Ингибиторы ферментов обратимые и необратимые. Неконкурентное ингибирование. Неконкурентное обратимое ингибирование

Конкурентное ингибирование

Существуют обратимые ингибиторы двух типов – конкурентные и неконкурентные. Изучение обратимых ингибиторов ферментов позволило получить весьма важные сведения о структуре активных центров различных ферментов.

Конкурентный ингибитор конкурирует с субстратом за связывание с активным центром, но в отличие от субстрата связанный с ферментом конкурентный ингибитор не подвергается ферментативному превращению (Рисунок 1). Отличительная особенность конкурентного ингибирования состоит в том, что его можно устранить или ослабить, просто повысив концентрацию субстрата.

Рисунок 1- Схема конкурентного ингибирования активности фермента

Например, если при заданных концентрациях субстрата и конкурентного ингибитора активность фермента подавлена на 50%, то мы можем уменьшить степень ингибирования, повысив концентрацию субстрата.

По своей трехмерной структуре конкурентные ингибиторы обычно напоминают субстрат данного фермента. Благодаря такому сходству конкурентному ингибитору удается «обмануть» фермент и связаться с ним. Конкурентное ингибирование можно количественно изучать на основе теории МихаэлисаМентен. Конкурентньпй ингибитор I просто обратимо присоединяется к ферменту Е, образуя с ним комплекс EI.Однако в отличие от субстрата ингибитор не подвергается действию фермента и новые продукты реакции не образуются (Рисунок 1).

Классическим примером конкурентного ингибирования служит ингибирование сукцинатдегидрогеназы анионом малоновой кислоты (Рисунок 2). Сукцинатдегидрогеназа входит в состав группы ферментов, катализирующих реакции цикла трикарбоновых кислот - конечный метаболический путь окислительного разрушения углеводов и жиров в митохондриях. Этот фермент катализирует отщепление двух атомов водорода от сукцината - по одому от каждой из двух метиленовых (-СН 2 -) групп. Сукцинатдегидрогеназа ингибируется малонатом, который напоминает сукцинат тем, что он также содержит две карбоксильные группы, принимающие при рН 7,0 ионизированную (депротонированную) форму. Однако он отличается от сукцината тем, что в его молекуле имеется только три атома углерода. Сукцинат-дегидрогеназа не способна отщеплять водород от малоната, но мапонат занимает активный центр фермента, не давая ему возможности взаимодействовать с нормальным субстратом. Малонат является обратимым ингибитором, так как повышение концентрации сукцината при заданной концентрации малоната снижает степень ингибирования фермента. В качестве конкурентных ингибиторов сукцинатдегидрогеназы могут выступать и другие соединения, содержащие две отрицательно заряженные группы, расположенные на соответствующем расстоянии друг от друга. К ним относится, например, оксалоацетат - промежуточный продукт в цикле трикарбоновых кислот.

Рисунок 2 - Реакция, катализируемая сукцинатдегидрогеназой, и ее конкурентное ингибирование

Конкурентные ингибиторы напоминают в структурном отношении сукципат: они содержат две определенным образом расположенные в пространстве отрицательно заряженные группы, которые соответствуют конформацин активного центра.

Изучение структурных особенностей всех этих ингибиторов позволило сделать вывод, что в каталитическом центре сукцинатдегидрогеназы находятся две определенным образом расположенные в пространстве положительно заряженные группы, способные притягивать две отрицательно заряженные карбоксильные группы сукцинат-аниона. Таким образом, каталитический центр сукцинатдегидрогеназы оказывается комплементарным структуре своего субстрата (Рисунок 2).

Конкурентное ингибирование проще всего можно распознать экспериментальным путем, определив влияние концентрации ингибитора на зависимость начальной скорости реакции от концентрации субстрата. Для выяснения вопроса о том, по какому типу конкурентному или неконкурентному происходит обратимое ингибирование фермента, весьма удобно преобразовать уравнение Михаэлиса-Ментен в линейную форму. Чаще всего для этой цели используют метод двойных обратных величин. Из графиков, построенных в двойных обратных координатах, можно определить также значение константы диссоциации комплекса фермент ингибитор. Для реакции диссоциации

константа диссоциации равна

ИНГИБИТОРЫ. Ферменты - это катализаторы с регулируемой активностью. Ею можно управлять с помощью различных веществ. Действие фермента можно ИНГИБИРОВАТЬ определёнными химическими веществами- ИНГИБИТОРАМИ. По характеру действия ингибиторы делятся на 2 большие группы:

1.Обратимые - это соединения, которые НЕКОВАЛЕНТНО взаимодействуют с ферментом, при этом образуется комплекс, способный к диссоциации.

