Регуляция активности ферментов

Использование ферментов в фармации, медицине.

Виды регуляции активности ферментов:

1. Аллостерическая модификация.

1. Активация зимогенов.
2. Регуляция путем химической модификации.

Аллостерическая модификация.

Этот вид активации характерен для ключевых обменных процессов:

Ключевой фермент начинает (открывает) процесс.

Ферменты, от активности которых зависит скорость процесса, называются регуляторными или аллостерическими.

Особенности аллостерических ферментов.

1. Регуляторные ферменты – это олиго или мультиферменты.

1. Регуляторные ферменты имеют аллостерический центр или центры, которые формируются за счет 2 или нескольких протомеров.
2. Для регуляторных ферментов характерен сигмоидный характер зависимости скорости реакции от концентрации субстрата.

S-образная форма кривой объясняется по-видимому тем, что регуляторный фермент состоит не из одной полипептидной цепи, а из нескольких. Каждый протомер обладает свойством связывать субстрат (есть субстратные и каталитические центры на каждом протомере) с образованием F-S-комплекса. Активные центры конкурируют между собой за субстрат до тех пор пока не произойдет полного насыщения всех активных центров, после этого скорость реакции быстро достгает максимума.

I.- простой фермент

II – регуляторный фермент.

Вещества, связывающиеся с активны центром и изменяющие структуру белковой молекулы фермента, а следовательно и пространственную ориентацию функциональных групп аминокислот, составляющих субстратный и каталитический центры называют модификаторами.

Модификаторы бывают двух видов:

1. Положительные модификаторы (+) – после присоединения активность ферментов повышается.
2. Отрицательные модификаторы(-) после взаимодействия с ферментом снижают его активность.

Модификаторы обычно низкомолекулярные вещества. Это субстраты конечные продукты реакции.

Различают три вида регуляторных ферментов:

1. Гомотропные – для этого класса ферментов субстрат является положительным модулятором или регуляция по принципу прямой положительной связи.

2. Гетеротропные – активируются другими модификаторами, ингибируются конечным продуктом или регуляция по принципу обратной отрицательной связи.

3. Гомогетеротропные – для этих ферментов характерно смешанное регулирование и субстратом и другими соединениями.

Активация зимогенов.

Многие пищеварительные ферменты синтезируются в неактивной форме – в виде зимогенов (пепсиноген, трипсиноген и др.).

Эти неактивные зимогены активируются после попадания в ЖКТ, благодаря этому не происходит переваривания клеток, где происходит синтез ферментов. Зимогены не активны, так как содержат дополнительные участки или группы, которые препятствуют доступу субстрата к активному центру. Удаление этой блокирующей группы протеолитическими ферментами приводит к необратимой активации зимогена.

Трипсиноген

Эндопептидаза расщепляет пептидную связь между лиз в положении 6 и лей в положении 7, в результате отщепляется пептид и образуется активный трипсин.

Схема активации зимогена:

По такой схеме происходит активация целого ряда зимогенов:

1. Пищеварительные ферменты
2. Ферменты свертывания крови
3. Белковые гормоны
4. Кининовая система, компонент
5. Фибриллярный белок проколлоген коллоген.

Основная черта активации зимогенов заключается в каскадном (последовательном) включении зимогенов с образованием активных ферментов например 12-перстной кишки.

Регуляция путем химической модификации.

По существу это изменение химической структуры активного центра. В некоторых случаях фермент может существовать в клетке в неактивной форме или слабоактивном состоянии, но присоединение фосфатной группы при участии фосфорилирующего фермента, называемого киназой, к аминокислоте вблизи от активного центра, активирует фермент. Такая система может быть возвращена в исходное состояние под действием фермента, отщепляющего фосфатную группу.

Киназа Ф

F (актив)

F(неакт) Ф

Фосфотаза – Ф

Такой механизм очень важен, т.к. активность киназы и фосфатазы могут изменяться под действием гормонов.

Уровни организации ферментов в клетке.

Большинство ферментов в клетке имеют сложное строение, т.е. это мультиферменты.

По сложности молекулярная организация мультиферменые системы, осуществляющие последовательные реакции можно разделить на 3 уровня.

I уровень организации

В простейших мультиферментных системах отдельные ферменты растворены в цитозоле и работают независимо друг от друга; предполагается, что во время своего действия они физически друг с другом не связаны. Небольшие молекулы субстрата, характеризующиеся высокой скоростью диффузии, очень быстро находят дорогу от одного фермента к другому:

II уровень организации

Отдельные ферменты, относящиеся к этим системам, могут ассоциировать друг с другом в форме ферментных комплексов.

Например: синтетаза жирных кислот, представляющая систему из семи разных ферментов, молекулы которых объединены в тесно связанный комплекс, который с трудом распадается на отдельные ферменты, причем после диссоциации все они оказываются неактивными (биологически выгодно – сокращается скорость образования конечного продукта).

III уровень организации

Это наиболее высокоорганизованные ферментные системы, связанные с крупными надмолекулярными структурами (мембраны, рибосомы).

Цепь дыхательных ферментов, прикрепленных к мембране митохондрий и представляющих собой по существу часть мембраны. Мембраны могут изменять специфичность ферментов, изменяя пространственную конформацию белковой молекулы фермента (четмертичная структура). Например, АТФ-аза, связанная с мембраной синтезирует АТФ, а свободная разрушает.