Лекция 2-2003 регуляция активности ферментов. (продолжение)

2. Торможение или ингибирование ферментов.

Существуют вещества, которые ингибируют фермент в силу своего денатурирующего свойства: это кислоты, щелочи, соли тяжелых метал­лов. Однако, более значительный интерес для нас представляют специфи­ческие ингибиторы. Различают два принципиально различных вида ингибирования: 1)ко­курентное и 2)неконкурентное торможение.

1) Конкурентное торможение (ингибирование). При этом виде тормо­жения ингибитор конкурирует с субстратом за место связывания с фер­ментом. Отсюда ясно, что такое вещество должно быть очень близким по химическому, пространственному строению с субстратом. Такие ингиби­торы, как правило, вытесняются из реакции, если имеется избыток субстрата.

Действие многих лекарств основано на конкурентном ингибировании. Например, многие сульфаниламидные препараты, используемые для лече­ния болезней, вызываемых микробными инфекциями, обладают структурным сходством с пара-аминобензойной кислотой (ПАБК). ПАБК является пред­шественником в синтезе фолиевой кислоты, которая, в свою очередь превращается в тетрагидрофолевую кислоту - очень важный кофермент нескольких ферментов, участвующих в синтезе нуклеиновых кислот РНК и ДНК:

ПАБК--!--ФК-----ТГФК-----синтез РНК и ДНК

При введении сульфаниламидных препаратов наблюдается немедленное ингибирование фермента, катализирующего утилизацию ПАБК при синтезе фолиевой кислоты. Пониженный уровень фолиевой кислоты приводит к снижению синтеза НК. Окончательным результатом будет гибель микроор­ганизмов.

На конкурентном торможении основано действие многих антибиоти­ков, противоопухолевых препаратов. Например, фторурацил, специфичес­ки ингибирует реакцию превращению УМФ в ТМФ, необходимого для синте­за ДНК. Это свойство используется в противоопухолевой терапии.

В некоторых случаях в конкурентном ингибировании может участво­вать конечный продукт самой реакции, например, продукт синтеза, в котором участвует данный фермент, может заингибировать данный фер­мент.

2) Неконкурентное ингибирование. При этом виде торможения инги­битор не конкурирует с субстратом за место связывания, а напротив, они вместе с ферментом образует тройной непродуктивный комплекс:

I + S + E ---- ISE

Неконкурентный ингибитор может связываться и отдельно с фермен­том, например, с его SH-группой или с другими группами. Неконкурент­ный ингибитор не вытесняется из реакции избытком субстрата. Некон-

курентное ингибирование может быть обратимым. В этом случае реакция

лишь замедляется, но не останавливается совсем. При необратимом не­конкурентном ингибировании I (ингибитор) ковалентно связывается с Е или с ES, необратимо изменяя конформацию нативного белка -фермента. Это, в частности, объясняет токсичное действие ртути, свинца, соеди­нений мышъяка. Из лекарственных средств, действие которых основано на необратимом неконкурентном ингибировании, можно назвать пеницил­лин - наиболее широко известный антибиотик. Пенициллин ингибирует действие одного из ферментов, участвующих в сборке клеточной стенки бактерии. Бактерии, лишенные клеточной стенки, легко лизируются (растворяются, распадаются на более мелкие молекулы).

Еще один пример лекарственного средства, действие которого осно­вано на ковалентной модификации фермента - аспирин (ацетилсалицило­вая кислота). Это эффективное средство для снятия слабой боли, вос­палений и жаропонижающее средство. Все эти состояния в определенной мере зависят от повышенного синтеза простагландинов. Аспирин снижает их синтез путем ковалентной модификации фермента, участвующего в их синтезе (циклооксигеназного компонента эндопероксид-синтазы).

Но следует добавить, что многие ферменты имеют свои эндогенные белковые ингибиторы, которые снижают их активность или блокируют их полностью. Такие ингибиторы, например, найдены для ферментов, рас-

щепляющих белки в организме - протеиназ. Это альфа-1-антитрипсин,

гамма-2-глобулин и др. Это имеет огромное защитное значение для ор­ганизма, т.к. эти свои собственные ингибиторы защищают клетки и тка­ни организма от разрушения своими же собственными ферментами. При необходимости включения этих ферментов в реакции, с помощью специ­альных механизмов происходит разъединение фермента с его ингибито­ром, и тогда фермент может проявлять свою активность в полной мере.

