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.
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
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
| Твитнуть |
Все темы данного раздела:
Белки и их биологическая роль
Белок (протеины) – protos – предшествующий всему, первичный, наиглавнейший, определяющий всё остальное.
Белки – это высокомолекулярные азотсодержащие органические вещества, состо
Характеристика простых белков
В основе классификации (создана в 1908г.) лежит растворимость белков. По этому признаку выделяют:
I. гистоныипротамины, растворимые в солевых растворах. О
Хромопротеины
Для них простетическая часть окрашена (chromos – краска). К хромопротеинам относятся гемоглобин, миоглобин, каталаза, пероксидаза, ряд флавинсодержащих ферментов (сукцинатдегидрогеназа, альдегидокс
Липид-белковые комплексы
Липид-белковые комплексы – сложные белки, простетическую часть которых составляют различные липидные компоненты. К таким компонентам относятся:
1. предельные и непредельные В
Нуклеопротеины
Нуклеопротеины – это сложные белки, содержащие в качестве небольшой части нуклеиновые кислоты (до 65%).
НП состоят из 2-х частей: белковой (содержит гистоны и протамины, кото
Углевод-белковые комплексы
В качестве простетической группы выступают углеводы. Все углевод-белковые комплексы делятся на гликопротеины и протеогликаны.
Гликопротеины (ГП)– комплекс белков с углеводными ко
Фосфопротеины
Белки, где в качестве простетической группы – фосфорная кислота. Присоединение фосфорной кислоты к полипептидной цепи идет с образованием сложноэфирной связи с АК СЕР или ТРЕ.
Строение коферментов
Коферменты в каталитических реакциях осуществляют транспорт различных групп атомов, электронов или протонов. Коферменты связываются с ферментами:
- ковалентными связями;
- ионными
Изоферменты
Изоферменты – это изофункциональные белки. Они катализируют одну и ту же реакцию, но отличаются по некоторым функциональным свойствам в силу отличий по:
- аминокислотному составу;
Свойства ферментов
Общие черты ферментов и небиологических катализаторов:
1) и те, и другие катализируют только энергетически возможные реакции;
2) увеличивают скорость реакции;
3) н
Номенклатура ферментов
1) Существует тривиальная номенклатура – названия случайные, без системы и основания, например трипсин, пепсин, химотрипсин.
2) Рабочая номенклатура – название фермента составляется из наз
Современные представления о ферментативном катализе
Первая теория ферментативного катализа была выдвинута в начале 20 века Варбургом и Бейлисом. Эта теория предлагала считать, что фермент адсорбирует на себе субстрат, и называлась адсорбционной, но
Молекулярные эффекты действия ферментов
1) Эффект концентрирования – это адсорбирование на поверхности молекулы фермента молекул реагирующих веществ, т.е. субстрата, что приводит к их лучшему взаимодействию. Пр.: электростатическое притя
Теория кислотно-основного катализа
В составе активного центра фермента имеются как кислые, так и основные функциональные группы. В результате этого фермент проявляет в ходе катализа кислотно-основные свойства, т.е. играет как роль д
Переваривание и всасывание белков
Функции белков многообразны, но особенно выделяются структурная, каталитическая и энергетическая функции. Энергетическая ценность белка около 4,1 ккал/г.
Среди всех веществ, поступающих в
Превращение белков в органах пищеварения
Все белки подвергаются действию гидролаз (третий класс ферментов), а именно пептидаз – они, как правило, вырабатываются в неактивной форме, а затем активируются путем частичного протеолиза.
Переваривание сложных белков и их катаболизм
1. Гликопротеины гидролизуются с помощью гликозидаз (амилолитических ферментов).
2. Липопротеины – с помощью липолитических ферментов.
3. Гемсодержащие хромопроте
Гниение белков и обезвреживание его продуктов
Гниение белков – это бактериальный распад белковых веществ и АК под действием микрофлоры кишечника. Идет в толстой кишке, однако может наблюдаться и в желудке – при снижении кислотнос
Метаболизм аминокислот
Фонд АК организма пополняется за счет процессов:
1) гидролиза белков пищи,
2) гидролиза тканевых белков (под действием катепсинов лизосом).
Расходуется АК-фонд на процесс
Общие пути обмена веществ
1. Переаминирование (открыто в 1937 г. Браунштейном и Крицмом).
Временное обезвреживание аммиака
Аммиак токсичен (50 мг аммиака убивает кролика, при этом =0,4-0,7 мг/л). Поэтому в тканях аммиак обезвреживается временными путями:
1) в основном – образов
Орнитиновый цикл мочевинообразования
Мочевина содержит 80-90% всего азота мочи. В сутки образуется 25-30 г мочевины NH2-CO-NH2.
