Виды быстрой регуляции ферментов. Механизмы специфической регуляции каталитической активности ферментов. Основные биохимические функции и особенности печени

Регуляция каталитической активности ферментов. Бывает:

1). Неспецифическая регуляция . В связи с лабильностью всех ферментов, их каталитическая активность зависит от температуры, рН и давления.

2). Специфическая регуляция . Под действием специфических активаторов и ингибиторов изменяется активность регуляторных ферментов, которые контролируют интенсивность метаболических процессов в организме.

Механизмы специфической регуляции каталитической активности ферментов:

1). Аллостерическая регуляция;

2). Регуляция с помощью белок-белковых взаимодействий;

3). Регуляция через ковалентную модификацию.

а). Регуляция путем фосфорилирования/дефосфорилирования фермента;

б). Регуляция частичным протеолизом.

1). Аллостерическая регуляция каталитической активности ферментов

Аллостерическими ферментами называют ферменты, активность которых регулируется обратимым нековалентным присоединением модулятора (активатора и ингибитора) к аллостерическому центру. Ингибиторами аллостерических ферментов часто являются конечные продукты метаболических путей, активаторами – их начальные субстраты.

Активирование происходит по принципу прямой положительной связи, а ингибирование - по принципу отрицательной обратной связи.

Аллостерические ферменты играют важную роль в регуляции т.к. чрезвычайно быстро реагируют на изменения среды.

Например, конечный продукт катаболизма глюкозы АТФ ингибирует аллостерически ферменты гликолиза фосфофруктокиназу и пируваткиназу. Накапливаемая в гликолизе фруктоза-1,6-ф активирует пируваткиназу, что ускоряет реакции гликолиза.

2). Регуляция каталитической активности ферментов с помощью белок-белковых взаимодействий . Выделяют 2 механизма:

а). Активация ферментов в результате присоединения регуляторных белков. Например, аденилатциклаза (Ац), которая катализирует превращение АТФ в цАМФ, активируется присоединением α-субъединицы G -белка. Этот механизм регуляции обратим.

б). Регуляция каталитической активности ферментов ассоциацией/диссоциацией протомеров. Например, протеинкиназа А, активируется при диссоциации ее тетрамера на 4 субъединицы и инактивируется при обратном соединении 4 субъединиц в тетрамер.

3). Регуляция каталитической активности ферментов путем их ковалентной модификации. Регуляция активности фермента осуществляется в результате ковалентного присоединения или отщепления от него фрагмента.Она бывает 2 видов:

а). путем фосфорилирования и дефосфорилирования ферментов;

б). путем их частичного протеолиза.

а). Регуляция каталитической активности ферментов путем их фосфорилирования и дефосфорилирования . Фосфорилирование осуществляется протеинкиназами (ПК) по ОН-группе серина, треонина или тирозина регуляторный белков и ферментов. Дефосфорилирование в этих же положениях осуществляется фосфопротеинфосфатазами (ФПФ).

Введение отрицательно заряженной фосфорной группы приводит к обратимому изменению конформации и активности фермента.

Например, под действием глюкагона и адреналина в клетках печени происходит фосфорилирование ключевых ферментов гликогенеза (гликогенсинтаза) и гликогенолиза (гликогенфосфорилаза), при этом распад гликогена активируется, а синтез ингибируется.

Инсулин наоборот вызывает в клетках печени дефосфорилирование тех же ключевых ферментов, в результате синтез гликогена активируется, а распад ингибируется.

б). Регуляция каталитической активности ферментов путем их частичного протеолиза . При участии активаторов и протеолитических ферментов происходит отщепление части молекулы фермента и его необратимая активация. Такой фермент функционирует короткий период, а затем разрушается. Подобная схема активации характерна для внеклеточных ферментов ЖКТ (пепсин, трипсин, химотрипсин и др.) и ферментов свертывающей и противосвертывающей системы крови (тромбин, фибрин, плазмин др.).Например, трипсиноген, синтезируемый в поджелудочной железе, поступает в двенадцатиперстную кишку, где энтеропептидаза кишечника отщепляет у него с N -конца гексапептид. В результате в оставшейся части молекулы фермента формируется активный центр.