д) Влияние связывания с вторичными центрами (аллостерическая ре­гуляция.

Многие ферменты могут обратимо связывать определенные метаболи-

ты, ингибирующие или активирующие фермент. Такие метаболиты называ-

ются эффекторами. Эффектор присоединяется не к каталитическому ак­тивному центру фермента, а к специальному регуляторному центру, ко­торый называют также аллостерическим центром,т.е. "в другом месте расположенным центром". Аллостерические ферменты, т.е. ферменты, ре­гулируемые по аллостерическому механизму, состоят, как правило из двух или больше субъединиц, причем одна субъединица имеет активный центр, а вторая - регуляторный центр (рис.). Если в среде есть ал­лостерический ингибитор, он присоединяется к регуляторному центру,

изменяет конформацию регуляторной субъединицы. Это в свою очередь ведет к изменению каталитической субъединицы, в том числе конформа­ции активного центра. Таким образом, активность фермента снижается. Эффективность аллостерического торможения зависит от концентрации аллостерического ингибитора: чем она выше, тем сильнее ингибируется фермент. Очень часто таким эффектором является конечный продукт ре­акции, и т.о. при накапливании этого продукта начинается торможение реакции, т.е. происходит регуляция по принципу обратной связи.

Такое ингибирование может быть как конкурентным, так и неконку­рентным.

Но фермент может и активироваться в результате аллостерического перехода, который происходит в клетке при недостатке продукта.

При аллостерическом типе регуляции эффектором не обязательно должен быть продукт данной реакции. Аллостерический принцип регуля­ции позволяет регулировать любую ферментативную реакцию или метабо­лический путь продуктом любой другой реакции, независимо от его хими-

ческой природы. Так, например, синтез и распад гликогена в мышечных

клетках регулируется концентрацией Са²⁺ с помощью аллостерических

ферментов, активность которых меняется при изменении концентрации

Са2+.

КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ И НОМЕНКЛАТУРА

Первоначально ферментам давали названия, прибавляя окончание -аза к названию субстрата, на который данный фермент действует. Так, ферменты, гидролизующие крахмал (амилон) были названы амилаза­ми; ферменты, гидролизующие жиры (липос) - липазами; ферменты, гид­ролизующие белки (протеины) - протеиназами. Позднее ферменты стали называть по типу реакции, которую они катализируют: дегидрогеназы, оксидоредуктазы, декарбоксилазы и т.д. Многие из этих названий сох­ранились и до сих пор.

Открытие огромного количества ферментов (более 3000) и их раз­нообразие заставило принять единую классификацию, чтобы не заблу­диться в этом море химических реакций и ферментов, которые катали­зирует каждую из них. Международный биохимический союз (IUB) ввел единую номенклатуру, принятую во всем мире.

Ферменты разделяются на 6 основных классов:

1. Оксидоредуктазы

2. Трансферазы

3. Гидролазы

4. Лиазы

5. Изомеразы

6. Лигазы или синтетазы.

1. Оксидоредуктазы - катализируют окислительно-восстановитель­ные реакции.

S восстан. + S'окисл. ==== S окисл. + S'восстан.

ТРАНСФЕРАЗЫ

2. Трансферазы - катализируют реакции переноса каких-либо функ­циональных групп с одного субстрата на другой, либо реакции обмена субстратов между собой этими группами. В этих реакциях участвуют 2 субстрата: S-G + S' ==== S'-G + S

В зависимости от характера переносимых групп, трансферазы в свою очередь подразделяются на подклассы:

1)МЕТИЛТРАНСФЕРАЗЫ - Трансферазы, которые переносят одноугле­родные группы (CH₃, COOH, CH₂OH и т.д.Эти трансферазы участвуют в обмене АК, адреналина и др.

2) Очень важный подкласс трансфераз - ферменты, переносящие аминогруппы - АМИНОТРАНСФЕРАЗЫ. Эти ферменты играют огромную роль в обмене АК, обезвреживании аммиака. Кроме того, определение их активности в крови используют в диагностике многих заболеваний, о чем мы еще будем говорить подробно.