1. NH3 + CO
Синтез и распад нуклеотидов
Особенности обмена нуклеотидов:
1. Ни сами нуклеотиды, ни азотистые основания, поступающие с пищей, не включаются в синтез нуклеиновых кислот и нуклеотидов организма. Т.е., нуклеотиды пищи
Окисление пуриновых нуклеозидов
Аденозин® (аденозиндезаминаза, +Н2О, –NH4+) инозин® (пуриннуклеозидфосфорилаза, +Фн –рибозил-1-Ф) гипоксантин (6-оксопурин) ® (ксантинокси
Функционирование ДЦ
Субстрат·Н2 → НАД → ФМН → КоQ → 2b → 2c1→ 2c → 2a → 2a3 → O
Репликация (самоудвоение, биосинтез) ДНК
В 1953 г. Уотсон и Крик открыли принцип комплементарности (взаимодополняемости). Так, А=Т, а ГºЦ.
Условия, необходимые для репликации:
1. стр
Транскрипция (передача информации с ДНК на РНК) или биосинтез РНК
При транскрипции, в отличие от репликации, информации передается с небольшого участка ДНК. Элементарной единицей транскрипции является оперон (транскриптон)- участок ДНК, подвергающийся тран
Регуляция биосинтеза белка
Клетки многоклеточного организма содержат одинаковый набор ДНК, но белки синтезируются разные. Например, соединительная ткань активно синтезирует коллаген, а в мышечных клетках такого белка нет. В
Механизмы развития раковой опухоли
Рак – генетическое заболевание, т.е. повреждение генов.
Виды повреждений генов:
1) потеря гена,
2) собственно повреждение гена,
3) активация гена,
Переваривание липидов
Поступая с пищей, липиды в ротовой полости подвергаются только механической обработке. Липолитические ферменты в ротовой полости не образуются. Переваривание липидов будет происходить в тех отделах
Механизм ресинтеза жира
Ресинтез жира в стенке кишечника происходит следующим образом:
1. сначала продукты гидролиза (глицерин, ВЖК) активируются с использованием АТФ. Далее происходит последовательное ацилирован
Транспортные формы липидов в организме
Липиды являются нерастворимыми в воде соединениями, поэтому для их переноса кровью необходимы специальные переносчики, растворимые в воде. Такими транспортными формами являются липопротеины плазмы
Превращение липидов в тканях
В тканях постоянно идут процессы распада и синтеза липидов. Основную массу липидов организма человека составляют ТГ, которые в клетке имеются в виде включений. Период обновления ТГ в разных тканях
Биосинтез глицерина и ВЖК в тканях
Биосинтез глицерина в тканях тесно связан с метаболизмом глюкозы, которая в результате катаболизма проходит стадии образования триоз. Глицеральдегид–3–фосфат в цитоплазме по
Патология липидного обмена
На этапе поступления с пищей. Обильная жирная пища на фоне гиподинамии ведёт к развитию алиментарного ожирения. Нарушение обмена может быть связано с недостаточным поступлением жир
Ионы Са2+
Образуют соединение с белком - кальмодулин. Комплекс Са2+-кальмодулин активирует ферменты (аденилатциклазу, фосфодиэстеразу, Са2+-зависимую протеинкиназу). Есть группа
Гормоны паращитовидных желез
Парат-гормон, состоит из 84 АК, регулирует уровень Са2+, стимулирует выход кальция (и фосфора) из костей в кровь; Повышают реабсорбцию кальция в почках, но стимулируется выход фосфора; С
Роль витаминов в обмене веществ
1.(!) витамины – предшественники коферментов и простетических групп ферментов.
Напр., В1 – тиамин – входит в состав кофермента декарбоксилаз кетокислот в виде ТПФ (ТДФ), В2 – рибофлавин –
Понятие о гиповитаминозах, авитаминозах и гипервитаминозах
Гиповитаминоз – патологическое состояние, связанное с недостатком витамина в организме.
Авитаминоз – патологическое состояние, вызванное отсутствием витамина в организме.
Причины гиповитаминозов
1. Первичные: недостаток витамина в пище.
2. Вторичные:
а) снижение аппетита;
б) повышенный расход витаминов;
в) нарушения всасывания и утилизации, напр., энтеро
Витамин А
Витамеры: А1 – ретинол и А2 – ретиналь.
Клиническое название: антиксерофтальмический витамин.
По химической природе: циклический непредельный одноатомный спирт на основе кольца b-
Витамин D
Антирахитический витамин. Существуют два витамера:
D2 – эргокальциферол и D3 – холекальциферол.
Витамин D2 содержится в грибах. Витамин D3 синтезируется в орг
Витамин Е
Устар.: антистерильный витамин, антиоксидантный энзим.
В химическом плане это альфа-, бета-, гамма- и дельта-токоферолы, но преобладающим является альфа-токоферол.
Витамин Е устой
Витамин К
Антигеморрагический витамин.
Витамеры: К1 – филлохинон и К2 – менахинон.
Роль витамина К в обмене веществ
Это кофактор карбоксилирования глутамино
Пантотеновая кислота. [рис. формулы НОСН2-С((СН3)2)-СН(ОН)-СО-NH-СН2-СН2-СООН] Состоит из масляной кислоты с b-аланином.