2.Необратимые - это соединения, которые могут специфически связывать определенные функциональные группы активного центра фермента. Они образуют с ним прочные КОВАЛЕНТНЫЕ связи, поэтому такой комплекс трудно разрушить.

ВИДЫ ИНГИБИРОВАНИЯ. По механизму действия выделяют следующие виды ИНГИБИРОВАНИЯ:

1. Конкурентное ингибирование - торможение ферментативной реакции, вызванное действием ингибиторов, структура которого очень близка к структуре S, поэтому и S, и ингибитор конкурируют за АЦ Ф. и связывается с ним то соединение. концентрация которого в окружающей среде больше. E+S - ES-EP

Многие лекарственные препараты действуют по типу конкурентного ингибитора. Примером является применение СУЛЬФАНИЛА (СА). При различных инфекционных заболеваниях, которые вызываются бактериями, применяются СА препараты. Введение СА приводит к ИНГИБИРОВАНИЮ фермента бактерий, которые синтезируют ФОЛИЕВУЮ кислоту. Нарушение синтеза этой кислоты проводит к нарушению роста микроорганизмов и их гибели.

2.НЕКОНКУРЕНТНОЕ ИНГИБИРОВАНИЕ -ингибитор и субстрат не имеют структурного сходства; ингибитор не влияет на образование F-S-комплекса; образуется тройной ESI -комплекс.

Такие ингибиторы влияют на каталитическое превращение субстрата. Они могут связываются как непосредственно с каталитическими группами AЦ Ф, так и вне АЦ Ф. Но в любом случае они влияют на конформацию активного центра. В качестве неконкурентного ингибитора выступают ЦИАНИДЫ. Они прочно связываются с ионами железа ЦИТОХРОМОКСИДАЗЫ. Этот фермент является одним из компонентов дыхательной цепи. Блокирование дыхательной цепи приводит к мгновенной гибели организме. Действие можно снять только с помощью РЕАКТИВАТОРОВ.

3.СУБСТРАТНОЕ ИНГИБИРОВАНИЕ - это торможение ферментативной реакции, вызванное избытком субстрата. При этом образуется F-S комплекс, но он не подвергается каталитическим превращениям, т.к. делает молекулу фермента неактивной. Действие субстратного ингибитора снимается путём уменьшения концентрации субстрата.

4.АЛЛОСТЕРИЧЕСКОЕ ИНГИБИРОВАНИЕ . АЛЛОСТЕРИЧЕСКИЕ ферменты могут иметь 2 и более единиц протомеров. При этом одна имеет каталитический центр и называется каталитической, а другая - АЛЛОСТЕРИЧЕСКИЙ центр и называется регуляторной. В отсутствии АЛЛОСТЕРИЧЕСКОГО ИНГИБИТОРА субстрат присоединяется к каталитическому центру, и идёт обычная каталитическая реакция. При появлении АЛЛОСТЕРИЧЕСКОГО ИНГИБИТОРА, он присоединяется к регуляторной единице и изменяет КОНФОРМАЦИЮ центра фермента, в результате этого активность фермента снижается.

Понятие об изоферментах. Характеристика изоферментов лактатдегидрогеназы (ЛДГ) и креатинкиназы (КК). Диагностическая роль изоферментов КК. Использование ферментов в медицине. Энзимодиагностика и энзимотерапия. Энзимопатология, примеры.

Изоферменты - это группа Ф-ов, которые катализируют одну и ту же реакцию, но отличаются по некоторым физико-химическим свойствам. Они возникли вследствие генетических различий при формировании первичной структуры ферментного белка. Изоферменты обладают строгой органной специфичностью.

Определение активности ИЗОФЕРМЕНТОВ имеет диагностическое значение.