Их роли в регуляции активности ферментов.

Общие представления о гормонах и

ЛЕКЦИЯ № 3

Тема: Регуляция активности ферментов в клетке.

Факультеты: лечебно-профилактический, медико-профилактический, педиатрический.

Одним из важнейших свойств живых организмов является способность к поддержанию гомеостаза. Гомеостаз в организме поддерживается за счет регуляции скорости ферментативных реакций. Эта регуляция осуществляется на 3 независимых уровнях:

I). Доступностью молекул субстрата и кофермента;

II). Изменением каталитической активности молекул фермента;

III). Изменением количества молекул фермента.

I. Доступность молекул субстратов обеспечивается контролируемой работой трансмембранных транспортных систем. Доступность коферментов зависит от скорости их регенерации. Чем больше концентрация исходного субстрата и регенерированных коферментов, тем выше скорость метаболического пути.

II. Регуляция каталитической активности ферментов. Бывает:

1). Неспецифическая регуляция . В связи с лабильностью всех ферментов, на их каталитическую активность неспецифически оказывают влияние температура, рН, давление.

2). Специфическая регуляция . Под действием специфических активаторов и ингибиторов изменяется активность регуляторных ферментов, которые контролируют интенсивность метаболических процессов в организме.

К основным способам регуляции каталитической активности молекул ферментов относят:

1). Аллостерическую регуляцию;

2). Регуляцию с помощью белок-белковых взаимодействий;

3). Регуляцию путем фосфорилирования/дефосфорилирования молекулы фермента;

4). Регуляцию частичным протеолизом.

Два последних способа относится к ковалентной модификация фермента. Регуляция происходит в результате или ковалентного присоединения фрагмента к ферменту или отщепления фрагмента от фермента.

1). Аллостерическая регуляция .

Аллостерическими ферментами называют ферменты, активность которых регулируется обратимым нековалентным присоединением модулятора (активатора и ингибитора) к специальному аллостерическому центру. Аллостерические ферменты являются олигомерными белками или имеют доменное строение. Эти ферменты играют важную роль в регуляции т.к. чрезвычайно быстро реагируют на изменения среды. Ингибиторами аллостерических ферментов часто являются конечные продукты метаболических путей, активаторами – их начальные субстраты. Активирование происходит по принципу прямой положительной связи, а ингибирование - по принципу отрицательной обратной связи.

Например, конечный продукт катаболизма глюкозы АТФ ингибирует аллостерически ферменты гликолиза фосфофруктокиназу и пируваткиназу. Накапливаемая в гликолизе фруктоза-1,6-ф активирует пируваткиназу, что ускоряет реакции гликолиза.

2). Регуляция каталитической активности ферментов с помощью белок-белковых взаимодействий . Выделяют 2 механизма:

а). Активация ферментов в результате присоединения регуляторных белков. Например, аденилатциклаза (Ац), которая катализирует превращение цАМФ из АТФ, активируется присоединением α-субъединицы G-белка. Этот механизм регуляции обратим.

б). Регуляция каталитической активности ферментов ассоциацией/диссоциацией протомеров. Например, протеинкиназа А, активируется при диссоциации ее тетрамера на 4 субъединицы и инактивируется при обратном соединении 4 субъединиц в тетрамер.

3). Регуляция каталитической активности ферментов путем их фосфорилирования/дефосфорилирования . Фосфорилирование осуществляется протеинкиназами, а дефосфорилирование – фосфопротеинфосфатазами. Введение отрицательно заряженной фосфорной группы приводит к обратимому изменению конформации и активности фермента.

Например, под действием глюкагона в клетках происходит уменьшение синтеза жира, гликогена и усиление его распада, вызванного фосфорилированием ключевых ферментов этих процессов. А под действием инсулина, наоборот, активируется синтез гликогена и ингибируется его распад, так как инсулин вызывает дефосфорилирование тех же ключевых ферментов.