Гидроксилирование ксенобиотиков с участием микросомальной монооксигеназной системы
1. бензола:
[рис. бензол+ О2 +НАДФН2®(гидроксилаза, цитохром Р450) фенол + НАДФ+ Н2О]
2. индола:
[рис. индол+ О2 +Н
Роль печени в пигментном обмене
Пигментный обмен представляет собой совокупность сложных взаимопревращений окрашенных веществ тканей и жидкостей организма человека.
К пигментам относятся 4 группы веществ:
1. гем
Биосинтез гема
Биосинтез гема идет в большинстве тканей, за исключением эритроцитов, которые не имеют митохондрий. В организме человека гем синтезируется из глицина и сукцинил-КоА, образованного в результате мета
Распад гема
Большая часть гемхромагенных пигментов в организме человека образуется при распаде гема. Главным источником гема является гемоглобин. В эритроцитах содержание гемоглобина составляет 80%, время жизн
Патология пигментного обмена
Как правило, связана с нарушением процессов катаболизма гема и выражается гипербилирубинемией и проявляется в желтушечности кожи и видимых слизистых оболочек. Накапливаясь в ЦНС, билирубин вызывает
Типы изменения биохимического состава крови
I. Абсолютные и относительные.
Абсолютные обусловлены нарушением синтеза, распада, выведения того или иного соединения.
Относительные обусловлены изменением объема ц
Белковый состав крови
Функции белков крови:
1. поддерживают онкотическое давление (в основном за счет альбуминов);
2. определяют вязкость плазмы крови (в основном за счет альбуминов);
Общий белок
В норме общий белок крови 65-85 г/л.
Общий белок – это сумма всех белковых веществ крови.
Гипопротеинемия – снижение альбуминов. Причины:
Глобулины в норме 20-30 г/л
I. α1 -глобулины
α-антитрипсин – ингибирует трипсин, пепсин, эластазу, некоторые другие протеазы крови. Выполняет антивоспалитель
Остаточный азот
Остаточный азот – это сумма азота всех небелковых азотсодержащих веществ крови. В норме 14-28 ммоль/л.
1. Метаболиты:
1.1. аминокислоты (25%);
1.2. креат
Углеводный обмен
Глюкоза в капиллярной крови натощак 3,3-5,5 ммоль/л.
1. Гипергликемия (повышение глюкозы):
1.1. панкреатическая гипергликемия – при отсутствии инсул
Липидный обмен
Холестерин в норме 3-5,2 ммоль/л. В плазме находится в составе ЛПНП, ЛПОНП (атерогенные фракции) и ЛПВП (антиатерогенная фракция). Вероятность развития атеросклероза
Минеральный обмен
Натрий – это основной внеклеточный ион. На уровень Na+ в крови влияют минералокортикоиды (альдостерон задерживает натрий в почках). Уровень натрия увеличивается за счет гем
Ферменты плазмы крови
Классифицируются:
1. Функционирующие ферменты (собственно плазменные). Напр., ренин (повышает АД через ангиотензин II), холинестераза (расщепляет ацетилхолин). Их активность выше в
Физические свойства мочи здорового человека, их изменения при патологии
I. Количество мочи в норме 1,2-1,5 л.
Полиурия – увеличение количества мочи из-за:
1) увеличения фильтрации (под действием адреналина увеличивается фи
Показатели химического состава мочи
Общий азот – это совокупность азота всех азотсодержащих веществ в моче. В норме – 10-16 г/сутки. При патологиях общий азот может:
ü увеличиваться – гиперазотурия
Особенности обмена веществ в нервной ткани
Энергетический обмен.
В ткани головного мозга увеличено клеточное дыхание (преобладают аэробные процессы). Мозг потребляет большее количество кислорода, чем постоянно работающее сер
Химическая передача нервного возбуждения
Передача возбуждения с одной клетки на другую происходит с помощью нейромедиаторов:
- нейропептидов;
- АК;
- ацетилхолина;
- биогенных аминов (адреналин,
Регуляция активности ферментов. Медицинская энзимология (биохимия)
Способы регуляции активности ферментов:
1. Изменение количества ферментов.
2. Изменение каталитической эффективности фермента.
3. Изменение условий протекания реакции.
Регуляция количества ферментов
Количество молекул фермента в клетке определяется соотношением двух процессов – скоростями синтеза и распада белковой молекулы фермента.
В клетках существуют два типа ферментов:
1. Конститутивные ферменты – являются обязательными компонентами клетки, синтезируются с постоянной скоростью в постоянных количествах.
2. Адаптивные ферменты – их образование зависит от определенных условий. Среди них выделяют индуцируемые и репрессируемые ферменты.
Индуцируемыми, как правило, являются ферменты с катаболической функцией. Их образование может быть вызвано или ускорено субстратом данного фермента. Репрессируемыми обычно бывают ферменты анаболической направленности. Ингибитором (репрессором) синтеза этих ферментов может быть конечный продукт данной ферментативной реакции.
Изменение каталитической эффективности ферментов
Этот тип регуляции может осуществляться по нескольким механизмам.
