Регуляция активности ферментов. Проферменты. Изоферменты. Ингибиторы ферментов.
Регуляция активности ферментов.
Активация ферментов это один из механизмов, с помощью которого клетки меняют свой метаболизм. Как можно изменить работу этих мощных биокатализаторов? Существует 2 типа регуляции работы ферментов
1) СРОЧНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ. Изменение активности имеющихся в клетках ферментов. Реализуется быстро.
2) ЗАМЕДЛЕННАЯ РЕГУЛЯЦИЯ. Реализуется за счет изменения концентрации самих ферментов в клетках. Изменение концентрации ферментов в клетках достигается 2 путями
1 или за счет усиления синтеза 2 или за счет изменения распада.
Механизмы срочной регуляции. Регуляция с изменением активности имеющихся в клетках ферментов. В процессах срочного регулирования важнейшая роль, принадлежит следующим 5 механизмам. 1 Образование ферментов из предшественников.2 Обратимое ингибирование конкурентного типа. З. Аллостерическое ингибирование или активация с участием механизма положительной или отрицательной обратной связи. 4. Ковалентная модификацияферментов 5. Белок-белковое взаимодействие.
Краткая характеристика 1 Целый ряд ферментов в организме человека синтезируется в виде своих неактивных предшественников -проферментов. Далее они в таком виде они могут находиться в клетках или поступают в биологические жидкости. Обычно проферменты имеют более длинные полипептидные цепи отсюда у них нет активного центра и они не могут работать как ферменты. В случае необходимости под действием специфических ферментов, а иногда других агентов, путем ограниченного протиолиза от профермента отщепляется различной длины полипептидные цепи и формируется активный фермент. В виде проферментов в крови циркулирует целый ряд факторов свертывания крови. Почему кровь не свертывается? Поскольку большое количество работающих здесь компонентов. Например, такие как протромбин. Они активируются при повреждении сосудов и обеспечивает свертывание крови. Активация идет по каскадному механизму.
3. Наиболее частый механизм регуляции. Причем в клетках встречаются механизмы и активации и ингибирования. Если бы клетка не могла бы сама определить, сколько произвести того или иного продукта я имею ввиду метаболического пути и ждала бы команды сверху, то очевидно бы погибла. В клетке нет отсека для хранения. Это механизм, с помощью которого клетка узнает, когда данного вещества произведено достаточно. Перекрест метаболических путей достаточно сбалансирован и одно и то же соединение может использоваться во многих ферментативных реакциях.
Так регулируется синтез холестерина, пуриновых и пиримидиновых метаболитов и др. метаболические пути. Механизм аллостерической активации очень часто встречается как активация предшественникам. Типичным примером может быть эффект который наблюдается у бактерий синтезирующих изолейцин из треонина. тре Е1→ а Е2→вЕ3→с Е4 594;dЕ5→иле. В этоммногоступенчатом метаб олическом процессе участвуют 5 ферментов. В этой системе треонин является аллостерическим активатором первого фермента метаболического пути. Не включается синтез пока в клетки не накапливается треонин. Пока он используется для различных процессов превращение не идет как только так сразу. Аллостер. активация широко используется и при активировании различных процессов которые обеспечивают клетки энергии. Например, АДФ, АМФ, фосфорная кислота и пирофосфат увеличивают активность целого ряда ферментов, работа которых обеспечивает клетки в виде энергии АТФ. Как прекращается синтез? Оказывается, что в целом ряду метаболических процессов конечный продукт данного метаболического пути действует на первый или второй аллостерический фермент инактивируя его работу. Если данного вещества синтезировано достаточное количество. В целом аллостерическая активация и ингибирование представляют собой высокоэффективные механизмы поддержания в клетках необходимых веществ на оптимальном уровне.
Изоферменты - множественные формы фермента, катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающиеся друг от друга по физическим и химическим свойствам, в частности по сродству к субстрату, активности, электрофоретической подвижности или регуляторным свойствам. По своей структуре изоферменты в основном являются олигомерными белками, состоящими из субъещиниц (протомеров).
Связи между субъединицами в основном являются нековалентными, поэтому изоферменты легко диссоциируют на протомеры. Удивительной особенностью изоферментов является зависимость активности всего комплекса от способа упаковки между собой отдельных субъединиц. Если генетически различимые субъединицы могут существовать более чем в одной форме, то соответственно и фермент, образованный из двух или нескольких типов субъединиц, может существовать в нескольких формах. Если фермент состоит из 4 субъединиц двух разных типов — Н и М (сердечный и мышечный), то активный фермент может представлять собой одну из комбинаций: Н4, Н3М, Н2М2, НМ3, М4, соответствующую изоферментам ЛДГ1, ЛДГ2, ЛДГ3, ЛДГ4 и ЛДГ5. При этом синтез Н- и М-типов осуществляется различными генами и в разных органах экспрессируется по-разному.