4). Регуляция каталитической активности ферментов путем частичного протеолиза . При участии активаторов и протеолитических ферментов происходит отщепление части молекулы фермента и его необратимая активация. Эти ферменты функционируют мало, а затем разрушаются. Характерно для внеклеточных ферментов ЖКТ (пепсин, трипсин, химотрипсин и др.) и ферментов свертывания крови (тромбин, фибрин, плазмин др.). Например, трипсиноген, синтезируемый в поджелудочной железе, поступает в двенадцатиперстную кишку, где энтеропептидаза кишечника отщепляет у него с N-конца гексапептид. В результате в оставшейся части молекулы фермента формируется активный центр.

III. Механизмы регуляции количества ферментов: индукция, репрессия, дерепрессия.

Количество фермента в клетке зависит от скорости его синтеза и распада, процессов необходимых для обновления фермента. Синтез и распад ферментов регулируется независимо. Наиболее изучен механизм регуляции синтеза ферментов на уровне транскрипции, который осуществляется определенными метаболитами, гормонами и рядом биологически активных веществ.

Индукция – запуск синтеза ферментов под действием специфических низкомолекулярных соединений – индукторов . Например, у бактерий ферменты синтезируются только при наличии для них субстратов, которые являются для этих ферментов индукторами (у E. coli лактоза индуктор β-галактозидазы).

Индуцируемые ферменты – ферменты, концентрация, которых зависит от добавления индукторов (органоспецифические ферменты).

Конститутивные ферменты – ферменты, концентрация которых постоянна и не регулируется индукторами (ферменты гликолиза, синтеза РНК и т.д.).

Базовый уровень – концентрация фермента при отсутствии индуктора. При индукции базовый уровень фермента может быть превышен от 2 до 1000 раз.

Репрессия – остановка синтеза фермента под действием репрессора (точнее корепрессора ).

Дерепрессия – возобновление синтеза ферментов или после удаления из среды репрессора или при истощении его запасов.

Часто один индуктор или репрессор регулируют синтез сразу нескольких ферментов участвующих в одном метаболическом пути. Гены этих ферментов собраны в оперон.

Оперон – участок молекулы ДНК, который содержит информацию о группе функционально взаимосвязанных структурных генов и регуляторную зону, промотор , контролирующую транскрипцию этих генов. Индукция и репрессия синтеза ферментов оперона называется координированной.

Координированная индукция – все ферменты, кодируемые генами оперона, индуцируются одним индуктором.

Координированная репрессия – остановка синтеза ферментов оперона одним репрессором.

В промоторе оперона имеется участок оператор , необходимый для присоединения репрессора. Репрессор синтезируется с гена-регулятора.

1). Индукцияоперона . Репрессор присоединяется к оператору и препятствует присоединению к промотору РНК-полимеразы – транскрипции мРНК нет. Индуктор, присоединяясь к репрессору, вызывает отделение последнего от оператора, РНК-полимераза присоединяется к промотору и начинается транскрипция мРНК с оперона. С этой мРНК синтезируются сразу несколько ферментов.

2). Репрессия оперона . Репрессор не присоединяется к оператору самостоятельно. Присоединение к оператору репрессора происходит только в комплексе с корепрессором. Комплекс репрессор-корепрессор присоединяясь к оператору, препятствует присоединению РНК-полимеразы к промотору, что блокирует транскрипцию мРНК с оперона и синтез ферментов.

Катаболическая репрессия – более выгодный субстрат окисления ингибирует ферменты окисления менее выгодного субстрата.

Распад ферментов идет под действием гидролитических ферментов, регуляция этого процесса мало изучена.

1. Все химические реакции в клетке протекают при участии ферментов. Поэтому, чтобы воздействовать на скорость протекания метаболического пути (последовательного превращения одних веществ в другие), достаточно регулировать количество молекул фермента или их активность. Обычно в метаболических путях имеются ключевые ферменты, за счет которых происходит регуляция скорости всего пути. Эти ферменты (один или несколько в метаболическом пути) называются регуляторными ферментами. Регуляция скорости ферментативных реакций осуществляется на трех независимых уровнях: изменением количества молекул фермента, доступностью молекул субстрата и кофермента, изменением каталитической активности молекулы фермента (табл. 2.6).

Таблица 2.5. Способы регуляции скорости ферментативных реакций

Рассмотрим способы регуляции скорости ферментативных реакций за счет изменения каталитической активности молекулы фермента.

