БИОХИМИЯ, 3 СЕМИНАР (14.09.2020)

СПОСОБЫ КОНТРОЛЯ СКОРОСТИ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ В КЛЕТКЕ (IN VIVO):

Компартментализация

Компартментализация – это сосредоточение ферментов и их субстратов в одном компартменте (одной органелле) – в эндоплазматическом ретикулуме, митохондриях, лизосомах, ядре, плазматической мембране и т.п.

Например, ферменты цикла трикарбоновых кислот и β-окисления жирных кислот расположены в митохондриях, ферменты синтеза белка – в рибосомах.

Изменение количества фермента

Генетическая регуляция (изменение количества фермента) может происходить в результате увеличения или снижения его синтеза. С этой точки зрения ферменты можно подразделить на три группы:

1.Конституитивные – такие ферменты, которые образуются в клетке постоянно, независимо от наличия субстрата (нейрональная NO-синтаза, ферменты гликолиза, β-окисления жирных кислот, репарации ДНК).

2.Индуцируемые – синтез этих ферментов возрастает при наличии соответствующих стимулов - индукторов.

3.Репрессируемые – образование таких ферментов в клетке при необходимости подавляется.

Изменение скорости синтеза фермента (индукция или репрессия) обычно зависит от количества определенных гормонов или метаболитов процесса.

Примеры индуцируемых ферментов:

гормоны глюкокортикоиды стимулируют синтез ферментов глюконеогенеза, что обеспечивает стабильность концентрации глюкозы в крови при длительном голоданиии и устойчивость ЦНС к стрессу,

исчезновение пищеварительных ферментов при длительном голодании и индукция их синтеза в восстановительный период в результате возобновления секреции гормонов ЖКТ,

при беременности и после родов в молочной железе индуцируется синтез фермента лактозосинтазы под воздействием лактотропного гормона,

токсические субстраты (например, этанол и барбитураты) стимулируют в печени синтез "своего" изофермента цитохрома Р450, который окисляет и обезвреживает эти вещества,

при активации цитокинами моноцитов и макрофагов в них начинается синтез индуцируемой

NO-синтазы.

Примеры репрессируемых ферментов:

в печени репрессия фермента синтеза холестерола ГМГ-SKoA-редуктазы под влиянием холестерина и желчных кислот,

в печени репрессия синтеза ферментов глюконеогенеза под действием инсулина,

подавление синтеза триптофана бактериями при деятельности триптофанового оперона.

Изменение доступности субстрата

Здесь работает закон действия масс – фундаментальный закон химической кинетики: при постоянной температуре скорость химической реакции пропорциональна произведению концентрации

Ферменты могут быть активны как в фосфорилированном, так и в дефосфорилированном состоянии.

Например, в мышцах ферменты гликогенфосфорилаза и гликогенсинтаза

при нагрузке фосфорилируются, при этом фосфорилаза гликогена становится активной и начинает расщепление гликогена и сжигание глюкозы, а гликогенсинтаза при этом неактивна.

во время отдыха при синтезе гликогена оба фермента дефосфорилируются, синтаза при этом становится активной, фосфорилаза – неактивной.

Зависимость активности ферментов обмена гликогена от наличия в структуре фосфорной кислоты

РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ АЛЛОСТЕРИЧЕСКИМИ МЕХАНИЗМАМИ. АЛЛОСТЕРИЧЕСКИЕ ФЕРМЕНТЫ, ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ. АЛЛОСТЕРИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТОРЫ. РОЛЬ АЛЛОСТЕРИЧЕСКОЙ РЕГУЛЯЦИИ МЕТАБОЛИЗМА НА ПРИМЕРЕ ФОСФОФРУКТОКИНАЗЫ:

Аллостерические ферменты построены из двух и более субъединиц: одни субъединицы содержат каталитический центр, другие имеют аллостерический центр и являются регуляторными. Присоединение эффектора к аллостерической (регуляторной) субъединице изменяет конформацию белка и, соответственно, активность каталитической субъединицы.

Аллостерические ферменты обычно стоят в начале метаболических путей, и от их активности зависит течение многих последующих реакций. Поэтому они часто называются ключевыми ферментами.

Общий принцип аллостерической регуляции

В качестве отрицательного регулятора может выступать конечный или промежуточный метаболит биохимического процесса или продукт данной реакции, т.е. включается механизм обратной отрицательной связи. Если регуляторами являются начальный метаболит или субстрат реакции, то говорят о прямой регуляции, она может быть как положительной, так и отрицательной. Также регулятором могут быть метаболиты биохимических путей, каким то образом связанных с данной реакцией.

