Ферменти – це каталізатори, активність яких може бути регульована. Більшість ферментів можуть зв’язуватися з малими молекулами, які мають назву модифікатори (ефектори) і можуть змінювати ферментативну активність. До них належать:
- інгібітори – сполуки, які гальмують активність ферменту;
- активатори – сполуки, які збільшують ферментативну активність.
Відповідно результат дії інгібіторів має назву інгібування, активаторів – активація.
Активація ферментативної активності може відбу-ватися під дією кофакторів, субстратів або інших метаболітів.
Кофактори можуть позитивно впливати на зв’язування субстрату з активним центром, каталітичне перетворення S, іноді утворюють метало-субстратні комплекси, які більш ефективно підлягають дії ферменту.
До кофакторів, що здатні активувати ферменти, належать як іони металу, так і невеличкі органічні молекули, наприклад, похідні водорозчинних вітамінів (НАД, ФАД, ТГФК тощо). Усе це стосується лише ферментів, робота яких потребує наявності кофактора.
|
|
Молекули субстрату також можуть активувати фермент, але за рахунок інших механізмів. Відомо, що молекули субстрату стабілізують структуру ферменту та індукують необхідні конформаційні зміни в активному центрі.
Інгібування ферментативної активності може відбуватися за різними механізмами, тому існує декілька видів інгібіторів і відповідно інгібування. Слід відзначити, що інгібіторами не є сполуки, які руйнують структуру ферменту шляхом денатурації.
Ці сполуки належать до інактиваторів, а процес має назву інактивація.
Рисунок 13 - Види інгібування активності ферментів
На рис. 13 наведена класифікація видів інгібування активності ферментів, яке можу бути як зворотним, так і незворотним процесом.
Незворотне інгібування спостерігається в разі, коли інгібітор міцно зв’язується з молекулою ферменту, що викликає незворотну втрату активності. Незворотні інгібітори є отрутами.
Прикладом незворотного інгібування може бути дія отруйної речовини – диізопропілфторфосфату (ДФФ). ДФФ утворює ковалентні зв’язки із залишками серину в активному центрі ацетилхолінестерази, біологічною функцією якої є розщеплення нейромедіатора ацетилхоліну. В результаті цього
|
Залишок Сер у складі Еnz ДФФ Диізопропілфосфорил-
фермент
Рисунок 14 - Реакція ДФФ із залишком серину у активному центрі ацетилхолінестерази
На рис. 14 наведений хімізм реакції, яка відбувається в активному центрі ферменту при дії ДФФ. Реактивація ферменту неможлива у зв’язку з неможливістю розірвати зв'язок між інгібітором та залишком серину.
|
|
Зворотне інгібування властиве для значної кількості ферментів живих організмів, для яких при різних фізіологічних умовах необхідна зміна активності. Так, наприклад, продукція енергії у мітохондріях залежить від енергетичного статусу клітини, молекулярним показником якого є концентрація АТФ, АДФ, АМФ та ін. сполуки. При зростанні кількості енергії, яка не використовується клітиною, молекула АТФ буде інгібітором деяких ферментів, які задіяні в генерації цієї енергії.
Зворотне інгібування буває двох видів: конкуренте та неконкурентне (рис. 13).
Конкурентне інгібування відбувається в разі, коли молекула інгібітора за структурою схожа на молекулу субстрату і конкурує з ним за активний центр ферменту. В разі, коли в середовищі знаходяться молекули інгібітора, вони зв’язуються з активним центром та перешкоджають зв’язуванню молекул субстрату. Для конкурентного інгібування характерні такі основні кінетичні характеристики ферменту: Km – збільшується, Vmax – залишається без змін.
Зняти цей вид інгібування можна надлишком субстрату, тобто внесення у середовище значної кількості субстрату призводить до того, що молекули субстрату витісняють молекули інгібітора з активного центру ферменту.
Конкурентними інгібіторами можуть бути молекули екзогенного та ендогенного походження. Оскільки вони схожі за будовою на молекули субстрату, їх ще називають антиметабо-літами.
Так, наприклад, структурні аналоги пара-амінобензойної кислоти (ПАБК) – сульфаніламіди - мають антибактеріальну дію, тому що конкурентно інгібують в бактеріальних клітинах утворення дегідрофолієвої кислоти (ДГФК). Ця кислота є попередником синтезу тетрагідрофолієвої кислоти (ТГФК), яка, у свою чергу, необхідна для синтезу нуклеїнових кислот. Таким чином, сульфаніламідні препарати мають бактеріостатичну дію.
Іншим прикладом антиметаболіту є меркаптопурин, який є структурним аналогом пуринових азотистих основ і використовується для лікування деяких онкологічних захворювань. Дія препарату базується на тому, що при його включенні в обмін нуклеотидів порушується синтез пуринів, що, у свою чергу, інгібує синтез нуклеїнових кислот у клітинах, що проліферують в S-фазі клітинного циклу.
Конкурентне інгібування може спостерігатися при отруєнні деякими сполуками. В цьому разі знання механізмів реактивації при конкурентному інгібуванні має велике значення для пошуку підходів до лікування.
Наприклад, при отруєнні метанолом використовують значні дози етанолу, який є субстратом для алкогольде-гідрогенази (АДГ). Метанол – це отрута, яка діє на нервову і судинну систему. Доза 30 мл вважається летальною. В разі отруєння метанол блокує активний центр АДГ, тому що за будовою схожий на етанол. Надлишок етанолу (діє як антидот) знімає інгібування і при вчасній допомозі сприяє одужанню пацієнта.
Аналогічний підхід використовують при лікуванні отруєння етиленгліколем – складовою частиною антифризу. Етиленгліколь під дією алкогольдегідрогенази перетворюється у щавлеву кислоту, яка є дуже токсичною для організму людини, тому, за статистикою, щороку у світі від отруєння етиленгліколем гинуть понад 50 осіб. Використання значних доз етанолу (токсичних для здорової людини) обумовлено ефектом заміщення молекул етиленгліколю в активному центрі АДГ на етанол і блокування утворення отруйної щавлевої кислоти. В результаті етиленгліколь виводиться з організму.
Неконкурентне інгібування ферментативної активності є результатом зв’язування молекули інгібітора не з активним центром, а з іншою ділянкою молекули білка-ферменту. Оскільки інгібітор не впливає на зв’язування ферменту з субстратом, у результаті може утворитися потрійний комплекс ферменту (Е), субстрату (S) та інгібітора (I):
|
|
Е + S + I ↔ ESI
Механізм інгібування полягає в тому, що після такого зв’язування відбуваються конформаційні зміни в активному центрі, який у подальшому не може нормально функціонувати та перетворювати S у Р.
При неконкурентному інгібуванні Km – не змінюється, Vmax – зменшується.
За будовою неконкурентний інгібітор не схожий на молекулу субстрату, тому зняти цей вид інгібування надлишком субстрату неможливо. Для цього існують спеціальні сполуки – реактиватори, які міцно зв’язують інгібітор і, таким чином, звільняють фермент від нього.
Прикладами неконкурентного інгібування можуть бути:
1) дія іонів важких металів (ртуті, свинцю, кадмію та ін.), які блокують SH-групи активного центру. Зняти таке інгібування допомагають реактиватори – SH-комплексони (цистеїн, димеркаптопропанол). Ці сполуки містять SH-групи, які зв’язують іони важких металів:
2) дія ціанідів CN- , які реагують з Fe3+, що входить до складу цитохромоксидази – ферменту дихального ланцюга мітохондрій і повністю блокують синтез АТФ у клітині.