2. Аллостерическая регуляция. Аллостерическими ферментами называют ферменты, активность которых может регулироваться с помощью веществэффекторов. Участвующие в аллостерической регуляции эффекторы - это клеточные метаболиты, которые часто являются участниками именно того пути, регуляцию которого они осуществляют.

Эффектор, который вызывает снижение (ингибирование) активности фермента, называется ингибитором. Эффектор, который вызываетповышение (активацию) активности ферментов, называют активатором.

Аллостерические ферменты имеют определенные особенности строения:

Обычно являются олигомерными белками, состоящими из нескольких протомеров;

Имеют аллостерический центр, пространственно удаленный от каталитического активного центра;

Эффекторы присоединяются к ферменту нековалентно в аллостерических (регуляторных) центрах.

Аллостерические центры, так же как и каталитические, могут проявлять различную специфичность по отношению к лигандам: она может быть абсолютной и групповой. Некоторые ферменты имеют несколько аллостерических центров, одни из которых специфичны к активаторам, другие - к ингибиторам.

Протомер, на котором находится аллостерический центр, называется регуляторным протомером в отличие от каталитического протомера, содержащего активный центр, в котором проходит химическая реакция.

Аллостерические ферменты обладают свойством кооперативности: взаимодействие аллостерического эффектора с аллостерическим центром вызывает кооперативное изменение конформации всех субъединиц, приводящее к изменению конформации активного центра и изменению сродства фермента к субстрату, что снижает или повышает каталитическую активность фермента. Если к аллостерическому центру присоединяется ингибитор, то в результате кооперативных конформационных изменений происходит изменение конформации активного центра, что вызывает снижение сродства фермента к субстрату и, соответственно, снижение скорости ферментативной реакции. И наоборот, если к аллостерическому центру присоединяется активатор, то сродство фермента к субстрату увеличивается, что вызывает повышение скорости реакции. Последовательность событий при действии аллостерических эффекторов представлена на рис. 2.26.

Регуляция аллостерических ферментов обратима: отсоединение эффектора от регуляторной субъединицы восстанавливает исходную каталитическую активность фермента.

Аллостерические ферменты катализируют ключевые реакции данного метаболического пути.

Аллостерические ферменты играют важную роль в различных метаболических путях, так как они чрезвычайно быстро реагируют на малейшие изменения внутреннего состава клетки. Скорость метаболических процессов зависит от концентрации веществ, как использующихся, так и образующихся в данной цепи реакций. Исходные вещества могут быть активаторами аллостерических ферментов метаболического пути. В то же время при накапливании конечного продукта какого-либо метаболического пути он может действовать как аллостерический ингибитор фермента. Такой способ регуляции распространен в организме и носит название «отрицательная обратная связь»:

Рис. 2.26. Схема строения и функционирования аллостерического фермента:

А - действие отрицательного эффектора (ингибитора). Ингибитор (I) присоединяется к аллостерическому центру, что вызывает кооперативные конформационные изменения в молекуле фермента, в том числе и в активном центре фермента. Сродство фермента к субстрату снижается, в результате снижается и скорость ферментативной реакции; Б - действие положительного эффектора (активатора). Активатор (А) присоединяется к аллостерическому центру, что вызывает кооперативные конформационные изменения. Сродство фермента к субстрату повышается, и скорость ферментативной реакции увеличивается. Продемонстрировано обратимое действие как ингибитора, так и активатора на активность фермента

Рассмотрим аллостерическую регуляцию процесса катаболизма глюкозы, который заканчивается образованием молекулы АТФ (рис. 2.27). В том случае, если молекулы АТФ в клетке не расходуются, она является ингибитором аллостерических ферментов данного метаболического пути: фосфофруктокиназы и пируваткиназы. В то же время промежуточный метаболит катаболизма глюкозы - фруктозо-1,6-бисфосфат является аллостерическим активатором фермента пируваткиназы. Ингибирование конечным продуктом метаболического пути и активация начальными метаболитами позволяет

Рис. 2.27. Аллостерическая регуляция процесса катаболизма глюкозы.