Влияние активаторов и ингибиторов на активность ферментов
Активаторы разными путями могут повышать ферментативную активность:
1. формируют активный центр фермента;
2. облегчают образование фермент-субстратного комплекса;
3. стабилизируют нативную структуру фермента;
4. защищают функциональные группы активного центра.
Классификация ингибиторов ферментов:
1. Неспецифические.
2. Специфические:
Необратимые
Обратимые:
§ конкурентные
§ неконкурентные.
Неспецифические ингибиторы вызывают денатурацию молекулы фермента – это кислоты, щелочи, соли тяжелых металлов. Их действие не связано с механизмом ферментативного катализа.
Необратимое ингибирование
Необратимое ингибирование наблюдают в случае образования ковалентных стабильных связей между молекулой ингибитора и фермента. Чаще всего модификации подвергается активный центр фермента. В результате фермент не может выполнять каталитическую функцию.
К необратимым ингибиторам относят ионы тяжёлых металлов, например ртути (Hg 2+), серебра (Ag +) и мышьяка (As 3+), которые в малых концентрациях блокируют сульфгидрильные группы активного центра. Субстрат при этом не может подвергаться химическому превращению.
Диизопропилфторфосфат (ДФФ) специфически реагирует лишь с одним из многих остатков серина в активном центре фермента. 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 относят к специфическим необратимым ингибитором «сериновых» ферментов, так как он образует ковалентную связь с гидроксильной группой серина, находящегося в активном центре и играющего ключевую роль в процессе катализа.
Монойодуксусная кислота, п-хлормеркурибензоат легко вступают в реакции с SH-группами остатков цистеина белков. Эти ингибиторы не относят к специфичным, так как они реагируют с любыми свободными SH-группами белков и называются неспецифическими ингибиторами. Если SH-группы принимают участие непосредственно в катализе, то с помощью этих ингибиторов представляется возможным выявление роли SH-групп фермента в катализе.
Необратимые ингибиторы ферментов как лекарственные препараты
Пример лекарственного препарата, действие которого основано на необратимом ингибировании ферментов, - широко используемый препарат аспирин. Противовоспалительный нестероидный препарат аспирин обеспечивает фармакологическое действие за счёт ингибирования фермента циклооксигеназы, катализирующего реакцию образования простагландинов из арахидоновой кислоты. В результате химической реакции ацетильный остаток аспирина присоединяется к свободной концевой ОН-группе серина циклооксигеназы.
Это вызывает снижение образования продуктов реакции простагландинов, которые обладают широким спектром биологических функций, в том числе являются медиаторами воспаления.
Обратимое ингибирование
Обратимые ингибиторы связываются с ферментом слабыми нековалентными связями и при определённых условиях легко отделяются от фермента. Обратимые ингибиторы бывают конкурентными и неконкурентными.
Конкурентное ингибирование
К конкурентному ингибированию относят обратимое снижение скорости ферментативной реакции, вызванное ингибитором, связывающимся с активным центром фермента и препятствующим образованию фермент-субстратного комплекса. Такой тип ингибирования наблюдают, когда ингибитор – структурный аналог субстрата, в результате возникает конкуренция молекул субстрата и ингибитора за место в активном центре фермента. В этом случае с ферментом взаимодействует либо субстрат, либо ингибитор, образуя комплексы фермент-субстрат (ES) или фермент-ингибитор (EI). При формировании комплекса фермента и ингибитора (EI) продукт реакции не образуется.
Классический пример конкурентного ингибирования – ингибирование сукцинатдегидрогеназной реакции малоновой кислотой. Малоновая кислота – структурный аналог сукцината (наличие двух карбоксильных групп) и может также взаимодействовать с активным центром сукцинатдегидрогеназы. Однако отщепление двух атомов водорода от малоновой кислоты невозможно; следовательно, скорость реакции снижается.
Лекарственные препараты как конкурентные ингибиторы
Многие лекарственные препараты оказывают своё терапевтическое действие по механизму конкурентного ингибирования. Например, четвертичные аммониевые основания ингибируют ацетилхолинэстеразу, катализирующую реакцию гидролиза ацетилхолина на холин и уксусную кислоту.
При добавлении ингибиторов активность ацетилхолинэстеразы уменьшается, концентрация ацетилхолина (субстрата) увеличивается, что сопровождается усилением проведения нервного импульса. Ингибиторы холинэстеразы используют при лечении мышечных дистрофий. Эффективные антихолинэстеразные препараты – прозерин, эндрофоний и др.
Антиметаболиты как лекарственные препараты
В качестве ингибиторов ферментов по конкурентному механизму в медицинской практике используют вещества, называемые антиметаболитами. Эти соединения, будучи структурными аналогами природных субстратов, вызывают конкурентное ингибирование ферментов, с одной стороны, и, с другой – могут использоваться этими же ферментами в качестве псевдосубстратов, что приводит к синтезу аномальных продуктов. Аномальные продукты не обладают функциональной активностью; в результате наблюдают снижение скорости определённых метаболических путей.
В качестве лекарственных препаратов используют следующие антиметаболиты: сульфаниламидные препараты (аналоги пара-аминобензойной кислоты), применяемые для лечения инфекционных заболеваний, аналоги нуклеотидов для лечения онкологических заболеваний.
