Фермент2

Метаболический путь – это цепь взаимосвязанных реакций, в ходе которой исходный субстрат S превращается в конечный продукт P за несколько стадий.
Типы метаболичеких путей:

Регуляция скорости реакций метаболического пути осуществляется путем регуляции действия определенных ферментов, которые называются регуляторными (как правило, они являются аллостерическими).
Признаки регуляторных реакций:
1) начальные реакции метаболического пути;
2) необратимые реакции, скорость-лимитирующие реакции (самые медленные);
3) реакции на разветвлении метаболического
пути.
Способы регуляции действия ферментов:
- путем изменения количества фермента;
- путем изменения каталитической активности фермента при неизменном количестве (более быстрый способ регуляции).

Очень часто ингибитором регуляторного фермента является конечный продукт метаболического пути.
Фермент, катализирующий превращение субстрата А в продукт В, имеет аллостерический центр для отрицательного эффектора, которым служит конечный продукт метаболического пути Р. Если концентрация Р увеличивается (т. е. вещество Р синтезируется быстрее, чем расходуется), ингибируется активность одного из начальных ферментов. Такую регуляцию называют отрицательной обратной связью, или ретроингибированием.

Регуляция активности ферментов
Основные способы регуляции активности ферментов:
- аллостерическая регуляция;
- регуляция с помощью белок-белковых взаимодействий;
- регуляция путём фосфорилирования --дефосфорилирования молекулы фермента;
- регуляция частичным (ограниченным) протеолизом.

Аллостерическая регуляция
Аллостерические ферменты:
1)Олигомерные белки, состоящие из 2-х или более субъединиц – регуляторной (R) и каталитической (C).
2)Имеют 2 пространственно разделенных центра: активный центр, расположенный в C субъединице и аллостерический центр, расположенный в R субъединице.
3) К АЦ присоединяется S фермента.
К аллостерическому – лиганд-эффектор.

Аллостерический центр Активный центр
Эффекторы делятся на:
активаторы (A) и ингибиторы (I).
Они влияют на сродство АЦ фермента к S:
A– увеличивают сродство; I– уменьшают.

Схема аллостерической регуляции

Частичный протеолиз
- активация фермента через отщепление от него одного или нескольких пептидных фрагментов.
Происходит изменение первичной структуры белка; изменение конформации молекулы, формирование активного центра ; необратимая регуляция.

Подобный механизм позволяет предохранить клетки от повреждения (пищеварительные ферменты) или сохранить белок в плазме крови до наступления определенного момента (факторы свертывания крови, белки системы комплемента и т.п.).

Фосфорилирование и дефосфорилирование
Присоединение остатка фосфорной кислоты приводит к изменению конформации активного центра и его каталитической активности.

I. Фосфорилирование – катализируют ферменты: протеинкиназы (A, C, G и др.);
II. Дефосфорилирование – катализируют ферменты: протеинфосфатазы.
Это регуляция на уровне третичной структуры белка.
Одни ферменты в ходефосфорилирования активируются, другие, напротив, становятся неактивными.

Белок-белковые взаимодействия
Термин обозначает ситуацию, в качестве регулятора выступают не метаболиты биохимических процессов, а специфичные белки.
Это обратимый механизм регуляции активности белков-ферментов, который сопровождается изменением их четвертичной структуры.

1.Мембранный фермент аденилатциклаза является чувствительным к воздействию мембранного G-белка, который сам активируется при действии на клетку некоторых гормонов (например, адреналина и глюкагона):

2. Регуляция активности протеинкиназы А
через механизм ассоциации-диссоциации:
Протеинкиназа А является тетрамерным ферментом (2С и 2R). Активатором для протеинкиназы А является цАМФ. Присоединение цАМФ к R- субъединицам фермента вызывает их отхождение от С- субъединиц. Каталитические субъединицы при этом активируются.

Инактивация протеинкиназы A
Фермент фосфодиэстераза катализирует гидролиз цАМФ до АМФ, что приводит к сборке тетрамерного комплекса протеинкиназы А, который неактивен.
теофиллин

Ингибиторы фосфодиэстеразы используются:
а) при острой сердечной недостаточности как кардиотонические средства;
б) для лечения бронхиальной астмы.
Пример: препарат Теофиллин.
Механизм действия теофиллина основывается на его способности ингибировать фермент ФДЭ, что приводит к повышению концентрации циклического 3-,5-АМФ в тканях и увеличению активности протеинкиназы A.
Это увеличивает сократительную деятельность миокарда, расширяет сосуды; а также оказывает бронхорасширяюший эффект.

Ингибиторы ферментов
Ингибиторы – это вещества полностью или частично подавляющие активность ферментов.
Ингибиторы способны взаимодействовать с ферментами с разной степенью прочности. На основании этого различают обратимое и необратимое ингибирование.
По механизму действия ингибиторы подразделяют на конкурентные и неконкурентные.

Обратимые ингибиторы
присоединяются к ферменту слабыми связями и могут легко отделяться от фермента.
Обратимые конкурентные ингибиторы:
1) являются структурными аналогами субстрата;
2) конкурируют с S за связывание с активным центром E;
3) При увеличении концентрации субстрата степень ингибирования уменьшается.
А при избытке субстрата действие ингибитора на фермент практически полностью прекращается.

