Ферменты являются регулируемыми катализаторами. В качестве регуляторов могут выступать метаболиты, яды. Различают:
- активаторы – вещества, увеличивающие скорость реакции;
- ингибиторы – вещества, уменьшающие скорость реакции.
Активация ферментов . Различные активаторы могут связываться либо с активным центром фермента, либо вне его. К группе активаторов, влияющих на активный центр, относятся: ионы металла, коферменты, сами субстраты.
Активация с помощью металлов протекает по различным механизмам:
Металл входит в состав каталитического участка активного центра;
Металл с субстратом образуют комплекс;
За счет металла образуется мости между субстратом и активным центром фермента.
Субстраты также являются активаторами. При увеличении концентрации субстрата скорость реакции повышается. по достижению концентрации насыщения субстрата эта скорость не изменяется.
Если активатор связывается вне активного центра фермента, то происходит ковалентная модификация фермента :
1) частичный протеолиз (ограниченный протеолиз). Таким образом активируются ферменты пищеварительного канала: пепсин, трипсин, химотрипсин. Трипсин имеет состояние профермента трипсиногена, состоящего из 229 АК остатков. Под действием фермента энтерокиназы и с добавлением воды он превращается в трипсин, при этом отщепляется гексапептид. Изменяется третичная структура белка, формируется активный центр фермента и он переходит в активную форму.
2) фосфорилирование - дефосфорилирование. Пр.: липаза+АТФ= (протеинкиназа) фосфорилированная липаза+АДФ. Это трансферная реакция, использующая фосфат АТФ. При этом осуществляется перенос группы атомов от одной молекулы к другой. Фосфорилированная липаза является активной формой фермента.
Таким же путем происходит активация фосфорилазы: фосфорилаза B+ 4АТФ= фосфорилаза А+ 4АДФ
Также при связывании активатора вне активного центра происходит диссоциация неактивного комплекса «белок-активный фермент». Например, протеинкиназа – фермент, осуществляющий фосфорилирование (цАМФ-зависимое). Протеинкиназа – это белок, имеющий четвертичную структуру и состоящий из 2-х регуляторный и 2-х каталитических субъединиц. R 2 C 2 +2цАМФ=R 2 цАМФ 2 + 2С. Такой тип регуляции называется аллостерической регуляцией (активацией).
Ингибирование ферментов . Ингибитор – это вещество, вызывающее специфическое снижение активности фермента. Следует различать ингибирование и инактивацию. Инактивация – это, например, денатурация белка в результате действия денатурирующих агентов.
По прочности связывания ингибитора с ферментом ингибиторы делят на обратимые и необратимые.
Необратимые ингибиторы прочно связаны и разрушают функциональные группы молекулы фермента, которые необходимы для проявления его каталитической активности. Все процедуры по очистке белка не влияют на связь ингибитора и фермента. Пр.: действие фосфорорганических соединений на фермент – холинэстеразу. Хлорофос, зарин, зоман и др. фосфорорганические соединения связываются с активным центром холинэстеразы. В результате происходит фосфорилирование каталитических групп активного центра фермента. В следствии молекулы фермента, связанные с ингибитором, не могут связываться с субстратом и наступает тяжелое отравление.
Также выделяют обратимые игнибиторы , например прозерин для холинэстеразы. Обратимое ингибирование зависит от концентрации субстрата и ингибитора и снимается избытком субстрата.
По механизму действия выделяют:
Конкурентное ингибирование;
Неконкурентное ингибирование;
Субстратное ингибирование;
Аллостерическое.
1) Конкурентное (изостерическое) ингибирование – это торможение ферментативной реакции, вызванное связыванием ингибитора с активным центром фермента. При этом ингибитор имеет сходство с субстратом. В процессе происходит конкуренция за активный центр: образуются фермент-субстратные и ингибитор-ферментные комплексы. E+S®ES® EP® E+P; E+I® E. Пр.: сукцинатдегидрогеназная реакция [рис. COOH-CH 2 -CH 2 -COOH®(над стрелкой СДГ, под ФАД®ФАДН 2) COOH-CH=CH-COOH]. Истинным субстратом этой реакции является сукцинат (янтарная к-та). Ингибиторы: малоновая к-та (COOH-CH 2 -COOH) и оксалоацетат (COOH-CO-CH 2 -COOH). [рис. фермента с 3 дырками+ субстрат+ ингибитор= комплекс ингибитора с ферментом]
Пр.: фермент холинэстераза катализирует превращение ацетилхолина в холин: (CH 3) 3 -N-CH 2 -CH 2 -O-CO-CH 3 ® (над стрелкой ХЭ, под – вода) CH 3 СOOH+(CH 3) 3 -N-CH 2 -CH 2 -OH. Конкурентными ингибиторами являются прозерин, севин.
2) Неконкурентное ингибирование – торможение, связанное с влиянием ингибитора на каталитическое превращение, но не на связывание фермента с субстратом. В этом случае ингибитор может связываться и с активным центром (каталитический участок) и вне его.
Присоединение ингибитора вне активного центра приводит к изменению конформации (третичной структуры) белка, вследствие чего изменяется конформация активного центра. Это затрагивает каталитический участок и мешает взаимодействию субстрата с активным центром. При этом ингибитор не имеет сходства с субстратом и это ингибирование нельзя снять избытком субстрата. Возможно образование тройных комплексов фермент-ингибитор-субстрат. Скорость такой реакции не будет максимальной.
К неконкурентным ингибиторам относят:
Цианиды. Они связываются с атомом железа в цитохромоксидазе и в результате этого фермент теряет свою активность, а т.к. это фермент дыхательной цепи, то нарушается дыхание клеток и они гибнут.
Ионы тяжёлых металлов и их органические соединения (Hg, Pb и др.). Механизм их действия связан с соединением их с различными SH-группами. [рис. фермента с SH-группами, иона ртути, субстрата. Все это соединяется в тройной комплекс]
Ряд фармакологических средств, которые должны поражать ферменты злокачественных клеток. Сюда же относятся ингибиторы, использующиеся в сельском хозяйстве, бытовые отравляющие вещества.