Неконкурентное ингибирование
Неконкурентным называют такое ингибирование ферментативной реакции, при котором ингибитор взаимодействует с ферментом в участке, отличном от активного центра. Неконкурентные ингибиторы не являются структурными аналогами субстрата.
Неконкурентный ингибитор может связываться либо с ферментом, либо с фермент-субстратным комплексом, образуя неактивный комплекс. Присоединение неконкурентного ингибитора вызывает изменение конформации молекулы фермента таким образом, что нарушается взаимодействие субстрата с активным центром фермента, что приводит к снижению скорости ферментативной реакции.
Аллостерическая регуляция
Аллостерическими ферментами называют ферменты, активность которых регулируется не только количеством молекул субстрата, но и другими веществами, называемыми эффекторами. Участвующие в аллостерической регуляции эффекторы – клеточные метаболиты часто именно того пути, регуляцию которого они осуществляют.
Роль аллостерических ферментов в метаболизме клетки. Аллостерические ферменты играют важную роль в метаболизме, так как они чрезвычайно быстро реагируют на малейшие изменения внутреннего состояния клетки.
Аллостерическая регуляция имеет большое значение в следующих ситуациях:
1. при анаболических процессах. Ингибирование конечным продуктом метаболического пути и активация начальными метаболитами позволяют осуществлять регуляцию синтеза этих соединений;
2. 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;
3. для координации анаболических и катаболических путей. АТФ и АДФ – аллостерические эффекторы, действующие как антагонисты;
4. 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.
Особенности строения и функционирования аллостерических ферментов:
1. обычно это олигомерные белки, состоящие из нескольких протомеров или имеющие доменное строение;
2. они имеют аллостерический центр, пространственно удалённый от каталитического активного центра;
3. эффекторы присоединяются к ферменту нековалентно в аллостерических (регуляторных) центрах;
4. аллостерические центры, так же, как и каталитические, могут проявлять различную специфичность по отношению к лигандам: она может быть абсолютной и групповой.
Некоторые ферменты имеют несколько аллостерических центров, одни из которых специфичны к активаторам, другие – к ингибиторам;
1. протомер, на котором находится аллостерический центр, - регуляторный протомер, в отличие от каталитического протомера, содержащего активный центр, в котором проходит химическая реакция;
2. аллостерические ферменты обладают свойством кооперативности: взаимодействие аллостерического эффектора с аллостерическим центром вызывает последовательное кооперативное изменение конформации всех субъединиц, приводящее к изменению конформации активного центра и изменению сродства фермента к субстрату, что снижает или увеличивает каталитическую активность фермента;
3. регуляция аллостерических ферментов обратима: отсоединение эффектора от регуляторной субъединицы восстанавливает исходную каталитическую активность фермента;
4. аллостерические ферменты катализируют ключевые реакции данного метаболического пути.
Регуляция каталитической активности ферментов белок-белковыми взаимодействиями.
Некоторые ферменты изменяют свою каталитическую активность в результате белок-белковых взаимодействий.
Различают 2 механизма активации ферментов с помощью белок-белковых взаимодействий:
1. активация ферментов в результате присоединения регуляторных белков;
2. изменение каталитической активности ферментов вследствие ассоциации или диссоциации протомеров фермента.
Регуляция каталитической активности ферментов путём фосфорилирования/дефосфорилирования.
В биологических системах часто встречается механизм регуляции активности ферментов с помощью ковалентной модификации аминокислотных остатков. Быстрый и широко распространённый способ химической модификации ферментов – фосфорилирование/дефосфорилирование. Модификации подвергаются ОН-группы фермента. Фосфорилирование осуществляется ферментами протеинкиназами, а дефосфорилирование – фосфопротеинфосфатазами. Присоединение остатка фосфорной кислоты приводит к изменению конформации активного центра и его каталитической активности. При этом результат может быть двояким: одни ферменты при фосфорилировании активируются, другие, напротив, становятся менее активными.
Регуляция каталитической активности ферментов частичным (ограниченным) протеолизом.
Некоторые ферменты, функционирующие вне клеток (в ЖКТ или в плазме крови), синтезируются в виде неактивных предшественников и активируются только в результате гидролиза одной или нескольких определённых пептидных связей, что приводит к отщеплению части белковой молекулы предшественника. В результате в оставшейся части белковой молекулы происходит конформационная перестройка и формируется активный центр фермента (трипсиноген – трипсин).
Ферменты плазмы крови
По происхождению ферменты плазмы крови можно подразделить на 3 группы.
1. Собственные ферменты плазмы крови (секреторные). Они образуются в печени, но проявляют своё действие в крови. К ним относятся ферменты свертывающей системы крови – протромбин, проакцелерин, проконвертин, а также церулоплазмин, холинэстераза.
2. Экскреторные ферменты – попадают в кровь из различных секретов – дуоденального сока, слюны и т.д. К ним относятся амилаза, липаза.
3. Клеточные ферменты – попадают в кровь при повреждениях или разрушениях клеток или тканей.