ЛДГ (лактатдегидрогеназа) имеет 5 изоферментов, каждый из которых является тетрамером. Эти Ф-ты ЛДГ различаются сочетанием – H и М-типа. В печени и мышцах преобладают и максимально активны ЛДГ-4 и ЛДГ-3. В миокарде, почечной ткани максимально активны ЛДГ-1 и ЛДГ-2. При патологии печени в сыворотке крови резко возрастает активность ЛДГ-4, ЛДГ-5.

КФК (КРЕАТИНФОСФОКИНАЗА) - 0,16 - 0,3ммоль/л. Состоит из 2-х единиц: В (мозг), М (мышцы). КФК-1 (ВВ, 0%, ЦНС) повышается при глубоком тяжёлом поражении (опухоль, травма, ушиб мозга). КФК-2 (MB, 3%, миокард) повышается при инфаркте миокарда, травме сердца. КФК-3 (ММ, 97%, мышечная ткань) повышается при поражении миокарда, синдром длительного давления.

Энзимопаталогия - изучает заболевания, связанные с нарушением деятельности Ф. в организме, либо полным их отсутствием. Н-р, фенилкетонурия: фенилаланин превращается в различные продукты, но только не в тирозин - фенилПВК, фениллактат. Это приводит к нарушению физических возможностей организма. Другой пример - отсутствие гистидазы. Этот Ф. участвует в превращении гистидина, отсутствие его приводит к накоплению гис в крови и моче, что оказывает негативное влияние на все обменные процессы, тормозится умственное и физическое развитие.

Энзимодиагностика - определение активности Ф. в диагностических целях. В основе этого лежит органоспецифичность Ф. Н-р. щелочная фосфатаза - специфический Ф, характеризует состояние костной ткани. Активность его повышается при рахитах, механической желтухе. При различных деструктивных процессах происходит нарушение целостности мембран поряженных органов, наблюдается выброс Ф. в кровь. Н-р. инфаркт миокарда.

Энзимотерапия - использование различных Ф в клинической практике в лечебных целях. Н-р при пониженной кислотности - пепсин.

Различают два больших класса ингибиторов ферментативной активности - конкурентные и неконкурентные - на основании того, ослабляется (конкурентное ингибирование) или не ослабляется (неконкурентное ингибирование) их ингибирующее действие при повышении концентрации субстрата. На практике многие ингибиторы не проявляют тех свойств, которые характерны для чисто конкурентного или чисто неконкурентного ингибирования. Другой способ классификации ингибиторов основывается на характере места их связывания. Одни из них связываются с ферментом в том же месте, что и субстрат (в каталитическом центре), а другие - на значительном расстоянии от активного центра (валлостерическом центре).

Конкурентное ингибирование аналогами субстрата

Классическое конкуретное ингибирование основано на связывании ингибитора с субстратсвязывающим (каталитическим) центром. Химическая структура аналога субстрата, действующего как ингибитор (I), обычно сходна со структурой субстрата (S). Поэтому ингибитор может обратимо связываться с ферментом, образуя вместо комплекс т.е. фермент-ингибиторный комплекс. Когда в реакционной смеси одновременно присутствуют и субстрат, и ингибитор указанного типа, они конкурируют за один и тот же связывающий центр на поверхности фермента. Один из наиболее подробно изученных примеров конкурентного ингибирования - это ингибирование сукцинатдегидрогеназы малонатом (I), конкурирующим за один и тот же центр с субстратом сукцинатом

Сукцинатдегидрогеназа катализирует образование фумарата в результате отщепления атома водорода от каждого из двух а-углеродных атомов сукцината (рис. 8.19). Малонат способен связываться с дегидрогеназой, образуя комплекс От Саагома малоната отщепления атома водорода произойти не может. Комплекс может только распадаться на свободный фермент и ингибитор. Для этой обратимой реакции

константа равновесия К, равна

Рис. 8.19. Сукцинатдегидрогеназвая реакция.

Действие конкурентных ингибиторов можно представить в виде следующих реакций:

Скорость образования продукта - обычно именно она является объектом измерения - зависит только от концентрации комплекса . Предположим, что I очень прочно связывается с ферментом мала). Тогда количество свободного фермента который мог бы присоединять S, образуя комплекс , а затем и , будет весьма мало. Таким образом, скорость реакции (образования Р) будет мала. По аналогичным причинам при той же концентрации слабо связывающегося ингибитора (Л велика) катализируемая реакция существенно не замедлится. Предположим теперь, что при фиксированной концентрации ингибитора 1 добавляется все большее количество субстрата S. Это повышает вероятность образования комплекса по сравнению с комплексом . С ростом отношения будет расти и скорость реакции. При достаточно высокой концентрации S концентрация комплекса станет исчезающе мала. Но тогда скорость катализируемой реакции будет такой же, что и в отсутствие I (рис. 8.20).