3) Субстратное ингибирование – торможение ферментативной реакции, вызванное избытком субстрата. Происходит в результате образования фермент-субстратного комплекса, неспособного подвергаться каталитическому превращению. Его можно снять и уменьшить концентрацию субстрата. [рис. связывания фермента сразу с 2 субстратами]
4) Аллостерическое ингибирование – торможение ферментативной реакции, вызванное присоединением аллостерического ингибитора в аллостерическом центре аллостерического фермента. Такой тип ингибирования характерен для аллостерических ферментов, имеющих четвертичную структуру. В качестве ингибиторов могут выступать метаболиты, гормоны, ионы металлов, коферменты.
Механизм действия:
а) присоединение ингибитора к аллостерическому центру;
б) изменяется конформация фермента;
в) изменяется конформация активного центра;
г) нарушается комплиментарность активного центра фермента к субстрату;
д) уменьшается число молекул ES;
е) уменьшается скорость ферментативной реакции.
[рис. фермент с 2 дырками, к одной аллостерический ингибитор и вторая меняет форму]
К особенностям аллостерических ферментов относят ингибирование по отрицателтной обратной связи. A®(E 1)B®(E 2) C®(E 3) D (от D стрелочка к стрелке между А и В). D – метаболит, действующий как аллостерический ингибитор на фермент Е 1 .
Обмен веществ
Обмен веществ (метаболизм) – это совокупность физиологических и биохимических процессов, обеспечивающих жизнедеятельность организма во взаимосвязях с внешней средой, направленных на самовоспроизведение и самосохранение.
К физиологическим процессам относятся пищеварение, всасывание, внешнее дыхание, выделение и др.; к биохимическим – химические превращения белков, жиров, углеводов, поступающих в организм в виде пищевых веществ. Особенностью биохимических процессов является то, что они осуществляются в ходе ряда ферментативных реакций. Именно ферменты обеспечивают определенную последовательность, места и скорость реакций.
По направленности все химические превращения делят на:
а) диссимиляция (катаболизм) – распад веществ до более простых с переходом энергии связей вещества в энергию макроэргических связей (АТФ, НАД·Н, др.);
б) ассимиляция (анаболизм) – синтез более сложных веществ из более простых с затратой энергии.
Биологическое значение этих двух процессов состоит в том, что при расщеплении веществ освобождается заключенная в них энергия, которая обеспечивает все функциональные возможности организма. В то же время, при распаде веществ образуются "строительные материалы" (моносахариды, АК, глицерин и др.), которые затем используются в синтезе специфических организму веществ (белков, жиров, углеводов и др.).
[СХЕМА] Над горизонтальной линией (во внешней среде) – "белки, жиры, углеводы", от них стрелка вниз под линию (внутри организма) к надписи "диссимиляция", от последней четыре стрелки: две вверх к надписям над линией "теплота" и "конечные продукты"; одна стрелка вправо к надписи "промежуточные вещества (метаболиты)", от них к "ассимиляция", затем к "собственные белки, жиры, углеводы"; одна стрелка вниз к надписи "энергия АТФ", от нее – к "мышечное сокращение, проведение нервного импульса, секреция и др." а также наверх к "теплота" и "ассимиляция".
Диссимиляция белков, жиров и углеводов протекает по-разному, но в разрушении этих веществ есть ряд общих этапов:
1) Этап переваривания . В ЖКТ белки распадаются до АК, жиры – до глицерина и ВЖК, углеводы – до моносахаридов. Нарабатывается большое количество неспецифических веществ из специфических, поступающих извне. За счет переваривания в ЖКТ выделяется около 1% химической энергии веществ. Этот этап необходим для того, чтобы вещества, поступившие с пищей, смогли всосаться.
2) Этап межуточного обмена (тканевой обмен веществ, метаболизм ). На клеточном уровне он распределяется на анаболизм и катаболизм. Образуются и превращаются промежуточные вещества обмена веществ – метаболиты . При этом мономеры, образовавшиеся на этапе переваривания, распадаются с образованием небольшого (до пяти) ключевых промежуточных продуктов: ЩУК, альфа-КГ, ацетил-КоА, ПВК, альфа-глицерофосфат. Выделяется до 20% энергии веществ. Как правило, межуточный обмен происходит в цитоплазме клеток.
3) Окончательный распад веществ с участием кислорода до конечных продуктов (СО 2 , Н 2 О, азотсодержащие вещества). Выделяется около 80% энергии веществ.
Все рассмотренные этапы отражают лишь главные формы обменных процессов. Как на втором, так и на третьем этапах выделяющаяся энергия накапливается в виде энергии химических связей макроэргических соединений (это вещества, имеющие хотя бы одну макроэргическую связь, напр., АТФ, ЦТФ, ТТФ, ГТФ, УТФ, АДФ, ЦДФ, …, креатинфосфат, 1,3-дифосфоглицериновая кислота). Так, энергия связи последнего фосфата в молекуле АТФ составляет около 10-12 ккал/моль.
Биологическая роль обмена веществ:
1. аккумуляция энергии при распаде химических соединений;
2. использование энергии для синтеза собственных веществ организма;
3. распад обновляемых структурных компонентов клетки;
4. происходит синтез и распад биомолекул специального назначения.
Обмен белков
Ферменты (E) – биокатализаторы, представляющие собой соединения белковой природы. Это могут быть простые или сложные белки (содержащие неаминокислотные компоненты).
Ферменты снижают энергию активации (Е А), что позволяет протекать реакциям при физиологических условиях, со скоростями более, чем в 10 10 раз (300 лет – 1 сек). За каждое превращение одного метаболита отвечает индивидуальный фермент. Основное свойство ферментов – распознавать определённые метаболиты, катализировать их превращение и обеспечивать регуляцию каталитической активности. Таким образом, ферменты характеризуются субстратной специфичностью и специфичностью действия.