Таблица 4.1. Органоспецифические ферменты (изоферменты)
Энзимопатии
В основе многих заболеваний лежат нарушения функционирования ферментов в клетке – энзимопатии. Приобретённые энзимопатии, как и вообще протеинопатии, по-видимому, наблюдают при всех болезнях.
При первичных энзимопатиях дефектные ферменты наследуются, в основном, по аутосомно-рецессивному типу. Гетерозиготы, чаще всего, не имеют фенотипических отклонений. Первичные энзимопатии обычно относят к метаболическим болезням, так как происходит нарушение определённых метаболических путей. При этом развитие заболевания может протекать по одному из ниже перечисленных «сценариев». Рассмотрим условную схему метаболического пути:
Е 1 Е 2 Е 3 Е 4
А → В → С → D → Р
Вещество А в результате последовательных ферментативных реакций превращается в продукт Р. При наследственной недостаточности какого-либо фермента, например фермента Е 3 , возможны разные нарушения метаболических путей:
Нарушение образования конечных продуктов.
Недостаток конечного продукта этого метаболического пути (при отсутствии альтернативных путей синтеза) может приводить к развитию клинических симптомов, характерных для данного заболевания.
Клинические проявления. В качестве примера можно рассмотреть альбинизм. При альбинизме нарушен синтез в меланоцитах пигментов – меланинов. Меланин находится в коже, волосах, радужке, пигментном эпителии сетчатки глаза и влияет на их окраску. При альбинизме наблюдают слабую пигментацию кожи, светлые волосы, красноватый цвет радужки глаза из-за просвечивающих капилляров. Проявление альбинизма связано с недостаточностью фермента тирозингидроксилазы (тирозиназы) – одного из ферментов, катализирующего метаболический путь образования меланинов.
Накопление субстратов-предшественников.
При недостаточности фермента будут накапливаться определенные вещества, а также во многих случаях и предшествующие им соединения. Увеличение субстратов-предшественников дефектного фермента – ведущее звено развития многих заболеваний.
Клинические проявления. Известно заболевание алкаптонурия, при котором нарушено окисление гомогентизиновой кислоты в тканях (гомогентизиновая кислота – промежуточный метаболит катаболизма тирозина). У таких больных наблюдают недостаточность фермента окисления гомогентизиновой кислоты – диоксигеназы гомогентизиновой кислоты, приводящей к развитию заболевания. В результате увеличиваются концентрация гомогентизиновой кислоты и выведение её с мочой. В присутствии кислорода гомогентизиновая кислота превращается в соединение чёрного цвета – алкаптон. Поэтому моча таких больных на воздухе окрашивается в чёрный цвет. Алкаптон также образуется и в биологических жидкостях, оседая в тканях, коже, сухожилиях, суставах. При значительных отложениях алкаптона в суставах нарушается их подвижность.
Нарушение образования конечных продуктов и накопление субстратов-предшественников.
Отмечают заболевания, когда одновременно недостаток продукта и накопление исходного субстрата вызывают клинические проявления.
Клинические проявления. Например, у людей с болезнью Гирке (гликогеноз I типа) наблюдают снижение концентрации глюкозы в крови (гипогликемия) в перерывах между приёмами пищи. Это связано с нарушением распада гликогена в печени вследствие дефекта фермента глюкозо-6-фосфатазы. Одновременно у таких людей увеличиваются размеры печени (гепатомегалия) вследствие накопления в ней не используемого гликогена.
Применение ферментов в медицине
Ферментные препараты широко используют в медицине. Ферменты в медицинской практике находят применение в качестве диагностических (энзимодиагностика) и терапевтических (энзимотерапия) средств.
Кроме того, ферменты используют в качестве специфических реактивов для определения ряда веществ. Так, глюкозооксидазу применяют для количественного определения глюкозы в моче и крови. Фермент уреазу используют для определения содержания количества мочевины в крови и моче. С помощью различных дегидрогеназ обнаруживают соответствующие субстраты, например пируват, лактат, этиловый спирт и др.
Энзимодиагностика
Энзимодиагностика заключается в постановке диагноза заболевания (или синдрома) на основе определения активности ферментов в биологических жидкостях человека.
Принципы энзимодиагностики основаны на следующих позициях:
1. при повреждении клеток в крови или других биологических жидкостях (например, в моче) увеличивается концентрация внутриклеточных ферментов повреждённых клеток;
2. количество высвобождаемого фермента достаточно для его обнаружения;
3. активность ферментов в биологических жидкостях, обнаруживаемых при повреждении клеток, стабильна в течение достаточно длительного времени и отличается от нормальных значений;
4. ряд ферментов имеет преимущественную или абсолютную локализацию в определённых органах (органоспецифичность);
5. существуют различия во внутриклеточной локализации ряда ферментов.
Применение ферментов в качестве лекарственных средств
Использование ферментов в качестве терапевтических средств имеет много ограничений вследствие их высокой иммуногенности.
Тем не менее энзимотерапию активно развивают в следующих направлениях:
1. заместительная терапия – использование ферментов в случае их недостаточности;
2. элементы комплексной терапии – применение ферментов в сочетании с другой терапией.