Рис. 8.20. Г рафик Лайнуивера - Бэрка для случая классического конкурентного ингибирования. Обратите внимание на полное отсутствие ингибирующего действия при высоких значениях [S] (низких значениях (1/[S]).

Графическая оценка констант конкурентного ингибирования

На рис. 8.20 приведен типичный случай конкурентного ингибирования, представленный в форме графика Лайнуивера-Бэрка. Скорость реакции измеряется при разных значениях концентрации S и при фиксированной концентрации ингибитора. Прямые, проведенные через экспериментальные точки, пересекаются в одной и той же точке на оси у. Длина отрезка, отсекаемого от оси у, равна это означает, что при бесконечно большой концентрации будет такой же, что и в отсутствие ингибитора. Однако длина отрезка, отсекаемого от оси эта величина определяет значение ), в присутствии ингибитора уменьшается Таким образом, конкурентный ингибитор повышает кажущееся значение для субстрата. Для простого конкурентного ингибирования длина отрезка, отсекаемого от оси будет равна

Определив в отсутствие I, можно найти из этого уравнения Если концентрация добавленного 1 значительно превышает концентрацию фермента, то можно считать [I] равной концентрации добавленного ингибитора.. Значения К, для ряда аналогов субстрата (конкурентных ингибиторов) показывают, какой из них наиболее эффективен. Ингибиторы с наименьшими даже при малых концентрациях могут оказывать сильное ингибирующее действие.

Многие лекарственные препараты, широко применяющиеся в клинике, действуют как конкурентные ингибиторы очень важных ферментов, функционирующих как в микробных, так и в животных клетках.

Обратимое неконкурентное ингибирование

Как следует уже из самого названия, в этом случае конкуренция между S и I отсутствует. При этом ингибитор обычно ничем не напоминает S и, как можно предположить, связывается с другим участком фермента. Обратимые неконкурентные ингибиторы понижают максимальную скорость, достижимую при данном количестве фермента (понижают но, как правило, не влияют на Поскольку I и S связываются с разными центрами, возможно образование как комплекса так и комплекса . Комплекс тоже распадается с образованием продукта, однако с меньшей скоростью, чем ; поэтому реакция будет замедляться, но не остановится. Таким образом, могут протекать

следующие конкурентные реакции:

На рис. 8.21 представлена зависимость от в присутствии и в отсутствие ингибитора (предполагается, что связывание I не приводит к существенным изменениям в работе активного центра).

Необратимое неконкурентное ингибирование

Ферментативная активность может уменьшаться в присутствии многих «ядов», таких, как иодацетамид, ионы тяжелых металлов окисляющие агенты и т.д. В присутствии одного или нескольких субстратов или продуктов скорость инактивации фермента может снижаться. Тот кинетический анализ, о котором здесь шла речь, может оказаться недостаточным для того, чтобы отличить действие ферментных ядов от действия неконкурентных обратимых ингибиторов. Обратимое неконкурентное ингибирование встречается сравнительно редко. К сожалению, оно не всегда выявляется, поскольку и обратимое, и необратимое неконкурентное ингибирование характеризуются сходной кинетикой.

Рис. 8.21. График Лайнуивера - Бэрка для случая обратимого неконкурентного ингибирования.

Все биохимические реакции, протекающие в организме, подвержены специфическому контролю, который осуществляется через активирующее или ингибирующее воздействие на регуляторные ферменты. Последние обычно находятся в начале цепочек метаболических превращений и либо запускают многоэтапный процесс, либо тормозят его. Регулированию также подвергаются некоторые единичные реакции. Конкурентное ингибирование является одним из основных механизмов контроля каталитической активности ферментов.

Что такое ингибирование?

Механизм ферментативного катализа основан на связывании активного центра энзима с молекулой субстрата (комплекс ES), в результате чего происходит химическая реакция с образованием и освобождением продукта (E+S = ES = EP = E+P).