Катализируемые ферментами реакции начинаются со связывания определённого метаболита – субстрата (S) с ферментом. Каждый фермент, как правило, взаимодействует лишь с одним субстратом и катализирует его превращение до установления равновесия:
E + S↔ ES ↔ EP ↔ E + P
Узнавание субстрата происходит в процессе связывания его с ферментом. Молекулы субстрата присоединяются в определённом месте молекулы фермента – каталитическом или активном центре (АЦ). АЦ фермента и субстрат подходят друг к другу как ключ к замку (стерические свойства субстрата, распределение зарядов на его молекуле).
К аминокислотам часто играющим важную роль в активном центре фермента, относятся серин (ОН-группа) и гистидин (N-имидазольного кольца).
Коферменты и простетические группы. В связывании и последующем переносе отдельных фрагментов субстрата (например, Н ×) наряду с ферментами участвуют низкомолекулярные соединения – коферменты и простетические группы.
Коферменты (косубстраты или переносчики) связываются с молекулой фермента обратимо – присоединяют фрагмент субстрата на ферменте, а затем отделяются от него, чтобы передать этот фрагмент на другом ферменте второму соединению:
Ф 1 -К + S ↔ Ф1-К-S ↔ K-S +Ф 2 ↔ Ф 2 -К-S ↔ Ф 2 + К + Р
Простетические группы (ионы металлов) прочно связаны с молекулами ферментов и не отделяются во время присоединения субстрата и переноса фрагментов.
Многие высшие организмы не способны синтезировать коферменты – получают их с пищей в виде витаминов (потребность в них составляет несколько мг в сут):
| Кофермент | Функция | Витамин |
| Пиридоксальфосфат | Переаминирование; декарбоксилирование; рацемизация | Пиридоксин (В 6) |
| Тиаминпирофосфат | Аэробное декарбоксилирование; перенос альдегидных групп | Тиамин (В 1) |
| Кофермент А (КоА) | Перенос ацилов; аэробная деградация жирных кислот и их синтез | Пантотеновая кислота |
| Тетрагидрофолиевая кислота | Перенос С 1 -групп | Фолиевая кислота |
| Биотин | Перенос СО 2 | Биотин (Н) |
| NAD + | Перенос Н + и е - | Никотиновая кислота |
| NADP + | Перенос Н + и е - | Никотиновая кислота |
| FMN | Перенос Н + и е - | Рибофлавин (В 2) |
| FAD | Перенос Н + и е - | Рибофлавин (В 2) |
Пиридиннуклеотиды. Никотинамидадениндинуклетид (NAD +) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (NAD(P) +):
Группой, определяющей функцию этих коферментов, является амид никотиновой кислоты: перенос Н + с субстрата вместе с парой электронов (в виде гидрид-иона Н × на пиридиновое кольцо, второй атом водорода в виде Н + переходит в раствор). Рисунок (схема):
СН 3 СН 2 ОН + NAD + ↔ СН 3 СООН + NAD×Н 2
При 340 нм у NAD×Н 2 наблюдается максимальное поглощение.
Этот перенос стереоспецифичен: так алкогольдегидрогеназа и лактатдегидрогеназа переносят атом водорода на одну сторону пиридинового кольца, а глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа на другую.
Восстановленная форма NAD×Н 2 отсоединяется от одного фермента и передаётся на другой, где участвует в восстановлении S или направляется в дыхательную цепь. NAD(Р)×Н 2 участвует главным образом в восстановительных этапах биосинтеза.
Номенклатура ферментов. Название фермента складывается из:
1. Названия субстрата с прибавлением суффикса -аза (аргиназа, фосфатаза – гидролиз соответствующей группы);
2. Названия реакции с добавлением суффикса -аза (дегидрогеназа – отрыв Н × , гидролаза, трансфераза).
Кроме того, используют:
Тривиальные названия ферментов (трипсин, пепсин, каталаза);
Систематические названия ферментов (в 1972 г. комиссией по номенклатуре биохимических соединений Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC) опубликованы новые «Правила наименования ферментов». Согласно этим правилам ферменты нумеруются следующим образом: первая цифра указывает на класс, к которому относится фермент; вторая – характеристика реакции; третья – последующие детали.
Например, фермент 2.1.2. – трансфераза, переносящая одноуглеродные остатки – метильные.
Классификация ферментов. По типу каталитической реакции ферменты подразделяют на 6 классов: оксидоредуктазы; трансферазы; гидролазы; лиазы; изомеразы; лигазы (синтетазы).
1. Оксидоредуктазы – участвуют в окислительно-восстановительных реакциях (переносят Н + или электроны). В их состав входят коферменты. Они подразделяются в соответствии с донором или акцептором е -- .
2. Трансферазы – осуществляют перенос групп атомов (СН 3 , СООН, NH 2 , SO 4 , СНО, РО 4) с помощью специальных переносчиков – коферментов.
3. Гидролазы – осуществляют гидролитическое расщепление субстрата. Название фермента строится в соответствии с типом разрываемой связи (пептидгидролазы, глюкозидазы).
4. Лиазы – негидролитически отщепляют от субстрата группы с образованием двойной связи или присоединением по двойной связи СО 2, Н 2 О, NH 3 групп.
5. Изомеразы – катализируют превращения изомеров, в т.ч. рацемизацию, цис-транс, перемещение двойной связи, обмен групп у ассиметрического атома углерода, перемещение фосфатной группы.
6. Лигазы – осуществляют синтез за счёт макроэргических связей (АТФ) (а также биотин в реакциях карбоксилирования).
Активность ферментов. Стандартная единица активности - количество фермента, которое катализирует превращение 1 мкмоль субстрата в минуту при стандартных условиях (на русском и немецком – Е, на английском, французском, итальянском, испанском – U). Для некоторых высокомолекулярных веществ (белки, полисахариды) количество мкмоль субстрата определить нельзя – используют микроэквивалент участвующих в реакции групп. Для белка это это количество образовавшихся свободных -СООН или -NH 3 групп. Для полисахаридов – число прогидролизованных гликозидных связей.
