Регуляция скорости ферментативного катализа осуществляется 2-мя способами:
1) количеством фермента на уровне его биосинтеза;
2) активностью фермента.
Существуют следующие пути регуляции активности ферментов:
- ковалентная модификация;
- ассоциация и диссоциация;
- ингибирование;
- аллостерическая регуляция;
- влияние рН и температуры.
Ковалентная модификация заключается в присоединении к определенной части молекулы фермента или отщеплении от нее какой-либо группировки, что приводит к изменению активности фермента. Наиболее распространенными видами ковалентной модификации являются фосфорилирование и дефосфорилирование. При фосфорилировании происходит перенос фосфатной группы с АТФ на определенный остаток серина или треонина в молекуле фермента, этот процесс катализируют фосфопротеинкиназы. Дефосфорилирование сопровождается отщеплением фосфатной группы от молекулы фермента при участии фосфопротеинфосфатаз (рис. 8.1)
OH
АТФ АДФ I
Е - СН2ОН ¾¾¾¾¾¾® Е - СН2О - Р = О
|
|
Н3РО4 Н2О I
OH
дефосфорилированная форма фосфорилированная форма
фермента фермента
Рис. 8.1. Фосфорилирование и дефосфорилирование ферментов как разновидность ковалентной модификации
В ходе этих процессов изменяется активность ферментов.
Пример: гликогенфосфорилаза, участвующая в расщеплении гликогена, активна только в фосфорилированной форме, а гликогенсинтаза, принимающая участие в синтезе гликогена, активируется путем дефосфорилирования.
Разновидностью ковалентной модификации является регуляция активности ферментов на уровне профермента. Ряд ферментов синтезируется в неактивной форме, в виде профермента, переходящего в активное состояние в соответствующем месте и времени. Примером регуляции такого типа могут служить пищеварительные ферменты.
Например, трипсиноген, синтезирующийся в поджелудочной железе, активируется в тонком отделе кишечника в результате отщепления гексапептида с образованием активной формы - трипсина (рис.8.2.). Такой же тип регуляции используется в последовательности ферментативных реакций, ведущих к свертыванию крови.
Рис. 8.2. Активация профермента путем гидролиза специфических пептидных связей.
Ассоциация и диссоциация характерны для олигомерных ферментов (имеющих 2 и более субъединиц). Ассоциация субъединиц чаще всего приводит к активации фермента, а диссоциация олигомерного фермента на отдельные субъединицы в большинстве случаев ведет к потере ферментом активности.
Часто ассоциация и диссоциация связаны с процессами фосфорилирования и дефосфорилирования. Пример: фосфорилирование каждой из субъединиц гликогенфосфорилазы способствует их ассоциации с образованием активного тетрамерного фермента.
|
|
Процесс торможения ферментативной активности называется ингибированием, а вещества его вызывающие - ингибиторами.
В зависимости от характера связывания фермента с ингибитором различают обратимое и необратимое ингибирование.
Обратимое ингибирование делится на конкурентное и неконкурентное.
При конкурентном ингибировании ингибитор, будучи близким по хими-
ческой структуре с субстратом, конкурирует с ним за связывание с активным центром фермента (рис 8.3.).
Рис. 8.3. Схема конкурентного ингибирования. Конкурентный ингибитор препятствует связыванию фермента с субстратом.
При более высокой концентрации ингибитора образуется фермент-ингибиторный комплекс (E+I = EI), не дающий продукта реакции. Тройной (фермент-ингибитор-субстрат) комплекс образоваться не может, так как и субстрат и ингибитор конкурируют между собой за один и тот же участок фермента, т.е. его активный центр. Конкурентное ингибирование преодолевается повышением концентрации субстрата. В этом случае происходит взаимодействие фермента и субстрата с образованием продукта реакции (E+S = ES® E + P).