Регуляция фосфофруктокиназы конечным продуктом

Например, фермент энергетического окисления глюкозы, фосфофруктокиназа, регулируется промежуточными и конечными продуктами этого распада. При этом АТФ, лимонная кислота, фруктозо- 1,6-дифосфат являются ингибиторами, а фруктозо-6-фосфат и АМФ – активаторами фермента.

Еще один пример: в большинстве клеток организма (кроме печени) при регуляции синтеза холестерола аллостерическим ингибитором ключевого фермента этого процесса ГМГ-КоА-редуктазы выступает сам холестерол, что быстро и точно регулирует его количество.

РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ БЕЛОК-БЕЛКОВЫМИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯМИ. РЕГУЛЯТОРНЫЕ БЕЛКИ, ИХ АССОЦИАЦИЯ-ДИССОЦИАЦИЯ – НА ПРИМЕРЕ АКТИВАЦИИ АДЕНИЛАТЦИКЛАЗЫ И ПРОТЕИНКИНАЗЫ А. СХЕМЫ ПРОЦЕССОВ.

Термин белок-белковое взаимодействие обозначает ситуацию, когда в качестве регулятора выступают не метаболиты биохимических процессов, а специфичные белки. В целом ситуация схожа с аллостерическим механизмом: после влияния каких-либо факторов на специфичные белки изменяется активность этих белков, и они, в свою очередь, воздействуют на нужный фермент.

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

Упрощенная схема активации аденилатциклазы

2.Еще примером белок-белкового взаимодействия может быть регуляция активности протеинкиназы А через механизм ассоциации-диссоциации.

Протеинкиназа А является тетрамерным ферментом, состоящим из 2 каталитических (С) и 2 регуляторных (R) субъединиц. Активатором для протеинкиназы А является цАМФ. Присоединение цАМФ к регуляторным субъединицам фермента вызывает их отхождение от каталитических субъединиц. Каталитические субъединицы при этом активируются.

Активация протеинкиназы А при помощи цАМФ

АДЕНИЛАТЦИКЛАЗНЫЙ МЕХАНИЗМ АКТИВАЦИИ ФЕРМЕНТОВ:

ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФЕРМЕНТОВ В МЕДИЦИНЕ: ЭНЗИМОДИАГНОСТИКА:

Энзимодиагностика – это исследование активности ферментов плазмы крови, мочи, слюны с целью диагностики тех или иных заболеваний (подробнее). В основе энзимодиагностики лежат два факта:

1.Заболевание органа приводит к понижению синтеза ферментов в клетках. Если некоторые ферменты секретируются клетками наружу, то их активность в биологической жидкости снижается. Примером является снижение активности белков гемостаза, церулоплазмина и псевдохолинэстеразы в крови при заболеваниях печени.

2.При воспалении или некрозе в ткани происходит разрушение клеток, в результате чего внутриклеточные ферменты (органоспецифичные) оказываются в плазме крови или в моче, их активность в сыворотке крови повышается.

Примером для второго случая может служить фермент лактатдегидрогеназа, определение его активности в сыворотке крови необходимо при заболеваниях сердца, печени, скелетной мускулатуры. Увеличение активности α-амилазы в плазме крови и моче наблюдается при воспалительных процессах в поджелудочной и слюнных железах.

В то же время заболевания тех или иных органов всегда сопровождаются специфичным "ферментативным профилем". Например, инфаркт миокарда сопровождается увеличением активности

лактатдегидрогеназы, креатинкиназы, аспартатаминотрансферазы.

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ. ЕДИНИЦЫ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ:

1.Создание стандартных условий, чтобы можно было сравнивать результаты, полученные в разных лабораториях – оптимальная рН и фиксированная температура, например, 25°С или 37°С, соблюдение времени инкубации субстрата с ферментом.

2.Необходимо наличие избытка субстрата, чтобы в течение установленного времени работали все имеющиеся в растворе молекулы фермента.

Активность фермента выражается в скорости накопления продукта или скорости убыли субстрата в пересчете на количество материала, содержащего фермент.

Впрактике обычно используют:

единицы количества вещества – моль (и его производные ммоль, мкмоль), грамм (кг, мг),

единицы времени – минута, час, секунда,

единицы массы или объема – грамм (производные кг, мг), литр (мл).