Молекулярная активность – число мкмоль субстрата или эквивалентов, затронутых реакцией групп прореагировавших в течение 1 мин с 1 ммоль фермента или число стандарных единиц активности, содержащихся в 1 ммоль фермента.
Регуляция активности ферментов в клетке. В интактной клетке все протекающие биохимические реакции регулируются. Это обеспечивает экономичное использование питательных веществ, предупреждает избыточный синтез метаболитов и позволяет клетке адаптироваться к условиям окружающей среды (изменяется скорость синтеза конкретных метаболитов).
Так как реакции в клетке катализируются ферментами, регуляция метаболизма сводится к регуляции интенсивности ферментативных реакций за счёт изменения активности ферментов и их количества в клетке.
Регуляция активности ферментов. Активность ферментов зависит от фихических и химических факторов. Физические факторы (температура, давление, излучение, электромагнитное поле) менее специфичны, чем химические. Механизм действия химических факторов может быть основан: на связывании определённых групп (субстрат, кофакторы, ингибиторы) с АЦ фермента; взаимодействии со специальными участками на поверхности фермента (отличными от АЦ).
Активность некоторых ферментов регулируется путем химической модификации (ковалентное обратимое связывание с ферментом определенной группировки). Например, присоединение к глутаминсинтетазе E. coli остатка адениловой кислоты приводит к снижению активности фермента:
глутаминсинтетаза + АМФ ↔ глутаминсинтетаза-АМФ
Аналогичный механизм ацетилирования (деацетилирования) характерен для цитратлиазы фотосинтезирующих бактерий Rhodopseudomonas gelatinosa (активна ацетилированная форма фермента).
Наиболее быстрым и точным является механизм регуляции определенного типа ферментов – аллостерических. Они занимают ключевые позиции в обмене веществ (располагаются вначале метаболических путей, местах их разветвлений или в местах схождения):
1. А → В → С → D → Е → F
2. А → В → С → Е
В → D → Е → F
Термин аллостерическое ингибирование введен в 1961 г. Ж. Моно и Ф. Жакобом для того, чтобы подчеркнуть особенность данного типа регуляции – ингибитор взаимодействующий с ферментом, структурно отличается от субстрата.
Аллостерические ферменты – белки с высокой молекулярной массой, состоящие из нескольких субъединиц одного или нескольких типов (общее свойство – содержат регуляторный центр). В первом случае субъединицы содержат каталитический и регуляторный центры. Регуляторный центр называется аллостерическим. Во втором – одни субъединицы содержат каталитический, а другие регуляторный центр. В том и другом случае эти центры разделены пространственно, но функционально связаны.
С аллостерическим центром связываются определенные метаболиты – эффекторы (модуляторы, модификаторы). Ими могут быть субстраты и некоторые конечные продукты метаболических путей. Если действие эффектора приводит к снижению активности фермента – отрицательный эффектор (ингибитор). Положительный эффектор – активатор усиливает активность фермента.
Регуляторное действие связано с начальными этапами ферментативных реакций – образования фермент-субстратного комплекса (изменение сродства фермента к субстрату в результате конформационных изменений (изменение третичной структуры фермента).
Случаи аллостеричекой регуляции.
1. Регуляция первого фермента неразветвлённого пути биосинтеза конечным продуктом (наиболее простой):
А → Ф1 В → Ф2 С → Ф3 D → Ф4 Е → Ф5 F
В этом случае если продукт накапливается в клетке в избытке он ингибирует активность первого фермента биосинтетического пути – ретроингибирование. Используется клеткой для синтеза некоторых аминокислот. Например, при синтезе L-изолейцина (пять последовательных ферментативных реакций). Аллостерический фермент – треониндезаминаза.
2. Регуляция первого фермента разветвлённого пути биосинтеза. Для разветвлённых путей биосинтеза механизм регуляции по принципу обратной связи усложняется – перепроизводство одного из продуктов пути не должно ингибировать синтез остальных. В регулировании активности принимают участие все конечные продукты разветвлённого пути. Аллостерический фермент имеет несколько аллостерических центров, а каждый конечный продукт выполняет роль эффектора. Например, синтез аминокислот семейства аспартата.
В случае разветвлённого пути возможны следующие варианты регуляции:
Каждый эффектор в отдельности не влияет на активность аллостерического фермента – мультивалентное ингибирование;
Каждый эффектор вызывает частичное ингибирование активности аллостерического фермента – кумулятивное (аддитивное) ингибирование;
Активность начального фермента ингибируется промежуточным продуктом, накопление которого контролируется конечными продуктами – последовательное ингибирование.
Некоторые аллостерические ферменты существуют в клетке в виде изоферментов – катализируют одну реакцию, а их активность контролируется различными продуктами в результате отличия в аллостерических центрах. Это позволяет конечным продуктам независимо друг от друга ингибировать активность «своего» изофермента. Это наиболее совершенный механизм регуляции путей биосинтеза.
Регуляция синтеза ферментов в клетке. В основном это регуляция на уровне транскрипции (возможна также регуляция на уровне трансляции, посттрансляционные процессы, регуляция распада ферментов). Этот тип регуляции основан на том, что «считывание» информации, заложенной в генах происходит избирательно и скорость синтеза мРНК, а следовательно и дальнейшая трансляция, находятся под сложным механизмом контроля.
Все ферменты можно подразделить (по скорости синтеза) на конститутивные и индуцибельные. Синтез конститутивных ферментов происходит с постоянной, не зависящей от условий среды, скоростью. Эти ферменты присутствуют в клетке постоянно. Количество индуцибельных ферментов может существенно изменяться в зависимости от наличия в среде определённых веществ (субстратов). При отсутствии в среде субстратов их содержание в клетке минимально (несколько молекул), а при их наличии оно возрастает до нескольких процентов. Такой тип регуляции характерен для катаболических ферментов. Для ферментов, участвующих в анаболизме, характерна репрессия их синтеза конечным продуктом (при накоплении в клетке продукта ферментативных реакций количество ферментов падает), а при снижении концентрации конечного продукта происходит дерепрессия синтеза фермента (аналогична явлению индукции катаболических фрментов).