Классическим примером конкурентного ингибирования является игибирование сукцинатдегидрогеназы малоновой кислотой:
COOH COOH
I I
CH2 сукцинатдегидрогеназа C- H
I ¾¾¾¾¾® II
CH2 H- C
I I
COOH COOH
янтарная кислота фумаровая кислота
(субстрат) (продукт реакции)
COOH
I
CH2 ¾/¾® реакция не идет
I
COOH
малоновая кислота (ингибитор)
На принципе конкурентного ингибирования основано действие многих фармакологических препаратов. Например, для лечения некоторых инфекционных заболеваний применяют сульфаниламидные препараты, имеющие структурное сходство с пара-аминобензойной кислотой, которую бактерии используют для синтеза фолиевой кисло
ты.
пара-аминобензойная кислота сульфаниламид
Применение сульфаниламидных препаратов ингибирует фермент, синтезирующий фолиевую кислоту (путем вытеснения пара-аминобензойной кислоты), что ведет к торможению роста бактерий.
При неконкурентном ингибировании действие ингибитора не преодолевается повышением концентрации субстрата.
Ингибитор не имеет структурного сходства с субстратом и связывается либо непосредственно с каталитическими группами активного центра фермента (рис.8.4) или с другим участком фермента, изменяя конформацию активного центра таким образом, что затрагивает структуру каталитического участка, мешая его взаимодействию с субстратом (рис. 8.5.).
Рис.8.4. Связывание ингибитора (Hg2+) с каталитическими группами(-SH) активного центра фермента.
Рис. 8.5. Неконкурентный ингибитор связывается с ферментом вне активного центра.
Поскольку неконкурентное ингибирование не влияет на связывание субстрата, то в отличие от конкурентного ингибирования наблюдается образование тройного комплекса (E+I+S = EIS), однако продукта реакции он не дает. Снять действие неконкурентного ингибитора можно веществами, связывающими этот ингибитор (рис.8.6.). Примерами неконкурентных ингибиторов являются ионы ртути, кадмия, мышьяка, свинца и их органические соединения. Эти ионы блокируют, например -SH группы каталитического участка фермента. Комплекс фермент-ингибитор может присоединять субстрат, но превращения последнего не происходит, так как каталитические группы активного центра фермента заблокированы.
Неконкурентные ингибиторы применяются в качестве фармакологических средств. Препараты, содержащие ртуть, мышьяк, висмут неконкурентно ингибируют ферменты в клетках организма или болезнетворных бактерий, чем и определяется их лечебный эффект.
|
|
При интоксикации вытеснение ингибитора, являющегося ядом, возможно с помощью реактиваторов или противоядий. К ним относятся тиолсодержащие соединения, лимонная кислота, этилендиаминтетрауксусная кислота.
При необратимом ингибировании ингибитор необратимо связывается с ферментом (E + I ® EI).
Примером такого ингибирования является связывание пенициллина с ферментом, участвующим в синтезе клеточных стенок бактерий.
Рис.8.6.Снятие действия неконкурентного ингибитора(Hg2+) с помощью реактиватора.
Важное место в регуляции обмена веществ принадлежит аллостерической регуляции, характерной для аллостерических (регуляторных) ферментов. Эти ферменты помимо активного имеют также аллостерический центр, с которым связываются положительные или отрицательные аллостерические эффекторы. В качестве эффекторов могут выступать гормоны, различные метаболиты, ионы металлов, коферменты, иногда молекулы субстратов. Аллостерические эффекторы влияют на конформацию активного центра фермента - положительные изменяют ее таким образом, что активный центр фермента взаимодействует с субстратом и осуществляет катализ химической реакции (рис.8.7.), а отрицательные действуют противоположным образом, переводя фермент в неактивное состояние (рис.8.8.).
Рис. 8.7 Перевод фермента в активное состояние при действии положительного аллостерического эффектора (активатора).
Рис.8.8. Перевод фермента в неактивное состояние при помощи отрицательного аллостерического эффектора (ингибитора).