Молекула АТФ является аллостерическим ингибитором ферментов метаболического пути - фосфофруктокиназы и пируваткиназы. Молекула фруктозо-1,6-бисфосфата является аллостерическим активатором фермента пируваткиназы

осуществлять регуляцию скорости метаболического пути. Аллостерические ферменты катализируют, как правило, начальные реакции метаболического пути, необратимые реакции, скорость-лимитирующие реакции (самые медленные) или реакции в месте разветвления метаболического пути.

3. Регуляция с помощью белок-белковых взаимодействий. Некоторые ферменты изменяют свою активность в результате белок-белковых взаимодействий. Можно выделить по крайней мере два механизма изменения активности фермента таким способом: активация ферментов в результате присоединения белков-активаторов (активация фермента аденилатциклазы с помощью α-субъединицы G-белка, см. модуль 4) и изменение каталитической активности в результате ассоциации и диссоциации протомеров.

В качестве примера регуляции каталитической активности ферментов ассоциацией или диссоциацией протомеров можно рассмотреть регуляцию фермента протеинкиназы А.

Протеинкиназа А (цАМФ-зависимая) состоит из четырех субъединиц двух типов: двух регуляторных (R) и двух каталитических (С). Такой тетрамер не обладает каталитической активностью. Регуляторные субъединицы имеют участки связывания для циклического 3",5"-АМФ (цАМФ) (по два на каждую субъединицу). Присоединение четырех молекул цАМФ к двум регуляторным субъединицам приводит к изменению конформации регуляторных протомеров и к диссоциации тетрамерного комплекса; при этом высвобождаются две активные каталитические субъединицы (рис. 2.28). Активная протеинкиназа А катализирует перенос остатка фосфорной кислоты с АТФ на специфические ОН-группы аминокислотных остатков белков (т.е. вызывает фосфорилирование белков).

Рис. 2.28. Регуляция активности протеинкиназы А (ПКА) с помощью белок-белковых взаимодействий.

Активация ПКА осуществляется с помощью четырех молекул цАМФ, которые присоединяются к двум регуляторным субъединицам, что приводит к изменению конформации регуляторных протомеров и диссоциации тетрамерного комплекса. При этом высвобождаются две активные каталитические субъединицы, способные вызывать фосфорилирование белков

Отщепление молекул цАМФ от регуляторных субъединиц приводит к ассоциации регуляторных и каталитических субъединиц протенкиназы А с образованием неактивного комплекса.

4. Регуляция каталитической активности ферментов путем фосфорилирова- ния-дефосфорилирования. В биологических системах часто встречается механизм регуляции активности ферментов с помощью их ковалентной модификации. Быстрым и широко распространенным способом химической модификации ферментов является их фосфорилирование-дефосфорилирование.

Фосфорилирова-нию подвергаются ОН-группы фермента, которое осуществляется ферментами протеинкиназами (фосфорилирование) ифосфопротеинфосфатазами (дефосфорилирование). Присоединение остатка фосфорной кислоты приводит к изменению конформации активного центра и его каталитической активности. При этом результат может быть двояким: одни ферменты при фосфорилировании активируются, другие, напротив, становятся менее активными (рис. 2.29). Активность протеинкиназ и фосфопротеинфосфатаз регулируется гормонами, что позволяет быстро варьировать активность ключевых ферментов метаболических путей в зависимости от условий внешней среды.

Рис. 2.29. Схема регуляции активности ферментов фосфорилированием-дефосфорилированием.

Фосфорилирование ферментов происходит с помощью фермента протеинкиназы. Донором остатка фосфорной кислоты является молекула АТФ. Фосфорилирование фермента изменяет его конформацию и конформацию активного центра, что изменяет сродство фермента к субстрату. При этом некоторые ферменты при фосфорилировании активируются, другие - ингибируются. Обратный процесс - дефосфорилирование - вызывают ферменты фосфопротеинфосфатазы, отщепляющие остаток фосфорной кислоты от фермента и возвращающие фермент в исходное состояние

5. Регуляция каталитической активности ферментов частичным (ограниченным) протеолизом. Некоторые ферменты, которые функционируют вне клеток (в желудочно-кишечном тракте или плазме крови), синтезируются в виде неактивных предшественников и активируются только в результате гидролиза одной или нескольких определенных пептидных связей, который приводит к отщеплению части молекулы. В оставшейся части белковой молекулы происходит конформационная перестройка и формируется активный центр фермента (рис. 2.30). Частичный протеолиз представляет собой пример регуляции, когда активность фермента изменяется

Рис. 2.30. Активация пепсина с помощью частичного протеолиза.