Репрессия синтеза фермента конечным продуктом. Данный тип регуляции характерен для большинства анаболических ферментов. Он осуществляется белками-репрессорами, а факторы, модифицирующие их активность – эффекторы (конечные и промежуточные продукты биосинтетических путей). Информация о структуре репрессоров заложена в генах-регуляторах.
Репрессор – аллостерический белок, который имеет центр связывания с эффектором и центр связывания с определённым участком ДНК – геном-оператором. Гены-регуляторы расположены на некотором расстоянии от структурных генов. В бактериальных хромосомах структурные гены часто объединяются в группы, которые находятся под контролем одного гена-оператора – опероны или под контролем одного гена-регулятора – регулоны. Гены, объединённые в регулон могут находиться в разных участках бактериальной хромосомы. Например, структурные гены, ответственные за синтез аргинина у E. coli .
Репрессия синтеза ферментов. Рисунок (схема):
Индукция синтеза ферментов. Индукция синтеза ферментов лактозного оперона. Рисунок (схема):
Катаболитная репрессия. В случае катаболитной репрессии быстро используемый клеткой субстрат способен подавлять синтез ферментов других путей катаболизма, участвующих в превращении сравнительно медленно используемых источников углерода и энергии. Например, при наличии в среде одновременно глюкозы и лактозы, клетки E. coli сначала используют глюкозу, а транскрипция лактозного оперона начинается тогда, когда вся глюкоза в среде будет использована. Это связано с наличием в клетке циклического АМФ (3¢,5¢цАМФ):
АТФ ® цАМФ + ФФ н (реакция катализируется мембрансвязанным ферментом – аденилатциклазой)
цАМФ способен связываться с низкомолекулярным белком – катаболитным активатором, который в свободном состоянии не активен. Комплекс цАМФ-катаболитный активатор присоединяется к промотору лактозного оперона, повышая сродство РНК-полимеразы к промотору. Количество цАМФ зависит от того фосфорилированы ли белки-переносчики глюкозы. При отсутствии глюкозы в среде они фосфорилированы и в этом состоянии повышают активность аденилатциклазы. Дефосфорилированные переносчики снижают активность аденилатциклазы.
Арендный блок
В клетке постоянно происходит большое количество разнообразных химических реакций, которые формируют метаболические пути - последовательное превращение одних соединений в другие. Чтобы воздействовать на скорость протекания метаболического пути, достаточно регулировать количество или активность ферментов. Обычно в метаболических путях есть ключевые ферменты, благодаря которым происходит регуляция скорости всего пути. Эти ферменты называются регуляторными ферментами; они катализируют, как правило, начальные реакции метаболического пути, необратимые реакции, скорость-лимитирующие реакции (самые медленные) или реакции в месте переключения метаболического пути (точки ветвления).
Регуляция скорости ферментативных реакций осуществляется на 3 независимых уровнях:
1. изменением количества молекул фермента;
2.доступностью молекул субстрата и кофермента;
3.изменением каталитической активности молекулы фермента. Важнейшее значение в изменении скорости метаболических путей играет регуляция каталитической активности одного или нескольких ключевых ферментов данного метаболического пути. Это высокоэффективный и быстрый способ регуляции метаболизма.
Основные способы регуляции активности ферментов:
1. Доступность субстрата или кофермента. Здесь работает закон действия масс фундаментальный закон химической кинетики: при постоянной температуре скорость химической реакции пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ. Или упрощенно скорость, с которой вещества реагируют друг с другом, зависит от их концентрации. Таким образом, изменение количества хотя бы одного из субстратов прекращает или начинает реакцию. Например, для цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) таким субстратом является оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота). Наличие оксалоацетата "подталкивает" реакции цикла, что позволяет вовлекать в окисление молекулы ацетил-SКоА. Именно из-за недостатка оксалоацетата (относительного или абсолютного) развивается кетоацидоз (механизм развития) при голодании и инсулинзависимом сахарном диабете.
2. Компартментализация это сосредоточение ферментов и их субстратов в одном компартменте (одной органелле) в эндоплазматическом ретикулуме, митохондриях, лизосомах. Например, ферменты цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) и β-окисления жирных кислот расположены в митохондриях, ферменты синтеза белка в рибосомах.
3. Изменение количества фермента может происходить в результате увеличения или снижения его синтеза. Изменение скорости синтеза фермента обычно зависит от количества определенных гормонов или субстратов реакции, например: -исчезновение пищеварительных ферментов при длительном голодании и их появление в восстановительный период (в результате изменения секреции кишечных гормонов); -при беременности и после родов в молочной железе активно идет синтез фермента лактозосинтазы под воздействием лактотропного гормона;
Гормоны глюкокортикоиды стимулируют синтез ферментов глюконеогенеза, что обеспечивает стабильность концентрации глюкозы в крови и устойчивость ЦНС к стрессу;
4. Ограниченный (частичный) протеолиз проферментов подразумевает, что синтез некоторых ферментов осуществляется в виде более крупного предшественника и при поступлении в нужное место этот фермент активируется через отщепление от него одного или нескольких пептидных фрагментов. Подобный механизм защищает внутриклеточные структуры от повреждений. Примером служит активация протеолитических ферментов желудочно-кишечного тракта (трипсиноген, пепсиноген, прокарбоксипептидазы), факторов свертывания крови, лизосомальных ферментов (катепсины).
5. Аллостерическая регуляция. Аллостерические ферменты построены из двух и более субъединиц: одни субъединицы содержат каталитический центр, другие имеют аллостерический центр и являются регуляторными. Аллостерический центр (allos чужой) центр регуляции активности фермента, который пространственно отделен от активного центра и имеется не у всех ферментов. Связывание с аллостерическим центром какой-либо молекулы (называемой активатором или ингибитором, а также эффектором, модулятором, регулятором) вызывает изменение конфигурации белка-фермента и, как следствие, скорости ферментативной реакции. В качестве такого регулятора может выступать продукт данной или одной из последующих реакций, субстрат реакции или иное вещество. 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. В качестве отрицательного регулятора может выступать конечный 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. Например, фермент энергетического распада 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. Аллостерическая регуляция имеет большое значение в следующих ситуациях:
При анаболических процессах. Ингибирование конечным продуктом метаболического пути и активация начальными метаболитами позволяют осуществлять регуляцию синтеза этих соединений;
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;
Для координации анаболических и катаболических путей. АТФ и АДФ - аллостерические эффекторы, действующие как антагонисты;
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.
