Влияние концентрации субстрата на скорость ферментативного катализа

При увеличении концентрации субстрата скорость реакции вначале пропорционально возрастает, но при полном насыщении дальнейшее повышение концентрации субстрата либо не меняет скорость реакции, либо реакция тормозится (напр. при гидролизе не будет в достаточном количестве воды для реакции).

5. Активаторы и ингибиторы действия ферментов. Специфические и неспецифические эффекторы.

В клетке на активность ферментов оказывают влияние эффекторы - вещества, ускоряющие (активаторы) или тор­мозящие (ингибиторы) активность ферментов.

Среди активаторов различают:

1. Неспецифические — усиливающие активность целой группы фермен-тов. Часто такую роль выполняют ионы. Так, ионы магния - активаторы всех фосфатаз.

2.Специфические активаторы — вещества, активирующие только определенный фермент. Например, Mn активирует только изоцитрат-дегидрогеназу, соли желчных кислот — ли­пазу сока поджелудочной железы. Энтеропептидаза, образуе­мая клетками эпителия кишечника, является активатором трипсина: она отщепляет гексапептид и превращает трипсиноген в трипсин.

Ингибиторы тоже бывают:

1.Неспецифическими, т.е. угнетают активность определенной группы ферментов. Угарный газ (окись углерода — СО) и соли синильной кислоты — неспецифические ингибиторы фермен­тов, содержащих гем.

Ингибиторы могут угнетать ферментативную активность обратимо и необратимо. Ингибиторы, вызывающие необрати­мое угнетение, называются ферментными ядами. Напри­мер, фосфорорганические вещества (ФОВ) необратимо угнетают активность ряда липаз, протеаз и особенно ацетилхолинэстеразы, фосфорилируя каталитическую группу ферментов, в результате ацетилхолин накапливается в синапсах и вызывает отравление организма. Некоторые необратимые ингибиторы образуют ковалентные связи с ферментом, например, нейротоксический эффект неко­торых инсектицидов обусловлен необратимым связыванием каталитического участка фермента ацетилхолинэстеразы.

2. Специфические ингибиторы — антиферментные ве­щества, подавляющие активность одного фермента. К ним относятся полипептиды, которые, присоединяясь к цепи фермента, прикрывают его активный центр или не дают сформироваться активному центру. Примером может служить ингибитор трипсина, при отщеплении которого энтеропептидазой формируется активный центр фермента. К названию фермента, имеющего специфический ингибитор, добавляется суффикс «-оген» или приставка «про-». Например, трипсиноген и прокарбоксипептидаза - это неактивные формы соответствующих ферментов.

По характеру различают конкурентное, неконкурентное и аллостерическое ингибирование.

Конкурентное ингибирование наблюдается в том случае, когда ингибитор имеет структурное сходство с субстратом, поэтому может связаться с активным центром фермента, образуя фермент-ингибиторный комплекс. При этом ингибитор может занимать не весь активный центр фер­мента.

Если увеличить концентрацию субстрата, то действие ин­гибитора снимается. Все конкурентные ингибиторы характе­ризуются выраженным структурным сходством с соответст­вующим субстратом, т. е. специфичность фермента недоста­точна, чтобы различить субстрат от ингибитора. Например, янтарная кислота субстрат СДГ, малоновая и щавелевоуксусная являются

ингибиторами СДГ, т. к. могут связываться с ее активным центром и прекращать реакцию окисления янтарной кислоты этим ферментом. К конкурентным ингиби­торам

относятся также антиметаболиты, которые при введе­нии в организм вызывают аномальные явления и тормозят метаболизм. Например, сульфаниламид очень схож по строе­нию с парааминобензойной кислотой, входящей в структуру фолиевой кислоты — кофермента метилтрансфераз. Встраивание его в кофермент ТГФК приводит к потере ферментом активности. На этом основано применение сульфаниламид­ных препаратов в медицине.

К конкурентному ингибированию относят и ингибирование продуктами реакции. Продукты реакции по структуре часто похожи на субстрат, поэтому, накапливаясь, они ингибируют фермент. Данный вид конкурентного ингибирования имеет значение в регуляции метаболизма. Например:

Глюкоза в данном случае служит ингибитором глюкозо-6-фосфатазы.

При неконкурентном ингибировании конкуренция между субстратом и ингибитором отсутствует, т.к. ингибитор не имеет структурного сходства с субстратом. Поэтому ингибитор не влияет на связывание субстрата с ферментом в его активном центре. Действие ингибитора проявляется в том, что он свя­зывается с каталитическими группами в активном центре или, связываясь вне его, изменяет конформацию активного центра, мешая взаимодействию с ним субстрата. При этом вместо фермент-субстратного комплекса образуется комплекс фермент-субстрат-ингибитор, который не подвергается превращениям. Такими ингибиторами являются цианиды, ко­торые, связавшись с железом, входящим в каталитический центр цитохромов, ингибируют их. Ионы тяже­лых металлов оказывают ингибирующее действие, блокируя тиогруппы каталитических центров ферментов.

6.Аллостерическое активирование и ингибирование ферментов является примером нековалентной регуляции активности ферментов.

Такой вид регуляции активности фермента харак­терен для ферментов, имеющих четвертичную структуру и аллостерические центры — центры регуляции, располагаю­щиеся недалеко от активного центра. Изменения в этом центре при воздействии на них эффекторов (активаторов или ингибиторов) отражаются на конформации активного центра. Активный центр становится или более соответствующим по форме субстрату (под влиянием активаторов), тогда ак­тивность фермента резко повышается, или теряет сродство к субстрату, и наблюдается торможение действия фермента.

Некоторые ферменты имеют несколько аллостерических центров. Одни из них специфичны к ингибиторам, другие - к активаторам. Такие ферменты называются аллостерическими и занимают ключевое положение в метаболизме.

7. Регуляция путем изменения биосинтеза ферментов. Рассмотренные ранее способы изменения скорости протекания реакций направлены на изменение активности уже имеющихся ферментов. Существует другой способ регуляции – изменение концентрации ферментов. В организме имеются вещества, которые способны вызвать ускорение синтеза ферментов, воздействуя на молекулу ДНК, т.е. они могут вызвать индукцию генов или же, наоборот, замедление (репрессию генов ). Зависимость скорости реакции от концентрации фермента линейная. К таким веществам относятся гормоны.

8.Компартментализация. Этот способ регуляции позволяет осуществить наиболее тонкую регуляцию метаболизма. За счет этого процесса с помощью биомембран различные процессы обособляются. Все метаболические про­цессы протекают в ограниченных пространствах, не мешая друг другу. Этот механизм позволяет разделить несовместимые и протекающие в одно и то же время метаболические процессы. Например, ЦТК, биологическое окисление, распад СЖК идут в митохондриях; гликолиз, синтез жирных кислот - в цитоплазме. Однако полной изоляции процессов в организме нет. Эти процессы связываются между собой метаболитами (в частности, ацетилКоА). Репликация, протекающая в ядре, связана с биосинтезом белка, проходящим в рибосоме, через м-РНК.