Заместительная энзимотерапия эффективна при желудочно-кишечных заболеваниях, связанных с недостаточностью секреции пищеварительных соков. Например, пепсин используют при ахилии, гипо- и анацидных гастритах. Дефицит панкреатических ферментов также в значительной степени может быть компенсирован приёмом внутрь препаратов, содержащих основные ферменты поджелудочной железы (фестал, энзистал, мезим-форте и др.).
В качестве дополнительных терапевтических средств ферменты используют при ряде заболеваний. Протеолитические ферменты (трипсин, химотрипсин) применяют при местном воздействии для обработки гнойных ран с целью расщепления белков погибших клеток, для удаления сгустков крови или вязких секретов при воспалительных заболеваниях дыхательных путей. Ферментные препараты стали широко применять при тромбозах и тромбоэмболиях. С этой целью используют препараты фибринолизина, стрептолиазы, стрептодеказы, урокиназы.
Фермент гиалуронидазу (лидазу), катализирующий расщепление гиалуроновой кислоты, используют подкожно и внутримышечно для рассасывания рубцов после ожогов и операций (гиалуроновая кислота образует сшивки в соединительной ткани).
Ферментные препараты используют при онкологических заболеваниях. Аспарагиназа, катализирующая реакцию катаболизма аспарагина, нашла применение для лечения лейкозов.
Предпосылкой антилейкемического действия аспарагиназы послужило обнаружение в лейкозных клетках дефектного фермента аспарагинсинтетазы, катализирующего реакцию синтеза аспарагина.
Лейкозные клетки не могут синтезировать аспарагин и получают его из плазмы крови. Если имеющийся в плазме аспарагин разрушать введением аспарагиназы, то в лейкозных клетках наступит дефицит аспарагина и в результате – нарушение метаболизма клетки и остановка прогрессирования заболевания.
Иммобилизованные ферменты – это ферменты, связанные с твердым носителем или помещенные в полимерную капсулу.
Для иммобилизации ферментов используют два основных подхода:
1. Химическая модификация фермента.
2. Физическая изоляция фермента в инертном материале.
Часто для иммобилизации ферментов используют капсулы из липидов – липосомы, которые легко проходят через мембраны и оказывают необходимые эффекты внутри клетки.
Преимущества иммобилизованных ферментов:
1. Легко отделяются от реакционной среды, что позволяет использовать фермент повторно. Продукт не загрязнен ферментом.
2. Ферментативный процесс можно осуществлять непрерывно.
3. Повышается стабильность фермента.
Иммобилизированные ферменты можно использовать для аналитических и препаративных целей. Существуют несколько типов устройств, где иммобилизированные ферменты применяются в аналитических целях – ферментные электроды, автоматические анализаторы, тест-системы и т.д.
Препаративное использование иммобилизованных ферментов в промышленности:
1. Получение L-аминокислот с помощью аминоацилазы.
2. Получение сиропов с высоким содержанием фруктозы с использованием глюкозоизомеразы.
И активаторы, повышающие ферментативную активность. Ингибиторы способны взаимодействовать с ферментами с разной степенью прочности. На основании этого различают обратимое и необратимое ингибирование. Обратимые ингибиторы связываются с ферментами слабыми нековалентными связями и при определенных условиях легко отделяются от фермента, действуют кратковременно. Обратимые ингибиторы делятся на конкурентные и неконкурентные.
Конкурентные ингибиторы имеют структурное сходство с субстратом, в результате чего возникает конкуренция молекул субстрата и ингибитора за связывание с активным центром фермента. В этом случае с активным центром взаимодействует либо субстрат, либо ингибитор, образуя комплексы фермент-субстрат (ЕS) или фермент-ингибитор (ЕI). При формировании ЕI комплекса продукт реакции не образуется. Активность фермента может быть восстановлена при повышении концентрации субстрата. Многие лекарственные препа-раты действуют как конкурентные ингибиторы. Например, сульфаниламиды , обладающие бактериостатическим действием, являются аналогами пара-аминобензойной кислоты , которую бактерии используют для синтеза фолиевой кислоты (необходимой для синтеза нуклеотидов и деления клеток).
Неконкурентные ингибиторы не похожи на субстрат, поэтому взаимодействуют с ферментом в участке, отличном от активного центра.
Необратимые ингибиторы образуют прочные ковалентные связи с ферментом, при этом чаще модификации подвергается активный центр фермента. В результате фермент не может выполнять свою каталитическую функцию. Например, фосфорорганические соединения ковалентно связывают ОН-группу серина , находящуюся в активном центре и играющую ключевую роль в процессе катализа . Такие ингибиторы, если используются как лекарства, действуют длительно (сутки, недели). Восстановление ферментативной активности может быть связано с синтезом новых молекул фермента.