В одних случаях субъединицы имеют почти идентичную структуру и каждая содержит каталитически активный участок (β-галактозидаза, состоящая из 4 субъединиц). В других случаях субъединицы оказываются неидентичными. Примером последних может служить триптофансинтаза, состоящая из 2 субъединиц, каждая из которых наделена собственной (но не основной) энзиматической активностью, однако, только будучи объединенными в макромолекулярную структуру, обе субъединицы проявляют триптофансинтазную активность.
Одним из наиболее изученных 4 ферментовявляется ЛДГ, катализирующая обратимое превращение пировиноградной кислоты в молочную. Пять изоферментов ЛДГ образуются из 4 субъединиц примерно одинакового размера, но двух разных типов. Изоферменты ЛДГ, обладая почти одинаковой ферментативной активностью, различаются некоторыми физико-химическими свойствами: молекулярной массой, электрофоретической подвижностью, отношением к активаторам и ингибиторам. Для каждой ткани характерно свое соотношение форм ЛДГ. В сердечной мышце преобладает Н4, а в скелетных мышцах и печени — М4. Эти обстоятельства широко используют в клинической практике, поскольку изучение появления изоферментов ЛДГ в сыворотке крови может представлять интерес для диагностики поражений органов и тканей. Многие соединения могут влиять на обмен веществ, модулируя активность соответствующих ферментов. Особенно важные функции при этом выполняют ингибиторы ферментов. Ингибиторами ферментов являются многие лекарственные вещества природного или синтетического происхождения. Метаболиты также могут быть ингибиторами ферментов в процессах регуляции .
А. Типы ингибирования
Большинство ингибиторов ферментов действуют обратимо, т. е. не вносят в молекулу фермента каких-либо изменений после своей диссоциации. Однако существуют также необратимые ингибиторы ферментов, которые необратимо модифицируют целевой фермент. Принцип действия ингибитора, тип его ингибирования определяют путем сравнения кинетики реакции (см. с. 98) в присутствии ингибиторам без него (см. схему Б). Различают конкурентное (А, слева) и неконкурентное (А, справа) ингибирование. В регуляции обмена веществ важную роль играет аллостерическое ингибирование .
Так называемые аналоги субстрата имеют свойства, подобные свойствам субстрата целевого фермента. Они обратимо блокируют часть молекул имеющегося в наличии фермента, но не могут далее превращаться в продукт. Поэтому для достижения половины максимальной скорости реакции необходимы более высокие концентрации субстрата: в присутствии такого ингибитора константа Михаэлиса Km растет . Субстрат в высоких концентрациях вытесняет ингибитор с фермента. Поэтому максимальная скорость V при этом типе торможения не претерпевает изменений. Так как субстрат и ингибитор конкурируют за место связывания на ферменте, данный тип торможения называют конкурентным. Аналоги переходного состояния также действуют как конкурентные ингибиторы.
Если ингибитор реагирует с функционально важной группой фермента, не препятствуя связыванию субстрата, такое ингибирование называется неконкурентным (на схеме справа). В этом случае Km остается неизменной, напротив уменьшается концентрация функционально активного фермента [Е] t и, следовательно, максимальная скорость реакции V. Неконкурентные ингибиторы действуют как правило необратимо, поскольку они модифицируют функциональные группы целевого фермента .
В случае так называемых "суицидных субстратов" речь идет о субстратных аналогах, содержащих дополнительно реакционную группу. Вначале они связываются обратимо, а затем образуют ковалентное соединение с активным центром фермента. Поэтому ингибирование такими соединениями проявляется как неконкурентное. Известным примером такого ингибитора является антибиотик пенициллин .
Аллостерические ингибиторы связываются с отдельными участками фермента вне активного центра (6). Такое связывание влечет за собой конформационные изменения в молекуле фермента, которые приводят к уменьшению его активности .Аллостерические эффекты встречаются практически только в случае олигомерных ферментов. Кинетику таких систем нельзя описать с помощью простой модели Михаэлиса-Ментен.
Б. Кинетика ингибирования
Конкурентное ингибирование легко можно отличить от неконкурентного при использовании графика Иди-Хофсти . Как уже упоминалось, конкурентные ингибиторы влияют только на Km , но не на V. Полученные в отсутствие и в присутствии ингибитора прямые на графике пересекаются на оси ординат. Прямые для неконкурентного ингибирования имеют одинаковый наклон (Кm не изменяется), однако по мере увеличения концентрации ингибитора отрезки, отсекаемые этими прямыми на оси ординат, становятся все короче. Для аллостерических ферментов нельзя применять график Иди-Хофсти, имеющий в этом случае нелинейный характер (здесь не приведен).