Конкурентный тип ингибирования

Кинетические зависимости
При обратимом конкурентном ингибировании возрастает Kм, но, как правило, не меняется максимальная скорость реакции. Это снижает сродство E к S, поскольку присоединению S к АЦ фермента мешает ингибитор.
Vmax, как правило, не меняется, т.к. при большом избытке S ингибитор вытесняется из АЦ фермента и может быть достигнута максимально возможная скорость реакции.

Лекарственные препараты как конкурентные ингибиторы
Прозерин, эндрофоний, дистигмин, галантамин – ингибируют ацетилхолинэстеразу, фермент, разрушающий ацетилхолин, что приводит к накоплению ацетилхолина в окончаниях холинергических нервов и усилению проведения нервного импульса. Ингибиторы холинэстеразы используют при лечении мышечных дистрофий.
Ловастатин, кардиостанин, аторвастанин -ингибируют регуляторный фермент синтеза холестерина ГМГ-S-КоА-редуктазу.
Аллопуринол, средство для лечения подагры, ингибирует ксантиноксидазу.
Сульфаниламидные препараты (аналоги парааминобензойной кислоты), применяют для лечения инфекционных заболеваний.

Обратимые неконкурентные ингибиторы:
не являются структурными аналогами субстрата;
не присоединяются к активному центру фермента;
действуют на аллостерический центр или как химический модификатор;
могут связываться либо с ферментом, либо с фермент-субстратным комплексом, образуя неактивный комплекс;
- вызывают изменение конформации молекулы фермента, нарушая взаимодействие субстрата с активным центром фермента, и хотя субстрат все же присоединяется к Е, катализ, тем не менее, оказывается невозможным.

Степень торможения активности фермента неконкурентными ингибиторами зависит от продолжительности их действия и их концентрации.
При снижении концентрации ингибитора он диссоциирует из комплексов EI, ESI и происходит постепенное восстановление ферментативной активности.
Данное ингибирование не может быть ослаблено или устранено повышением концентрации субстрата.
Например: синильная кислота (цианиды) связывается с гемовым железом ферментов дыхательной цепи и блокирует клеточное дыхание.

Неконкурентный тип ингибирования

Кинетические зависимости
При обратимом неконкурентном ингибировании уменьшается Vmax, но, как правило, не меняется Км.
Vmax уменьшается, потому что уменьшается кол-во активных молекул Е и часть из них, связанных с I, на время полностью исключается из катализа.
У тех молекул Е, которые не связаны с ингибитором, сродство к S остается прежним.
В ряде случаев Км может возрастать.

Необратимые ингибиторы
характеризуются тем, что связываются с молекулой фермента прочными ковалентными связями (чаще всего модификации подвергается активный центр фермента), вследствие чего фермент не может выполнять каталитическую функцию или происходит необратимая денатурация фермента.
Необратимые ингибиторы не имеют физиологического значения (являются ферментными ядами).
Использование необратимых ингибиторов представляет большой интерес для выяснения механизма действия ферментов.

Необратимые специфические ингибиторы
– присоединяются к строго определённой группе в области активного центра E, образуя с ней прочные ковалентные связи.
Диизопропилфторфосфат (ДФФ)
– нервнопаралитический яд, относят к специфическим необратимым ингибиторам «сериновых» ферментов, так как он образует ковалентную связь с гидроксильной группой серина, находящегося в активном центре и играющего ключевую роль в процессе катализа.
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 ингибирует АХЭ, которая участвует в передаче нервных импульсов от нейрона к нейрону. Ингибирование этого фермента предотвращает распад АХ в синаптической щели, в результате чего медиатор продолжает оказывать воздействие на свои рецепторы, что бесконтрольно усиливает холинергическую реакцию. На его основе синтезированы многие инсектициды, БОВ – зоман, зарин.

Неспецифические ингибиторы
образуют прочную ковалентную связь с группами, расположенными в любом участке фермента (довольно часто: вне области активного центра). Они не специфичны к определенным ферментам.
Сюда же относятся соли тяжелых металлов, образующие плохо растворимые комплексы и в больших дозах вызывающие необратимую денатурацию фермента.
Например, n-хлормеркурибензоат присоединяется к свободным SH-группам любых ферментов. Его действие неспецифично.

Необратимые ингибиторы ферментов как лекарственные препараты
Аспирин (ацетилсалициловая кислота) — лекарственный препарат, действие которого основано на необратимом ингибировании ключевого фермента синтеза простагландинов — циклооксигеназы.
Присоединение ацетильной группы к гидроксильной группе серина в активном центре фермента вызывает инактивацию последнего и прекращение синтеза простагландинов.
Синтез простагландинов восстанавливается только после синтеза новых молекул фермента.

Изоферменты – это молекулярные формы одного и того же фермента, возникшие в результате небольших генетических различий в первичной структуре фермента, но катализирующие одну и ту же реакцию.
Изоферменты отличаются:
- локализацией;
- электрофоретической подвижностью;
- сродством к субстрату;
- Vmax катализируемой реакции;
- чувствительностью к ингибиторам и активаторам,
- условиями работы (оптимум pH и температуры).
Как правило, это олигомерные белки, состоящие из разного набора субъединиц.

Креатинкиназа
- димерный фермент, представлен тремя изоферментными формами из двух типов субъединиц: M (англ. muscle – мышца) и B (англ. brain – мозг). Креатинкиназа-1 (КК-1) состоит из субъединиц типа B и локализуется в головном мозге. Креатинкиназа-2 (КК-2) – содержит по одной М- и В-субъединице, наиболее активна в миокарде. Креатинкиназа-3 (КК-3) содержит две М-субъединицы, специфична для скелетной мышцы.