3) Чрезвычайно важный подкласс - трансферазы, переносящие остат­ки фосфорной кислоты - фосфотрансферазы или КИНАЗЫ. Без этих фермен­тов не могут начаться очень многие метаболические циклы в организме. Они берут остаток фосфорной кислоты от аденозинтрифосфорной кислоты

- важнейшее макроэргическое соединение- и переносят его на какой-ли­бо субстрат, например на глюкозу. Тем самым этот субстрат активиру­ется и дальше способен вступать в реакции:

Глюкоза + АТФ ----- Гл-6-Ф + АДФ

Остаток фосфорной кислоты может присоединяться к молекуле фер­ментного белка. При этом совершенно меняются свойства и активность фермента, о чем мы уже говорили.

4) ГЛИКОЗИЛТРАНСФЕРАЗЫ - ферменты, переносящие гликозильный с одного вещества на другое:

R-гликозил + R"-OH ===== R-OH + R"-гликозил

К ним, например, относятся глюкозилтрансфераза - фосфорилаза, глюкуронилтрансфераза - очень важный фермент, участвующий в обезв­реживании многих токсических продуктов.

5)АЦИЛТРАНСФЕРАЗЫ - переносят ацильный остаток. Ацил - часть жирной кислоты, у которой в карбоксильной группе нет гидроксила:

R-COOH - жирная кислота

R-CO- - ацил жирной кислоты

ГИДРОЛАЗЫ

3. Гидролазы. Эти ферменты катализируют реакции распада субс­рата с присоединением воды. При этом образуется два продукта:

A-B + H₂O =====A-OH + B-H

В зависимости от типа связи, которую расщепляют гидролазы раз­ичают несколько подклассов: 1) Эстеразы - расщепляют различные

фирные связи. Например, фермент липаза расщепляет эфирные связи в

риглицеридах:

СH₂-O-CO-R CH₂-OH HOOC-R

СH-O-CO-R' + 3H₂O --------CH-OH HOOC-R'

СH₂-CO-R'' CH₂-OH HOOC-R''

Фосфоэстеразы (фосфатазы) отщепляют остаток фосфорной кислоты от акого-либо субстрата.

Сульфоэстеразы

2) Гидролазы, расщепляющие пептидные связи - пептидазы и протеи­назы. Их субстратами являются белки и полипептиды.

3) Гидролазы, расщепляющие гликозильные соединения. К ним отно­ятся гликозидазы. Играют очень важную роль в обмене углеводов, сое­инительной ткани и др.

Значение гидролаз в организме:

1) Важными представителями гидролаз являются ферменты пищевари­ельного тракта - амилаза слюны и поджелудочной железы, пепсин желу-

очного сока, трипсин поджелудочной железы.

2) Гидролазы принимают участие в деградации своих собственных биополимеров: белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот и др. большинство внутриклеточных гидролаз сосредоточены в органеллах, которые называются лизосомы. В Лз известны около 100 различных гид­роаз. Благодаря этому ЛЗ принимают участие во внутриклеточном пи­щеваении, в защите от чужеродных веществ, микробов, вирусов и их токсинов. Лз принадлежит ведущая роль в процессах клеточного само­обновления: дело в том, что те клеточные органеллы и макромолекулы, которые отслужили свой век, подлежат расщеплению в Лз, а их состав­ные части например, АК) идут на новый синтез.

3) Третья важная функция гидролаз - участие в свертывании кро­ви, поскольку ферменты свертывающей системы крови являются гидрола­зами.

4) Ферменты системы комплемента. Эта система имеется в крови человека и животных и предназначена для защиты организма от микроорганизмов. Следовательно, четвертая функция гидролаз - защитная.

4. Следующий класс ферментов ЛИАЗЫ. Это ферменты, катализирую­щие распад субстрата без присоединения воды. Вследствие этого про­исходит образование двойных связей или, наоборот, их насыщение.

К ним относятся декарбоксилазы. Эти ферменты могут укорачи­вать жирные кислоты, при этом освобождается газообразный СО₂; из аминокислот могут образовать активные амины: Например, из амино­кислоты гистидина образуется гистамин.

Важную роль эти ферменты играют в энергетическом обмене, нап­ример, в цикле Кребса: образование фумаровой кислоты из янтарной и образование яблочной кислоты из фумаровой.