В результате гидролиза одной или нескольких пептидных связей пепсиногена (неактивной молекулы) отщепляется часть молекулы и формируется активный центр фермента пепсина

необратимо. Такие ферменты функционируют, как правило, в течение короткого времени, определяемого временем жизни белковой молекулы. Частичный протеолиз лежит в основе активации пищеварительных протеолитических ферментов (пепсин, трипсин, химотрипсин, эластаза), пептидных гормонов (инсулин), белков свертывающей системы крови и ряда других белков.

Биологическая химия Лелевич Владимир Валерьянович

Глава 4. Регуляция активности ферментов. Медицинская энзимология

Способы регуляции активности ферментов:

1. Изменение количества ферментов.

2. Изменение каталитической эффективности фермента.

3. Изменение условий протекания реакции.

Регуляция количества ферментов

Количество молекул фермента в клетке определяется соотношением двух процессов – скоростями синтеза и распада белковой молекулы фермента.

В клетках существуют два типа ферментов:

1. Конститутивные ферменты – являются обязательными компонентами клетки, синтезируются с постоянной скоростью в постоянных количествах.

2. Адаптивные ферменты – их образование зависит от определенных условий. Среди них выделяют индуцируемые и репрессируемые ферменты.

Индуцируемыми, как правило, являются ферменты с катаболической функцией. Их образование может быть вызвано или ускорено субстратом данного фермента. Репрессируемыми обычно бывают ферменты анаболической направленности. Ингибитором (репрессором) синтеза этих ферментов может быть конечный продукт данной ферментативной реакции.

Изменение каталитической эффективности ферментов

Этот тип регуляции может осуществляться по нескольким механизмам.

Влияние активаторов и ингибиторов на активность ферментов

Активаторы разными путями могут повышать ферментативную активность:

1. формируют активный центр фермента;

2. облегчают образование фермент-субстратного комплекса;

3. стабилизируют нативную структуру фермента;

4. защищают функциональные группы активного центра.

Классификация ингибиторов ферментов:

1. Неспецифические.

2. Специфические:

Необратимые

Обратимые:

§ конкурентные

§ неконкурентные.

Неспецифические ингибиторы вызывают денатурацию молекулы фермента – это кислоты, щелочи, соли тяжелых металлов. Их действие не связано с механизмом ферментативного катализа.

Необратимое ингибирование

Необратимое ингибирование наблюдают в случае образования ковалентных стабильных связей между молекулой ингибитора и фермента. Чаще всего модификации подвергается активный центр фермента. В результате фермент не может выполнять каталитическую функцию.

К необратимым ингибиторам относят ионы тяжёлых металлов, например ртути (Hg 2+), серебра (Ag +) и мышьяка (As 3+), которые в малых концентрациях блокируют сульфгидрильные группы активного центра. Субстрат при этом не может подвергаться химическому превращению.

Диизопропилфторфосфат (ДФФ) специфически реагирует лишь с одним из многих остатков серина в активном центре фермента. Остаток Сер, способный реагировать с ДФФ, имеет идентичное или очень сходное аминокислотное окружение. Высокая реакционная способность этого остатка по сравнению с другими остатками Сер обусловлена аминокислотными остатками, также входящими в активный центр ферментов.

ДФФ относят к специфическим необратимым ингибитором «сериновых» ферментов, так как он образует ковалентную связь с гидроксильной группой серина, находящегося в активном центре и играющего ключевую роль в процессе катализа.

Монойодуксусная кислота, п-хлормеркурибензоат легко вступают в реакции с SH-группами остатков цистеина белков. Эти ингибиторы не относят к специфичным, так как они реагируют с любыми свободными SH-группами белков и называются неспецифическими ингибиторами. Если SH-группы принимают участие непосредственно в катализе, то с помощью этих ингибиторов представляется возможным выявление роли SH-групп фермента в катализе.