Большинство ферментативных процессов в клетке протекают не в одну стадию, а представляют собой совокупность ферментативных реакций, объединенных в ферментативные цепи (метаболические пути), которые могут быть линейными (гликолиз), разветвленными, циклическими (цикл Кребса). Чтобы воздействовать на скорость метаболического пути, достаточно регулировать количество или активность ферментов. В метаболических путях нет надобности регулировать активность всех ферментов, обычно регулируется активность ключевых ферментов, которые определяют скорость метаболического процесса в целом.
Ключевыми ферментами являются:
· ферменты начала метаболического пути (первый фермент),
· ферменты, катализирующие скорость-лимитирующие (самые медленные) реакции,
· ферменты, находящиеся в месте разветвления метаболических путей.
Регуляция скорости ферментативных реакций может осуществляться путем:
· изменения количества молекул фермента,
· доступностью молекул субстрата и кофермента ,
· регуляции каталитической активности молекул отдельных ферментов.
Регуляция количества молекул фермента в клетке может осуществляться путем изменения скорости его синтеза (индукция - увеличение скорости синтеза, репрессия - торможение) или путем изменения скорости его распада.
Важный параметр, контролирующий протекание метаболического пути, - наличие субстратов, главным образом - первого, чем больше его концентрация, тем выше скорость метаболического пути.
Регуляция каталитической активности отдельных ферментов . Основными способами регуляции являются: аллостерический и изостерический механизмы, регуляция с помощью белок-белковых взаимодействий, путем химической модификации, ограниченного (частичного) протеолиза.
Изостерическиймеханизм . В этом случае регулятор воздействует непосредственно на активный центр фермента. По такому механизму действуют конкурентные ингибиторы, некоторые металлы.
Аллостеричесий механизм. Многие ферменты помимо активного центра имеют еще и аллостерический центр, пространственно удаленный от активного центра. Аллостерические ферменты обычно являются олигомерными белками, состоящими из нескольких субъединиц. К аллостерическому центру нековалентно присоединяются эффекторы. В их роли могут выступать субстраты, конечные продукты метаболического пути, коферменты, макроэрги (причем АТФ и АДФ действуют как антагонисты: АТФ активирует процессы анаболизма и ингибирует катаболизм, АДФ - наоборот).
Аллостерических центров у фермента может быть несколько. Аллостерические ферменты обладают свойством положительной и отрицательной кооперативности. Взаимодействие эффектора с аллостерическим центром вызывает последовательное кооперативное изменение конформации всех субъединиц, приводящее к изменению формы активного центра, что снижает или увеличивает сродство к субстрату, а значит, соответственно, уменьшает или увеличивает каталитическую активность фермента.
Внутримолекулярное взаимодействие белок - белок (только для олигомерных ферментов) с изменением олигомерности. ПротеинкиназаА - фермент, который фосфорилирует белки за счет АТФ, состоит из 4 субъединиц двух типов: двух субъединиц регуляторных и двух каталитических. Такой тетрамер не обладает каталитической активностью. При диссоциации тетрамерного комплекса освобождаются две каталитические субъединицы и фермент становится активным. Такой механизм регуляции обратим. Ассоциация регуляторных и каталитических субъединиц протенкиназы А вновь приводит к образованию неактивного комплекса.
химической модификации. Это наиболее часто встречаемый механизм регуляции активности ферментов путем ковалентной модифи-кации аминокислотных остатков. При этом модификации подвергаются ОН-группы фермента. Фосфорилирование осуществляется ферментами протеинкиназами за счет АТФ. Присоединение остатка фосфорной кислоты приводит к изменению каталитической активности, при этом результат может быть двояким: одни ферменты при фосфорилировании активируются, другие - становятся менее активными. Изменение активности путем фосфорилирования обратимо. Отщепление остатка фосфорной кислоты осуществляется протенфосфатазами.
Регуляция активности ферментов путем ограниченного протеолиза . Некоторые ферменты синтезируются в виде неактивных предшественников - проферментов и активируются в результате гидролиза одной или нескольких определенных пептидных связей, что приводит к отщеплению части белковой молекулы профермента. В результате в оставшейся части белковой молекулы происходит конформационная перестройка и формируется активный центр и фермент становится активным. Отщепление пептида от белков-предшественников катализируют ферменты пептидазы.
При этом активность фермента изменяется необратимо. Ограниченный протеолиз лежит в основе активации протеолитических ферментов ЖКТ, белков свертывающей системы крови и системы фибринолиза, а также белково-пептидных гормонов. Например, трипсиноген, синтезируемый в поджелудочной железе, поступает в кишечник, где на него действует фермент энтеропептидаза. В результате происходит ограниченный протеолиз с отщеплением гексапептида. При этом в оставшейся части молекулы формируется активный центр и образуется активный трипсин.
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 – предоставить клетке шанс выжить.
Способы регуляции активности ферментов
В клетке имеется несколько способов регуляции активности ферментов – одни способы подходят для любых ферментов, другие более специфичны.
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.
5. Аллостерическая регуляция
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 .
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.
Регуляция фосфофруктокиназы конечным продуктом
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.
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.
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
7. Ковалентная (химическая) модификация
Ковалентная 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 .
Изменение активности фермента
при фосфорилировании-дефосфорилировании
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.