6. 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. 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).
7. Ковалентная (химическая) модификация заключается в обратимом присоединении или отщеплении определенной группы, благодаря чему изменяется активность фермента. Чаще всего такой группой является фосфорная кислота, реже метильные и ацетильные группы. Фосфорилирование фермента происходит по остаткам серина и тирозина. Присоединение фосфорной кислоты к белку осуществляют ферменты протеинкиназы, отщепление протеинфосфатазы. Ферменты могут быть активны как в фосфорилированном, так и в дефосфорилированном состоянии. Например, ферменты гликогенфосфорилаза и гликогенсинтаза при потребности организма в глюкозе фосфорилируются, при этом фосфорилаза гликогена становится активной и начинает расщепление гликогена, а гликогенсинтаза неактивна. При необходимости синтеза гликогена оба фермента дефосфорилируются, синтаза при этом становится активной, фосфорилаза неактивной.
Активность ферментов в клетке непостоянна во времени. Ферменты чутко реагируют на ситуацию, в которой оказывается клетка, на факторы, воздействующие на нее как снаружи, так и изнутри. Главная цель такой чувствительности ферментов отреагировать на изменение окружающей среды, приспособить клетку к новым условиям, дать должный ответ на гормональные и иные стимулы, а в некоторых ситуациях получить шанс выжить.
У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы
Концепции Современного Естествознания (КСЕ). Естествознание. Система естественных наук. Методы научного познания. Организация материи.Пространство и время. Геология
Організація науково-дослідної роботи у вищому навчальному закладі. Поняття науки та її нормативне регулювання. Методологічні засади наукових досліджень
Конспект лекций по курсу Финансы - полный. Российская Федерация. Рынок земли. ВВП и ВНП.
Контрольная работа. по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности » на тему: «Ожоги и отморожения: симптомы, классификация и первая помощь»
Основным положением ферментативной кинетики является представление о фермент-субстратных комплексах (ES). Как в случае неорганических катализаторов, фермент обеспечивает протекание реакции по более эффективному пути, с более низкой энергией активации. Более высокая каталитическая активность ферментативной реакции обусловлена тем, что процесс идет через стадию образования ES. Скорость ферментативных реакций в 10 3 - 10 13 раз выше скорости не каталитической реакции. Такое резкое увеличение скорости обусловлено двумя причинами - эффектом сближения, который наблюдается и в неферментных реакциях и эффектом ориентации, который исключительно результативно осуществляется именно в ферментативных реакциях.
Молекулы ферментов в отличие от других катализаторов имеют очень сложное строение. Это дает возможность реализовать такие механизмы повышения скорости реакций, которые невозможны с небиологическими катализаторами. Здесь возможны взаимодействия особого рода, отсутствующие в обычном катализе. Если допустить, что связывание субстрата на молекуле фермента происходит не в одной, а трех точках, то одно это уже резко увеличивает вероятность необходимых ориентаций и на несколько порядков повышает скорость реакции.
В образовании фермент-субстратных комплексов могут принимать участие ковалентные, ионные, водородные связи, гидрофобные взаимодействия. Каталитическая активность фермента связана с его пространственной структурой, в которой жесткие участки спиралей чередуются с гибкими эластичными линейными отрезками.
При объяснении механизма действия ферментов широкое признание получила гипотеза «индуцированного» или «вынужденного» соответствия Кошленда. В соответствии с этой гипотезой необходимое расположение функциональных групп активного центра фермента происходит под воздействием субстрата. Реакционно-способная конформация всей молекулы фермента и его активного центра возникает в результате деформирующего воздействия субстрата. При этом следует иметь в виду, что индуцированное соответствие создается не только изменением конформации фермента, но и перестройкой молекулы субстрата.
Гипотеза «вынужденного соответствия» была экспериментально подтверждена, когда было доказано изменение расположения функциональных групп активного центра в процессе присоединения субстрата. Специфичность фермента обусловлена, вероятно, возможностью конформационных перестроек активного центра. Если возможности перестройки велики, то фермент может взаимодействовать с несколькими близкими по структуре субстратами и проявляет групповую специфичность, если возможность резко ограничена, то фермент высоко специфичен.
Гипотеза индуцированного соответствия предполагает наличие между ферментом и субстратом не только пространственной комплементарности, но и электростатического взаимодействия, обусловленного противоположно заряженными группами субстрата и фермента.
В организме реализуется одновременно огромное количество биохимических реакций важных для процессов жизнедеятельности, которые должны строго регулироваться в соответствии с потребностями организма. Эта регуляция должна обеспечивать поставку необходимых компонентов в заданный отрезок времени с наименьшими затратами энергии. Так как практически любая биологически важная реакция - это ферментативная реакция, то ясно, что такая регуляция осуществляется главным образом путем контроля ферментов, катализирующих ключевые метаболические реакции.
Скорость образования конечного продукта метаболического пути может регулироваться или путем изменения активности соответствующих ферментов или путем увеличения или уменьшения числа молекул фермента (индукция или репрессия).
Регулирование активностей ферментов в клетке происходит различными путями. Для большинства ферментов, которые подчиняются уравнению Михаэлиса-Ментен, важным регуляторным фактором является концентрация субстрата. Была введена величина К м представляющая концентрацию субстрата, при которой скорость реакции составляет 50% максимальной. Так как в клетке концентрация субстратов близка к К м или несколько ниже ее, то незначительные изменения концентрации субстратов приводят к относительно большим изменениям скоростей реакций.
Регуляция активности фермента может осуществляться за счет прямого воздействия на центры связывания субстрата, например, ингибирование фермента аналогами субстрата.