Ингибированием фермента называют снижение скорости или полную остановку процесса катализа. В более узком смысле под этим термином подразумевают уменьшение сродства активного центра к субстрату, что достигается путем связывания молекул энзимов с веществами-ингибиторами. Последние могут действовать различными способами, на основании чего поделены на несколько типов, которым соответствуют одноименные механизмы ингибирования.

Основные типы ингибирования

По характеру протекания процесса ингибирование бывает двух видов:

• Необратимое - вызывает стойкие изменения в молекуле фермента, лишающие ее функциональной активности (последняя не подлежит восстановлению). Оно может иметь как специфический, так и неспецифический характер. Ингибитор прочно связывается с энзимом путем ковалентного взаимодействия.
• Обратимое - основной вид негативной регуляции ферментов. Осуществляется за счет обратимого специфического присоединения ингибитора к белку-энзиму слабыми нековалентными связями, поддается кинетическому описанию по уравнению Михаэлиса-Ментен (исключение составляет аллостерическая регуляция).

Выделяют два основных типа обратимого ингибирования ферментов: конкурентное (может быть ослаблено увеличением концентрации субстрата) и неконкурентное. В последнем случае происходит снижение максимально возможной скорости катализа.

Основная разница между конкурентным и неконкурентным ингибированием заключается в месте присоединения регуляторного вещества к ферменту. В первом случае ингибитор связывается непосредственно с активным центром, а во втором - с другим участком энзима, либо с фермент-субстратным комплексом.

Существует также смешанный тип ингибирования, при котором связывание с ингибитором не предотвращает образование ES, но замедляет катализ. В этом случае вещество-регулятор находится в составе двойных или тройных комплексов (EI и EIS). При бесконкурентном типе фермент связывается только с ES.

Особенности обратимого конкурентного ингибирования ферментов

Конкурентный механизм ингибирования основан на структурном сходстве регуляторного вещества с субстратом. В результате образуется комплекс активного центра с ингибитором, условно обозначаемый как EI.

Обратимое конкурентное ингибирование имеет следующие особенности:

• связывание с ингибитором происходит в активном центре;
• инактивация молекулы фермента обратима;
• ингибирующий эффект может быть уменьшен увеличением концентрации субстрата;
• ингибитор не влияет на максимальную скорость ферментативного катализа;
• комплекс EI может распадаться, что характеризуется соответствующей константой диссоциации.

При таком типе регуляции ингибитор и субстрат как бы соперничают (конкурируют) друг с другом за место в активном центре, откуда и произошло название процесса.

В итоге конкурентное ингибирование можно определить как обратимый процесс торможения ферментативного катализа, основанный на специфическом сродстве активного центра к веществу-ингибитору.

Механизм действия

Связывание ингибитора с активным центром препятствует образованию фермент-субстратного комплекса, необходимого для осуществления катализа. В итоге молекула энзима становится неактивной. Тем не менее каталитический центр может связаться не только с ингибитором, но и с субстратом. Вероятность образования того или иного комплекса зависит от соотношения концентраций. Если молекул субстрата значительно больше, то фермент будет реагировать с ними чаще, чем с ингибитором.

Влияние на скорость химической реакции

Степень торможения катализа при конкурентном ингибировании определяется тем, какое количество фермента будут образовывать EI-комплексы. При этом можно увеличить концентрацию субстрата до такой степени, что роль ингибитора будет вытеснена, а скорость катализа достигнет максимально возможного значения, соответствующего величине V max по уравнению Михаэлиса-Ментен.

Такое явление объясняется сильным разбавлением ингибитора. Как следствие, вероятность связывания с ним молекул фермента сводится к нулю, а активные центры реагируют только с субстратом.

Кинетические зависимости ферментативной реакции при участии конкурентного ингибитора

Конкурентное ингибирование увеличивает константу Михаэлиса (K m), которая равна концентрации субстрата, необходимой для достижения ½ максимальной скорости катализа в начале реакции. Количество фермента, гипотетически способного связаться с субстратом, остается постоянным, а число фактически образующихся ES-комплексов зависит только от концентрации последнего (комплексы EI не постоянны и могут быть вытеснены субстратом).

Конкурентное ингибирование ферментов легко определить по графикам кинетической зависимости, построенным для разных концентраций субстрата. В этом случае величина K m будет меняться, а V max оставаться постоянной величиной.

