Процесс ингибирования ферментов может носить как обратимый, так и

необратимый характер. При необратимом ингибировании ингибитор настолько

прочно связывается с ферментом, что это вызывает стойкие (необратимые) из-

менения активности фермента. Примером необратимого ингибирования может

служить действие нервнопаралитических ядов на ацетилхолинэстеразу, иг-

рающую важную роль в процессах передачи нервных импульсов. Например,

одно из таких отравляющих веществ – диизопропилфторфосфат – взаимодей-

ствует с остатком серина в активном центре фермента с образованием прочного

неактивного комплекса диизопропилфосфорил-фермент: 88

Фермент

Диизопропилфторфосфат Диизопропилфосфорил-фермент

При обратимом ингибировании равновесие между ингибитором и фер-

ментом устанавливается довольно быстро. Комплекс фермент-обратимый ин-

гибитор довольно лабилен, вследствие чего быстро диссоциирует, при этом ак-

тивность фермента восстанавливается. Примером обратимого ингибирования

является образование молекулярного комплекса монооксида углерода СО с ге-

мом гемоглобина, который может быть разрушен введением избытка в орга-

низм кислорода.

Классическими вариантами ингибирования являются: конкурентное, не-

конкурентное, бесконкурентное и субстратное ингибирование.

Конкурентное ингибирование. Конкурентные ингибиторы вызывают

торможение ферментативной реакции за счет структурного сходства молекулы

ингибитора с молекулой субстрата. В этом случае ингибитор и субстрат, буду-

чи схожими по строению, конкурируют между собой за активный центр фер-

мента. Ингибирование наступает вследствие того, что ингибитор в силу боль-

шего стехиометрического соответствия связывает часть молекул фермента в

ингибитор-ферментные комплексы, лишая тем самым субстрат возможности

взаимодействовать с истинным ферментом.

Cкорость ферментативной реакции в случае полного конкурентного ингибиро-

вания будет определяться из следующего уравнения:

В этом случае зависимость в координатах Лайнувера-Берка имеет вид пучка

прямых, пересекающихся в точке на оси ординат (табл. 10), здесь КI – кон-

станта конкурентного ингибирования, т.е. константа диссоциации комплекса

фермент-ингибитор (EI), которая отражает сродство ингибитора к ферменту:

чем меньше КI, тем сильнее действие ингибитора.

Классическим примером конкурентного ингибирования является дейст-

вие малоната на сукцинатдегидрогеназу – фермент, отщепляющий от сукцината89

ионы водорода. Малонат отличается от сукцината лишь тем, что содержит

вместо двух одну метиленовую группу:

Сукцинат Малонат

Снять конкурентное ингибирование можно избытком субстрата, вытесняющего

ингибитор из активных центров фермента и тем самым повышающего его ак-

тивность.

Избирательно выключая тот или иной фермент, можно проводить свое-

образный анализ участия конкретного фермента в обмене веществ. Явление

конкурентного ингибирования открывает возможности для поиска антиметабо-

литов – конкурентных ингибиторов, перспективных в качестве специфических

лекарственных веществ. Таким способом были открыты сульфаниламидные

препараты, молекулы которых сходны по структуре с п-аминобензойной кисло-

той (ПАБК), используемой бактериями для синтеза фолиевой кислоты – кофак-

тора бактериальных ферментов. Замена ПАБК на молекулу сульфаниламида

останавливает синтез фолиевой кислоты, блокируя развитие последующих ме-

таболических стадий.

Изучение механизмов конкурентного ингибирования довольно успешно

применяется в медицинской практике. Так, например, щавелевая кислота явля-

ется сильнейшим ядом для организма человека. Она образуется в результате

окисления этиленгликоля – добавки в антифриз для автомобильных двигателей.

При отравлении этиленгликолем ежегодно в мире погибает около 50 человек.

Этиленгликоль окисляется в щавелевую кислоту в несколько этапов, первый из

которых заключается в окислении этиленгликоля до альдегидного производно-

го:

Данная реакция катализируется ферментом алкогольдегидрогеназой. Эту реак-

цию можно эффективно затормозить путем введения большой, почти токсиче-

ской дозы этанола. Этанол является конкурентным ингибитором алкогольде-

гидрогеназы и тем самым предотвращает окисление этиленгликоля в альдегид-

ное производное. В результате этиленгликоль выводится, не причиняя вреда

организму. Этот же принцип лежит в основе лечения отравлений метанолом.

Неконкурентное ингибирование. Неконкурентное ингибирование вы-

зывается веществами, не имеющими структурного сходства с субстратом и свя-

зывающимися с каталитическими группами активного центра или с другими

фрагментами молекулы фермента таким образом, что это затрагивает структуру

каталитического центра, мешая взаимодействию с ним субстрата. Неконку-

рентное ингибирование приводит к образованию тройного комплекса фер-90

мент–субстрат–ингибитор, однако, дальнейшего превращения этого ком-

плекса в продукты не происходит:

Зависимость в координатах Лайнувера – Берка представляет собой пучок пря-

мых, пересекающихся на оси абсцисс (табл. 10).

Примером неконкурентного ингибитора являются анионы СN−, которые

прочно связываются ионом Fe3+, входящим в каталитический участок гемино-

вого фермента – цитохромоксидазы. Блокада этого фермента выключает дыха-

тельную цепь, и клетка погибает. Токсичность действия ионов тяжелых метал-

лов (ртути, свинца, кадмия, мышьяка) и их органических соединений также

обусловлена неконкурентным ингибированием, механизм которого заключает-

ся в блокировании сульфгидрильных групп каталитического участка фермента

(подробнее о токсичном действии различных ионов металлов см. в главе 4 на-

стоящего Раздела). Снять действие неконкурентного ингибитора избытком суб-

страта нельзя, а можно лишь веществами, прочно связывающими ингибитор –

реактиваторами (рис. 14).