Прочно связываются с активным центром фермента ингибиторы белковой природы. Например, ингибитор трипсина - белок с молекулярной массой 6000. Он обладает сильным ингибирующим эффектом, так как строго комплементарен структуре активного центра фермента.
Однако гораздо чаще встречается аллостерический (нековалентный) тип регуляции активности ферментов.
Аллостерическая регуляция характерна для ферментов, состоящих из 2 и более субъединиц и имеющих более одного субстратсвязывающего центра. Эти ферменты содержат аллостерические центры (отличные от субстратсвязывающих), которые способны связывать определенные вещества, носящие название аллостерических эффекторов. Если связывание эффектора снижает скорость ферментативной реакции, то его называют аллостерическим ингибитором, если увеличивает - аллостерическим активатором. В качестве аллостерических эффекторов ферментов выступают различные метаболиты, гормоны, коферменты. Одним из путей регуляции аллостерических ферментов является угнетение посредством «отрицательной обратной связи» или «ретроингибирование», т.е. угнетение конечным продуктом реакции. Некоторые молекулы ферментов имеют несколько аллостерических центров, одни из которых специфичны к положительным, другие к отрицательным эффекторам. Аллостеричекие центры ферментов так же, как и активные центры, могут проявлять резко выраженную специфичность, когда они могут связывать только один определенный эффектор или относительную, когда может происходить связывание сходных по структуре эффекторов.
Механизм действия аллостерического эффектора связан с изменением конформации субъединиц из которых построен фермент, что сказывается на каталитической активности фермента.
Аллостерическая регуляция является одним из самых тонких и высоко специфичных механизмов «быстрого реагирования» на те или иные процессы в окружающей среде и используется для точной настройки метаболических систем. Эффектор может действовать только в одной или нескольких тканях организма и быть связанным со строго определенным звеном метаболизма.
Для аллостерических ферментов характерно явление кооперативности. Оно проявляется в том, что каталитические центры субъединиц взаимодействуют не автономно, а взаимосвязано. Взаимодействие с субстратом или эффектором одного из таких центров усиливает способность к взаимодействию остальных активных центров (положительная кооперативность). В некоторых случаях связывание одним активным центром субстрата понижает способность к связыванию остальных центров (отрицательная кооперативность).
Наиболее хорошо положительная кооперативность изучена на примере молекулы гемоглобина, которая имеет четыре связывающих 0 2 участка (группы гема). Связывание молекулы кислорода одним центром, приводит к усиленному взаимодействию с кислородом остальных участков. Сродство гемоглобина к 0 2 к последней (четвертой) группе более чем в 100 раз больше, чем к первой. Так как связывающие кислород участки разделены в молекуле большими расстояниями, то они не могут взаимодействовать непосредственно. Очевидно, при оксигенировании меняется конформация молекулы в целом, что приводит к изменению сродства связывающих участков.
Кооперативность также является одним из путей регуляции активности ферментов.
Активность фермента может изменяться и в результате, так называемой ковалентной (посттрансляционной) модификации, при которой происходит или отщепление части молекулы или присоединение к ферменту небольших групп. В обоих случаях эти модификации молекулы фермента связаны с разрывом или образованием ковалентных связей.
Известно, что протеолитические ферменты желудочно-кишечного тракта (пепсин, трипсин, химотрипсин) синтезируются в виде неактивных предшественников - проферментов. Регуляция активности фермента в этом случае заключается в том, что под действием специфических веществ (ферментов) неактивная форма превращается в активную. Так, например, трипсин синтезируется в поджелудочной железе в виде трипсиногена, который, попадая в тонкий кишечник, под действием фермента энтерокиназы превращается в трипсин. При этом от трипсиногена отщепляется гексапептид. Трипсин в свою очередь разрывает одну пептидную связь в химотрипсиногене, что приводит к структурным изменениям в активном центре и превращает его в активный химотрипсин.
Превращение пепсиногена в активную форму пепсин также связано с отщеплением пептида от молекулы неактивного пепсиногена. Синтез протеолитических ферментов в виде проферментов имеет важное значение в процессе регулирования процесса пищеварения в желудочно-кишечном тракте.
Регулирование активности протеолитических ферментов в желудочно-кишечном тракте происходит не только превращением профермента в активный фермент, но и путем связывания ферментов с естественными ингибиторами. В слизистой оболочке желудка и кишечника были найдены низкомолекулярные белки, ингибирующие действие пепсина и трипсина. Весьма активный ингибитор пепсина был выделен из желудка свиньи, а ингибитор трипсина из поджелудочной железы.
Ковалентная модификация фермента с изменением его активности может происходить не только в результате разрыва пептидных связей, а путем присоединения к молекуле фермента специфической группы. Например, регуляция активности фермента гликогенсинтетазы, играющего основную роль в тонкой регуляции синтеза гликогена осуществляется путем фосфорилирования и дефосфорилирования его.
Фосфорилирование с участием протеинкиназ является распространенной формой регуляции активности ферментов путем ковалентной модификации. Активность большого числа ферментов и интенсивность соответствующих процессов обмена веществ определяется соотношением фосфорилированных и дефосфо - рилированных форм этих ферментов.
Регуляция ферментативной активности может осуществляться за счет усиления синтеза уже имеющихся ферментов или даже новых ферментов в ответ на изменившиеся условия существования (появление новых пищевых факторов, химических веществ).
При воздействии специфических веществ «индукторов» или «репрессоров» происходит соответственно инициация или подавление процесса транскрипции. Эта регуляция, осуществляемая в процессе биосинтеза фермента, может приводить к изменению концентрации фермента, изменению типов имеющихся в клетке ферментов и изоферментного состава.
Этот путь регуляции более медленный, так как связан с изменением биосинтеза белка. Поэтому между сигналом о необходимости изменения концентрации фермента и установлением его нового содержания пройдет определенное время - от нескольких часов, до нескольких дней. Следовательно, путем изменения концентрации фермента, быстрого регулирования скоростей реакций добиться нельзя. Однако, в тех случаях, когда необходимо не быстрое изменение метаболизма, а продолжительная регуляция метаболического процесса этот путь приобретает важное значение.