Аллостерические ферменты занимают ключевое положение в метаболизме, поскольку тонко реагируют на изменения в обмене веществ и регулируют скорость прохождения веществ по целой системе ферментов.
E1 E2 E3 E4
A ¾x® B ¾® C¾® D¾® E
------------------------------/
Исходное вещество (А) превращается в конечное (Е) через промежуточные (В, С, D) под действием соответственно ферментов Е1, Е2, Е3, Е4.
Вещество Е - конечный метаболит этого пути, накапливаясь в больших количествах (превышающих потребности в нем клеток), ингибирует первый фермент Е1 этого пути, являющийся аллостерическим. Это аллостерическая регуляция по принципу обратной связи.
|
|
Для каждого фермента существует свой оптимум рН (табл. 1), при котором скорость катализируемой им реакции максимальна. Для большинства ферментов оптимум рН близок к нейтральному, хотя имеются ферменты, функционирующие при других значениях рН.
Таблица 1
Оптимальные значения рH для некоторых ферментов.
Фермент | pH | Фермент | pH |
Пепсин | 1,5-2,5 | Уреаза | 7,0-7,2 |
Сахараза кишечника | 5,8-6,2 | Липаза панкреатина | 7,0-8,5 |
Амилаза слюны | 6,8-7,0 | Трипсин | 7,5-8,5 |
Каталаза | 6,8-7,0 | Аргиназа | 9,5-10,0 |
Изменение рН среды влияет на ионизацию кислотных (-СООН) и основных
(-NH2, -SH, N имидазольного кольца гистидина) групп аминокислотных остатков активного центра фермента, что сопровождается изменением активности фермента.
При оптимуме рН функциональные группы фермента и субстрата находятся в наиболее реакционно-способном состоянии.
Знание оптимумов рН ферментов имеет важное значение для практической медицины. Например, пепсин, расщепляющий пептидные связи в белках, функционирует в сильно кислой среде, поэтому для восстановления нарушенной активности эндогенного пепсина применят препарат пепсина с соляной кислотой, создающей нужный рН.
Оптимумом температур для большинства ферментов является температура тела 37 - 40оС (рис.8.9.) Более высокие температуры приводят к денатурации ферментов, так как по химической природе они являются белками.
Рис. 8.9. Зависимость скорости ферментативной реакции о температуры.
Влияние температуры на активность ферментов имеет существенное значение для понимания процессов жизнедеятельности. При понижении температуры скорость ферментативных реакций снижается, в результате снижается активность клеточных функций. Повышение температуры тела, например при инфекционных заболеваниях, ускоряет химические реакции в организме, что влечет за собой расточительное использование эндогенных субстратов в клетках больного организма.
Термозависимость ферментов широко используется в практике (искусственное охлаждение организма при проведении хирургических операций; хранение спермы, необходимой для искусственного осеменения с.-х. животных, осуществляется при температуре - 196оС; сохранность пищевых продуктов при низких температурах является результатом низкой активности ферментов микроорганизмов, способных вызвать порчу этих продуктов).
Основная литература
1. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. -М.: Медицина, 1990.- 528 с. |
2. Биохимия животных./ Под редакцией проф. А.В. Чечеткина. - М.: Высш. Шк., 1982.- 511 с. |
3. Кононский А.И. Биохимия животных. -Киев: Выща школа. Головное Издательство, 1980.-432 с. |
4. Строев Е.А. Биологическая химия. -М.: Высш. шк., 1986.- 479 с. |
Дополнительная литература
Горячковский А.М. Справочное пособие по клинической биохимии.-Одесса, 1994.- 416с. |
2. Диксон М., Уэбб Э. Ферменты. в 3-х томах. - М.: Мир, 1982. |
3. Коэн Ф. Регуляция ферментативной активности. - М.: Мир, 1986. |
4. Ленинджер А. Биохимия. - М.: Мир,1976. -957 с. |
5. Страйер Л. Биохимия. - М.: Мир, 1984. - т.1.- 232 с. |