При неконкурентном ингибировании все наоборот: ингибитор связывается вне активного центра и присутствие субстрата никак не может на это повлиять. В результате часть молекул фермента "выключается" из катализа, и максимально возможная скорость снижается. Тем не менее активные молекулы энзима могут беспрепятственно связываться с субстратом как при маленькой, так и при высокой концентрации последнего. Следовательно, константа Михаэлиса остается постоянной.

Графики конкурентного ингибирования в системе двойных обратных координат представляют собой несколько прямых, пересекающих ось ординат в точке 1/V max . Каждая прямая соответствует определенной концентрации субстрата. Разные точки пересечения с осью абсцисс (1/[S]) говорят об изменении константы Михаэлиса.

Действие конкурентного ингибитора на примере малоната

Типичным примером конкурентного ингибирования является процесс снижения активности сукцинатдегидрогиназы — фермента, катализирующего окисление янтарной кислоты (сукцината) в фумаровую. В роли ингибитора здесь выступает малонат, имеющий структурное сходство с сукцинатом.

Добавление ингибитора в среду вызывает образование комплексов малоната с сукцинатдегидрогиназой. Такая связь не вызывает повреждения активного центра, но блокирует его доступность для янтарной кислоты. Увеличение концентрации сукцината снижает ингибирующий эффект.

Использование в медицине

На механизме конкурентного ингибирования основано действие многих лекарственных препаратов, представляющих собой структурные аналоги субстратов некоторых метаболических путей, торможение которых является необходимой частью лечения заболеваний.

Например, для улучшения проводимости нервных импульсов при мышечных дистрофиях требуется повысить уровень ацетилхолина. Это достигается угнетением активности гидролизующей его ацетилхолинэстеразы. В роли ингибиторов выступают четвертичные аммониевые основания, входящие в состав лекарственных препаратов (прорезин, эндрофоний и т. д.).

В особую группу выделяют антиметаболиты, которые помимо ингибирующего действия проявляют свойства псевдосубстрата. В таком случае формирование комплекса EI приводит к образованию биологически инертного аномального продукта. К антиметаболитам относят сульфаниламиды (используются при лечении бактериальных инфекций), аналоги нуклеотидов (применяются для остановки клеточного роста раковой опухоли) и т. д.

Регуляция активности ферментов может осуществляться путём взаимодействия ферментов с различными биологическими компонентами или чужеродными соединениями, которые называются регуляторами ферментов . Они могут либо ускорять, либо замедлять ферментативную реакцию.

Активаторы – это вещества, увеличивающие скорость ферментативной реакции .

Виды активаторов :

1. Вещества, влияющие на область активного центра . К ним относятся ионы металлов (Na+, K+, Fe2+, Co2+, Cu2+, Ca2+, Zn2+, Mg2+, Mn2+ и др.). В ряде случаев ионы металлов выполняют функцию кофактора фермента. В других случаях они способствуют присоединению субстрата к активному центру фермента. Ионы металлов оказываются активаторами только в условиях дефицита их в организме.

2. Аллостерические эффекторы , которые связываются с аллостерическим (регуляторным) участком апофермента. Это связывание вызывает конформационные изменения в молекуле белка, приводящие к изменению структуры активного центра, что сказывается на связывании и превращении субстрата в активном центре. При этом активность фермента либо увеличивается (это аллостерические активаторы ), либо уменьшается (это аллостерические ингибиторы ). Аллостерическими эффекторами ферментов наиболее часто выступают различные метаболиты, а также гормоны, ионы металлов, нуклеозиды - АТФ, АДФ, АМФ.

3. Вещества, вызывающие модификации, не затрагивающие активный центр фермента . Возможно несколько вариантов таких модификаций:

- активация путём присоединения специфической модифицирующей группы к молекуле фермента . Пример: регуляция активности липазы .

неактивная АТФ АДФ активная О

протеинкиназа ║

─СН2ОН ─СН2─О─Р─ОН

фосфатаза │

В этом случае фосфатная группа присоединяется к гидроксильным группам аминокислот, находящихся в белковой части фермента. Отрицательно заряженные фосфатные группы могут разрывать слабые водородные и ионные связи в третичной структуре белка-фермента и влиять на конформационное состояние его активного центра. В зависимости от природы фермента фосфорилирование может его активировать или, наоборот, инактивировать. Реакции присоединения фосфатной группы катализируют ферменты протеинкиназы , а отщепления – фосфатазы . Активность этих ферментов в свою очередь находится под контролем гормональной системы.