Например, в случаях необходимости стимуляции глюконеогенеза происходит повышение концентрации таких ферментов как глюкозо - 6 - фосфатаза, фруктозо -1,6 - бисфосфатаза и фосфоенолпируваткарбоксилаза. Потребность в повышенных количествах этих ферментов обусловлена тем, что они катализируют реакции в обход физиологически необратимых этапов прямого цикла.
Показано, что при метаболическом ацидозе у животных усиливается синтез глутаминазы. Это связано с необходимостью нейтрализации аммиаком накапливающихся в организме кислых продуктов.
Имеющиеся в литературе данные говорят о том, что индукция или репрессия ферментов могут вызываться диэтическими факторами.
Введение глюкозы крысам, предварительно голодавшим в течение 5 дней, вызвало резкое повышение активности глюкокиназы. Так как инъекция пуромицина или актимицина Д подавляли эту активацию, был сделан вывод о том, что причина повышения активности фермента объясняется увеличением его синтеза (пуромицин тормозит синтез белка, а актиномицин - синтез мРНК).
Хорошо известна зависимость между активностью ферментов цикла мочевинообразования и количеством белка в рационе. Повышение содержания белка в рационе сопровождается повышением активности этих ферментов, причем это повышение пропорционально интенсивности синтеза мочевины. Не было обнаружено изменения кинетических свойств ферментативных молекул, наличие каких-либо ингибиторов или активаторов, что позволило сделать заключение, что увеличение активности связано с повышеным синтезом соответствующих ферментов.
Велико значение индукции ферментов при патологии. Индукция ферментов часто сопряжена с развитием защитных процессов при возникновении патологических состояний организма. В то же время следует иметь в виду, что в некоторых случаях усиленный синтез ферментов в ответ на изменение внешних условий среды может привести к развитию патологического процесса.
В ряде случаев при поступлении в организм лекарственных или других чуждых ему веществ также происходит индукция ферментов. Однако это не всегда способствует адаптации организма к новому для него веществу и не всегда обеспечивает более благоприятные условия для жизнедеятельности организма, так как продукт ферментативного превращения может быть более токсичен, чем исходное вещество. В этом случае эффект будет отрицательный.
Способностью индуцировать образование ферментов, как установлено, обладают многие лекарственные вещества - барбитураты, летучие анастетики, гипогликемические вещества, анальгетики, инсектициды и др. Этим явлением можно объяснить наблюдающиеся часто привыкание к некоторым лекарственным веществам при их длительном применении.
Например, при экспериментальном введении собакам фенилбутазона у животных повышалось его содержание в крови и наблюдалось явление интоксикации. Повторное введение этого препарата уже не вызывало столь резко выраженного повышения его в крови и токсического эффекта.
Индукция ферментов фармакологическими веществами часто не является узкоспецифической. Часто образуются ферменты, способствующие превращению не только данного вещества - индуктора, но некоторых других лекарственных веществ. Например, введение в организм пентабарбитурата приводит к усилению метаболизма не только этого вещества, но вызывает усиленное окисление и гексабарбитурата и даже веществ, не относящихся к группе барбитуратов.
Говоря о метаболизме лекарственных веществ в организме нужно иметь в виду, что он может осуществляться не только за счет индукции ферментов, но также путем аллостерической и ковалентной модификации ферментов.
Принципы клинической энзимодиагностики
1. Способность к регуляции делает ферменты важ- ными участниками и своеобразными организаторами клеточных процессов в организме человека. Регуля-ция скорости ферментативных реакций в клетке — основной механизм не только контроля и коорди-нации метаболических путей, но и роста и развития клетки, а также ее ответа на изменение окружающей среды.
2. Существует два основных способа контроля скорости ферментативных реакций:
— Контроль количества фермента.
Количество фермента в клетке определяется соот-ношением скоростей его синтеза и распада. Этот спо-соб регуляция скорости ферментативной реакции является более медленным процессом (проявляется спустя несколько часов), чем регуляция активности фермента (практически мгновенный ответ).
— Контроль активности фермента.
Активность фермента может регулироваться пу-тем взаимодействия с определенными веществами, изменяющими конформацию активного центра.
3. Ферменты, регулирующие скорость метаболи-ческих путей:
— обычно действуют на ранних стадиях метаболи-ческих путей, в местах ключевых разветвлений ме-таболических путей;
— катализируют в условиях клетки практически необратимые реакции, протекающие наиболее медленно (ключевые).
Пример 1. Регуляция по принципу обратной связи: в многоступенчатых метаболических путях конеч-ный продукт ингибирует регуляторный (ключевой) фермент процесса.
Первый фермент (Ej) последовательного пути превращения вещества А в вещество Z обычно ингибируется конечным продуктом этого метаболи-ческого пути.
Изменение активности ключевого фермента Е 1 происходит в результате изменения конформа-ции после связывания вещества Z в аллостериче ском центре — участке, удаленном от активного центра. Фермент Е 1 аллостерический.
Регуляция по принципу обратной связи проис-ходит относительно быстро, и часто это первый от-вет клетки на изменение условий.
С другой стороны, фермент Е х будет активным при снижении концентрации вещества Z .
4. Основные виды регуляции каталитической ак-тивности ферментов в клетке и структурные изме-нения ферментов в ходе их активации представле-ны в табл. 2.3.
5. Нарушение синтеза фермента может привести к энзимопатиям, при которых недостаток одного фермента в метаболическом пути может вызвать нарушение образования конечного продукта. В си-лу взаимозависимости метаболических путей де-фект одного фермента часто приводит к целому ряду нарушений в обмене веществ:
.jpg)
Существует вероятность, что избыточно накоп-ленный субстрат может перейти на побочный путь метаболизма с образованием необычного и часто токсичного вещества Bj.
6. Отдельные примеры энзимопатий (дисахаридозы, гликогенозы, агликогенозы, фенилпирови-ноградная олигофрения) будут рассмотрены при изучении следующих разделов.