Внастоящее время в основном уже применяются единицы активности – катал (моль/с), международная единица активности (МЕ, Unit) соответствует мкмоль/мин.

Таким образом, активность фермента может выражаться, например, в ммоль/с*л, г/час*л, МЕ/л, кат/мл и т.д.

ЭНЗИМОТЕРАПИЯ. ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ФЕРМЕНТОВ В КАЧЕСТВЕ ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ. ПОНЯТИЕ ОБ АБЗИМАХ:

Энзимотерапия – это использование ферментов в качестве лекарственных средств.

Самыми распространенными ферментативными препаратами являются многочисленные комплексы ферментов (Ацидин-пепсин, Фестал, Энзистал, Панкреатин, Мезим форте, Воб-энзим, Креон и т.п.), отличающиеся по источнику ферментов (животная или растительная основа) и содержащие пепсин, трипсин, амилазу, лактазу и т.п., и используемые для заместительной терапии при нарушениях переваривания веществ в желудочно-кишечном тракте.

Тканевой фермент гиалуронидаза нужна организму для обратимого изменения проницаемости межклеточного вещества, в основе которого находится гиалуроновая кислота. Лекарственную форму гиалуронидазы – лидазу – вводят для размягчения рубцов, появления подвижности в суставах, рассасывания гематом. Коллагеназу применяют для ускорения отторжения некротизированных тканей, для очистки трофических язв.

Цитохром с – белок, участвующий в процессах тканевого дыхания. Его применяют при асфиксии новорожденных, при гипоксии тканей – астматические состояния, сердечная недостаточность, нарушения мозгового и периферического кровообращения и т.п.

Рибонуклеаза и дезоксирибонуклеаза входят в состав глазных капель для лечения вирусных конъюнктивитов, также при нанесении на рану они разжижают гной, при ингаляциях уменьшают вязкость слизи, деполимеризуя нуклеиновые кислоты в мокроте.

Стрептокиназа и урокиназа используются как активаторы фибринолиза при тромбозах. Трипсин ингалируют при бронхолегочных заболеваниях для разжижения густой и вязкой мокроты. Фицин используется в фармацевтической промышленности в качестве добавки к зубным пастам для удаления зубного налета.

ЭНЗИМОПАТИИ, ПЕРВИЧНЫЕ И ВТОРИЧНЫЕ ФОРМЫ. ПРИМЕРЫ. РОЛЬ ОТСУТСТВИЯ КОФАКТОРОВ В РАЗВИТИИ ЭНЗИМОПАТИЙ:

В случае, если фермент не может выполнять свою функцию, говорят об энзимопатологии (энзимопатии).

Энзимопатологии (энзимопатии) – состояния, связанные с патологическим увеличением или снижением активности ферментов. Наиболее часто встречается снижение их активности с нарушением соответствующих метаболических процессов. При энзимопатологии клиническое значение может иметь

накопление субстрата реакции, например: фенилаланина при фенилкетонурии, свободного билирубина при физиологических желтухах новорожденных, некоторых жиров при болезнях лизосомального накопления (липидозы),

недостаток продукта, например: меланина при альбинизме, катехоламинов при паркинсонизме,

обе особенности одновременно, как при гликогенозах, сопровождающихся гипогликемией при избытке гликогена в печени.

По характеру нарушения выделяют первичные и вторичные энзимопатии.

Первичные (наследственные) энзимопатии связаны с генетическим дефектом и наследственным снижением активности. Например, фенилкетонурия связана с дефектом фенилаланин-4- монооксигеназы, которая превращает фенилаланин в тирозин. В результате накапливаются аномальные метаболиты фенилаланина, оказывающие сильный токсический эффект. Заболевание подагра связано с дефектом ферментов метаболизма пуриновых оснований и накоплением мочевой кислоты.

Кроме указанных, примером первичных энзимопатий являются галактоземия, недостаточность лактазы и сахаразы, различные липидозы и гликогенозы.

Вторичные (приобретенные) энзимопатии возникают как следствие заболеваний органов, вирусных инфекций и т.п., что приводит к нарушению синтеза фермента или условий его работы, например, гипераммониемия при заболеваниях печени, при которых ухудшается синтез мочевины и в крови накапливается аммиак. Другим примером может служить недостаточность ферментов желудочнокишечного тракта при заболеваниях желудка, поджелудочной железы или желчного пузыря.

Недостаток витаминов и их коферментных форм также является причиной приобретенных ферментопатий.