- активация путёмперехода неактивного предшественника - профермента в активный фермент за счёт частичного протеолиза .

Некоторые ферменты синтезируются в клетке первоначально неактивными и после секреции из клетки переходят в активную форму. Неактивные предшественники называются проферменты (зимогены ). Под действием активатора происходит частичный гидролиз профермента с отщеплением от него неактивного пептида, в результате чего открывается активный центр. Так происходит активация ферментов желудочно-кишечного тракта, переваривающих белки пищи. Например, фермент пепсиноген , синтезированный в клетках желудка, затем в просвете желудка под действием соляной кислоты превращается в активный пепсин путём удаления неактивного участка полипептидной цепи:

неактивный HCl активный

пепсиноген пепсин + пептид

(профермент )

- активатор вызывает диссоциацию субъединиц фермента, имеющего четвертичную структуру (отщепление одной из субъединиц фермента).

Ингибиторами называют вещества, вызывающие снижение активности фермента . Следует различать инактивацию и ингибирование фермента. Сам по себе факт торможения ферментативной реакции в присутствии какого-либо вещества ещё не говорит о том, что это вещество – ингибитор. Любые денатурирующие агенты вызывают инактивацию фермента и торможение ферментативной реакции. Ингибиторы, в отличие от денатурирующих агентов, действуют в малых концентрациях и вызывают специфическое снижение ферментативной активности.

По прочности связывания с ферментом ингибиторы делятся на обратимые и необратимые . Необратимые ингибиторы прочно связываются с ферментом, тогда как комплекс фермент – обратимый ингибитор непрочен. Если сильно разбавить раствор фермента с обратимым ингибитором, то их комплекс распадается и активность фермента восстанавливается.

По механизму действия ингибиторы делятся на конкурентные и неконкурентные. Конкурентные ингибиторы имеют структурное сходство с молекулой субстрата, что позволяет им занять место субстрата в активном центре фермента:

E + S + I → EI + S

Встраиваясь вместо субстрата в активный центр, такой ингибитор не даёт ферментативной реакции осуществиться. То есть, субстрат конкурирует с ингибитором за активный центр. С активным центром связывается то соединение, молекул которого больше. Снять конкурентное ингибирование можно, увеличив концентрацию субстрата.

На принципе конкурентного ингибирования основано действие многих фармакологических препаратов (например, сульфаниламидных), инсектицидов, фосфорорганических боевых отравляющих веществ (зарин, зоман).

Неконкурентные ингибиторы не имеют структурного сходства с субстратами. Они или связываются с каталитическими группами активного центра фермента, или, связываясь с ферментом вне активного центра, изменяют конформацию активного центра таким образом, что это препятствует превращению субстрата. Поскольку неконкурентный ингибитор не влияет на связывание субстрата, то в отличие от конкурентного ингибирования наблюдается образование тройного комплекса:

E + S + I → ESI

К неконкурентным ингибиторам относятся ионы тяжёлых металлов: ртути, свинца, кадмия, мышьяка. Они блокируют SH-группы, входящие в каталитический участок фермента. Снять действие неконкурентного ингибитора избытком субстрата, как при конкурентном ингибировании, нельзя, а можно лишь веществами, связывающими ингибитор (реактиваторами ). Тяжелые металлы лишь в небольших концентрациях играют роль ингибиторов, в больших концентрациях они действуют как денатурирующие агенты.

Наиболее важными неконкурентными ингибиторами являются образующиеся в живой клетке промежуточные продукты метаболизма, способные обратимо связываться с аллостерическими участками фермента – аллостерические ингибиторы . Они занимают ключевое положение в метаболизме, поскольку тонко реагируют на изменения в обмене веществ и регулируют прохождение веществ по целой системе ферментов. Например, аллостерическая регуляция проявляется в виде ингибирования конечным продуктом первого фермента цепи. Эта регуляция сходна с регуляцией по механизму обратной связи и позволяет контролировать выход конечного продукта, в случае накопления которого прекращается работа первого фермента цепи:

А → В → С → D

Е1, Е2, Е3 – ферменты; А, В, С, D - метаболиты

1. Активаторы – вещества, которые повышают скорость ферментативных реакций, увеличивают активность ферментов. Они бывают органической и неорганической природы.