Необратимые ингибиторы ферментов как лекарственные препараты

Пример лекарственного препарата, действие которого основано на необратимом ингибировании ферментов, - широко используемый препарат аспирин. Противовоспалительный нестероидный препарат аспирин обеспечивает фармакологическое действие за счёт ингибирования фермента циклооксигеназы, катализирующего реакцию образования простагландинов из арахидоновой кислоты. В результате химической реакции ацетильный остаток аспирина присоединяется к свободной концевой ОН-группе серина циклооксигеназы.

Это вызывает снижение образования продуктов реакции простагландинов, которые обладают широким спектром биологических функций, в том числе являются медиаторами воспаления.

Обратимое ингибирование

Обратимые ингибиторы связываются с ферментом слабыми нековалентными связями и при определённых условиях легко отделяются от фермента. Обратимые ингибиторы бывают конкурентными и неконкурентными.

Конкурентное ингибирование

К конкурентному ингибированию относят обратимое снижение скорости ферментативной реакции, вызванное ингибитором, связывающимся с активным центром фермента и препятствующим образованию фермент-субстратного комплекса. Такой тип ингибирования наблюдают, когда ингибитор – структурный аналог субстрата, в результате возникает конкуренция молекул субстрата и ингибитора за место в активном центре фермента. В этом случае с ферментом взаимодействует либо субстрат, либо ингибитор, образуя комплексы фермент-субстрат (ES) или фермент-ингибитор (EI). При формировании комплекса фермента и ингибитора (EI) продукт реакции не образуется.

Классический пример конкурентного ингибирования – ингибирование сукцинатдегидрогеназной реакции малоновой кислотой. Малоновая кислота – структурный аналог сукцината (наличие двух карбоксильных групп) и может также взаимодействовать с активным центром сукцинатдегидрогеназы. Однако отщепление двух атомов водорода от малоновой кислоты невозможно; следовательно, скорость реакции снижается.

Лекарственные препараты как конкурентные ингибиторы

Многие лекарственные препараты оказывают своё терапевтическое действие по механизму конкурентного ингибирования. Например, четвертичные аммониевые основания ингибируют ацетилхолинэстеразу, катализирующую реакцию гидролиза ацетилхолина на холин и уксусную кислоту.

При добавлении ингибиторов активность ацетилхолинэстеразы уменьшается, концентрация ацетилхолина (субстрата) увеличивается, что сопровождается усилением проведения нервного импульса. Ингибиторы холинэстеразы используют при лечении мышечных дистрофий. Эффективные антихолинэстеразные препараты – прозерин, эндрофоний и др.

Антиметаболиты как лекарственные препараты

В качестве ингибиторов ферментов по конкурентному механизму в медицинской практике используют вещества, называемые антиметаболитами. Эти соединения, будучи структурными аналогами природных субстратов, вызывают конкурентное ингибирование ферментов, с одной стороны, и, с другой – могут использоваться этими же ферментами в качестве псевдосубстратов, что приводит к синтезу аномальных продуктов. Аномальные продукты не обладают функциональной активностью; в результате наблюдают снижение скорости определённых метаболических путей.

В качестве лекарственных препаратов используют следующие антиметаболиты: сульфаниламидные препараты (аналоги пара-аминобензойной кислоты), применяемые для лечения инфекционных заболеваний, аналоги нуклеотидов для лечения онкологических заболеваний.

Неконкурентное ингибирование

Неконкурентным называют такое ингибирование ферментативной реакции, при котором ингибитор взаимодействует с ферментом в участке, отличном от активного центра. Неконкурентные ингибиторы не являются структурными аналогами субстрата.

Неконкурентный ингибитор может связываться либо с ферментом, либо с фермент-субстратным комплексом, образуя неактивный комплекс. Присоединение неконкурентного ингибитора вызывает изменение конформации молекулы фермента таким образом, что нарушается взаимодействие субстрата с активным центром фермента, что приводит к снижению скорости ферментативной реакции.

