это связано с выработкой в живом организме специфических белков,которые узнают структуру денатурированного белка,присоединяются к нему с помощью слабых типов связи и создают оптимальные условия для ренатурации.Такие специфические белки известны как белки теплового шока или белки стресса.

Белки стресса

Существует несколько семейств этих белков,они отличаются по молекулярной массе.Например,известен белок hsp–heatshock protein массой 70 kDa.Такие белки есть во всех клетках организма. Они выполняют также функцию траспорта полипептидных цепей через биологические мембраны и участвуют в формировании третичной и четвертичной структур белковых молекул.Перечисленные функции белков стресса называются шаперонными. При различных видах стресса происходит индукция синтеза таких белков:при перегреве организма(40-44⁰С),при вирусных заболеваниях,отравлениях солями тяжелых металлов,этанолом и дрВ организме южных народов установлено повышенное содержание белков стресса, по сравнению с северной расой.

11.БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ - это совокупность окислительных процессов в живом организме,протекающих с обязательным участием кислорода.Синоним - ТКАНЕВОЕ ДЫХАНИЕ. Окисление одного вещества невозможно без восстановления другого вещества.Окислительно-восстановительных процессов в живой природе очень много.Часть окислительно-восстановительных процессов, протекающих с участием кислорода,относится к биологическому окислению.

ЭТАПЫ КАТАБОЛИЗМА

1-й этап. Образование мономеров из полимеров.

Полимеры>Мономеры

Белк>Аминокислоты

Крахмал>глюкоза Жиры >глицерин + жирные кислоты 2-й этап. Превращение мономеров в ПВК и Ацетил-КоА.

3-й этап. Превращение Ацетил-КоА в конечные продукты катаболизма: СО₂ и Н₂О.

Для всех классов веществ последний этап катаболизма одинаков: на 3-м этапе образуется большинство субстратов митохондриального окисления и ПВК.

ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ПИРУВАТА

1-ю реакцию катализирует фермент ПИРУВАТДЕКАРБОКСИЛАЗА (Е₁).

Простетической группой пируватдекарбоксилазы является тиаминдифосфат (ТПФ, тиаминпирофосфат, ТДФ) - это активная форма витамина В₁. Активная часть ТПФ- тиазоловое кольцо и атом водорода в нем. Пируватдекарбоксилаза отщепляет CO₂, а оставшаяся оксиэтильная группа присоединяется к ТПФ.

2-ю и 3-ю реакцию процесса катализирует фермент АЦИЛТРАНСФЕРАЗА(Е₂).Простетическая группа ацетилтрансферазы-амид липоевой кислоты. Катализирует перенос оксиэтильного остатка на свой собственный кофермент.В ее составе есть дисульфидная связь.

Ацетил-КоА: исходный субстрат для синтеза ЖК, ТГ, ХС и КТ;уч. в синтезе АЦ.ХОЛ;донор АЦ.Групп.При ац-и чуж.соед; уч. в синтезе АЦ. Глюкозаминов. ДЫХ.ЦЕПЬ: S(H2)-ДГ(НАД)-ДГ(ФАД)-КоQ(УХ)-2цв-2цс1-2цс-2ца-2ца3-1/2 O2

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ЦТК

ГЛАВНАЯ РОЛЬ ЦТК-ОБРАЗОВАНИЕ БОЛЬШОГО КОЛИЧЕСТВА АТФ. СИНТЕЗ АТФ. Во внутренней мембране митохондрий расположен интегральный белковый комплекс Н⁺-зависимая АТФ-синтаза Н⁺-зависимая АТФ-аза,обладающий значительной молекулярной Энергия необходима для освобождения АТФ.Эта энергия выделяется в результате тока протонов через протонный канал В дыхательной цепи сопряжение абсолютно:ни одно вещество не может окисляться без восстановления другого вещества.окисление может идти без фосфорилирования,а фосфорилирование без окисления никогда не идёт.

1.ЦТК - главный источник АТФ. Энергию для образования большого количества АТФ дает полный распад Ацетил-КоА до СО₂ и Н₂О.

2.ЦТК-это универсальный терминальный этап катаболизма веществ всех классов.

3.ЦТК играет важную роль в процессах анаболизма(промежуточные продукты ЦТК):из цитрата синтез жирных кислот-из aльфа-кетоглутарата и ЩУК-синтез аминокислот-из ЩУК-синтез углеводов-из сукцинил-КоА синтез гема гемоглобина

Способ образования АТФ, когда нет сопряжения с процессами окисления, называется СУБСТРАТНЫМ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕМ (при этом используется макроэргическая связь в молекуле какого-нибудь субстрата).В организмах высших животных и человека этот путь получения АТФ не является главным. Благодаря такому механизму окислительное декарбоксилирование a-кетокислот может считаться энергетически более выгодной, потому что образуется вещество с макроэргической связью - ацетил-КоА. Некоторые синтетазы используют макроэргические связи из Ацетил-КоА или Сукцинил-КоА для реакций биосинтеза. Подгот.реак-окисл-е дек-е пирувата: CH3-C=O-COOH+HAD+HS-KoA _ CH3-C=O-SkoA+ацетил-КоА.3ферм:пвтдг,дегидролипоилдг,дегидролипоилтрансацетилаза. 5коф:НАД(В5),ФАД(В2),ТПФ(В1),липоевая к-та,НСКоА