Активаторы органической природы: желчные кислоты (активируют поджелудочную ли пазу), энтерокиназа (активирует трипсиноген), глутатион, цистеин, витамин С (повышают активность оскидоредуктаз).

Активаторы неорганической природы: например, HCl активирует пепсиноген, ионы ме таллов (Na, Cl, K, Mg, Mn, Zn) активируют очень многие ферменты. Ионы металлов: а) спо собствуют образованию ферментсубстратного комплекса; б) служат донорами и акцептора ми электронов; в) принимают участие в образовании активного центра ферментов (Zn в со ставе карбангидразы, Fe – в составе цитохромов, каталазы, пероксидазы); г) выступают в ро ли аллостерических регуляторов.

2. Ингибиторы – вещества, которые уменьшают активность ферментов и замедляют хими ческие реакции. Различают обратимое и необратимое ингибирование:

Если ингибитор связывается с молекулой фермента слабыми связями (Е+И ↔ ЕИ) то такой ингибитор легко удаляется и активность фермента восстанавливается;

Если ингибитор связывается с молекулой фермента прочными ковалентными связями (Е+И→ ЕИ), то наступает необратимое подавление активности фермента

Необратимое ингибирование происходит при денатурация ферментовбелков под дей ствием концентрированных кислот и щелочей, солей тяжелых металлов, ультрафиолетовом облучении. Некоторые ингибиторы образуют прочные недиссоциируемые связи с функцио нальными группами в активных центрах ферментов. Например, цианиды связываются с же лезом в ферментахгемопротеинах. Фосфорорганические яды (табун, зарин, Vгазы) образу ют прочные связи с остатками серина и треонина входящими в состав многих ферментов. Обратимое ингибирование делится на конкурентное и неконкурентное. Конкурентное ин гибирование вызывается веществами, структурно сходными с субстратом и взаимодейст вующими с активным центром фермента. Например, малоновая кислота, является конку рентным ингибитором сукцинатдегидрогеназы, посколььку похожа на янтарную кислоту (также имеет 2 карбоксильных группы). Поэтому, малоновая кислота легко связывается с ак тивным центром сукцинатдегидрогеназы, вытесняя оттуда субстрат – янтарную кислоту. Од нако, фермент неспособен это сделать с малоновой кислотой, которая короче на 1 атом углерода. Поэто му если прибавить ма лоновую кислоту в концентрации, превышающей концентрацию янтарной кислоты, то реакция прекратится, поскольку малонат за блокирует активный центр сукцинатдегидрогеназы

Конкурентные ингибиторы нередко используются в качестве лекарственных средств. Например, антимикробные препараты сульфаниламиды являются структурными аналогами парааминобензойной кислоты из которой микроорганизмы синтезируют необходимый им для размножение витамин В9 (фолиевую кислоту). Многие антибиотики конкурентно тормо зят синтез белка микроорганизмами или репликацию ДНК. Потивоопухолевые препараты (метотрексат, антагонист витамина В9) блокирует репликацию ДНК в опухолевых клетках.

Неконкурентныеингибиторы не имеют структурного сходства к субстрату и при соединяются не к активному центру, а к другим участкам, в том числе и к аллостерическому центру. Ингибирование происходит вследствие разрушения или необратимой химической модификации функциональных групп ферментов. Примеры:

а) алкилирующие агенты (йодацетамид) необратимо реагируют с SН–группами ферментов

Е–SH + ICH2CОNH2 → E–SCH2 –CОNH2 + HI (фермент) (йодацетамид) комплекс ферментингибитор

б) препараты ФОС (фосфорорганических соединений) это высокотоксичные яды для насеко мых и теплокровных животных. Они взаимодействуют с гидроксигруппой серина в активном центре фермента ацетилхолинэстеразы:

в) тетурам – ингибитор ацетальдегиддегидрогеназы (используют при лечении алкоголизма).

Дата публикования: 2015-11-01 ; Прочитано: 9258 | Нарушение авторского права страницы | Заказать написание работы

сайт - Студопедия.Орг - 2014-2019 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.005 с) ...

Отключите adBlock!
очень нужно