Аллостерическая регуляция

Аллостерическими ферментами называют ферменты, активность которых регулируется не только количеством молекул субстрата, но и другими веществами, называемыми эффекторами. Участвующие в аллостерической регуляции эффекторы – клеточные метаболиты часто именно того пути, регуляцию которого они осуществляют.

Роль аллостерических ферментов в метаболизме клетки. Аллостерические ферменты играют важную роль в метаболизме, так как они чрезвычайно быстро реагируют на малейшие изменения внутреннего состояния клетки.

Аллостерическая регуляция имеет большое значение в следующих ситуациях:

1. при анаболических процессах. Ингибирование конечным продуктом метаболического пути и активация начальными метаболитами позволяют осуществлять регуляцию синтеза этих соединений;

2. при катаболических процессах. В случае накопления АТФ в клетке происходит ингибирование метаболических путей, обеспечивающих синтез энергии. Субстраты при этом расходуются на реакции запасания резервных питательных веществ;

3. для координации анаболических и катаболических путей. АТФ и АДФ – аллостерические эффекторы, действующие как антагонисты;

4. для координации параллельно протекающих и взаимосвязанных метаболических путей (например, синтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, используемых для синтеза нуклеиновых кислот). Таким образом, конечные продукты одного метаболического пути могут быть аллостерическими эффекторами другого метаболического пути.

Особенности строения и функционирования аллостерических ферментов:

1. обычно это олигомерные белки, состоящие из нескольких протомеров или имеющие доменное строение;

2. они имеют аллостерический центр, пространственно удалённый от каталитического активного центра;

3. эффекторы присоединяются к ферменту нековалентно в аллостерических (регуляторных) центрах;

4. аллостерические центры, так же, как и каталитические, могут проявлять различную специфичность по отношению к лигандам: она может быть абсолютной и групповой.

Некоторые ферменты имеют несколько аллостерических центров, одни из которых специфичны к активаторам, другие – к ингибиторам;

1. протомер, на котором находится аллостерический центр, - регуляторный протомер, в отличие от каталитического протомера, содержащего активный центр, в котором проходит химическая реакция;

2. аллостерические ферменты обладают свойством кооперативности: взаимодействие аллостерического эффектора с аллостерическим центром вызывает последовательное кооперативное изменение конформации всех субъединиц, приводящее к изменению конформации активного центра и изменению сродства фермента к субстрату, что снижает или увеличивает каталитическую активность фермента;

3. регуляция аллостерических ферментов обратима: отсоединение эффектора от регуляторной субъединицы восстанавливает исходную каталитическую активность фермента;

4. аллостерические ферменты катализируют ключевые реакции данного метаболического пути.

Регуляция каталитической активности ферментов белок-белковыми взаимодействиями.

Некоторые ферменты изменяют свою каталитическую активность в результате белок-белковых взаимодействий.

Различают 2 механизма активации ферментов с помощью белок-белковых взаимодействий:

1. активация ферментов в результате присоединения регуляторных белков;

2. изменение каталитической активности ферментов вследствие ассоциации или диссоциации протомеров фермента.

Регуляция каталитической активности ферментов путём фосфорилирования/дефосфорилирования.

В биологических системах часто встречается механизм регуляции активности ферментов с помощью ковалентной модификации аминокислотных остатков. Быстрый и широко распространённый способ химической модификации ферментов – фосфорилирование/дефосфорилирование. Модификации подвергаются ОН-группы фермента. Фосфорилирование осуществляется ферментами протеинкиназами, а дефосфорилирование – фосфопротеинфосфатазами. Присоединение остатка фосфорной кислоты приводит к изменению конформации активного центра и его каталитической активности. При этом результат может быть двояким: одни ферменты при фосфорилировании активируются, другие, напротив, становятся менее активными.

Регуляция каталитической активности ферментов частичным (ограниченным) протеолизом.

Некоторые ферменты, функционирующие вне клеток (в ЖКТ или в плазме крови), синтезируются в виде неактивных предшественников и активируются только в результате гидролиза одной или нескольких определённых пептидных связей, что приводит к отщеплению части белковой молекулы предшественника. В результате в оставшейся части белковой молекулы происходит конформационная перестройка и формируется активный центр фермента (трипсиноген – трипсин).