Лекция 4 РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ. МЕДИЦИНСКАЯ ЭНЗИМОЛОГИЯ Способы регуляции активности ферментов Активность ферментов, а значит и скорость химической реакции, можно регулировать, изменяя следующие параметры: 1) Абсолютное количество фермента. 2) Условия протекания реакции (рН, t, р), количество субстрата, наличие активаторов, ингибиторов. 3) Каталитическую эффективность фермента. 1. Регуляция количества ферментов Абсолютное количество фермента в клетке определяется скоростями его синтеза и распада. В клетке существует два вида ферментов: 1. Конститутивные ферменты – всегда присутствуют в клетках данного организма. Они являются обязательными компонентами клетки, синтезируются с постоянной скоростью в постоянных количествах. 2. Адаптивные ферменты – их образование зависит от условий, складывающихся в клетке. Среди них выделяют индуцируемые и репрессируемые ферменты. Индуцируемыми обычно бывают ферменты с катаболической функцией (катаболизм – процессы распада). Их образование может быть вызвано или ускорено субстратом данного фермента. Репрессируемыми обычно бывают анаболические ферменты (анаболизм – процессы синтеза). Ингибитором (репрессором) синтеза ферментов может быть конечный продукт данной ферментативной реакции. 2. Влияние активаторов и ингибиторов на активность ферментов Активаторы ферментов Активаторы ферментов – вещества, которые разными путями повышают способность ферментов ускорять реакцию. Свойства активаторов: 1. Формируют активный центр фермента (Со2+, Mg2+, Zn2+, Fe2+, Cu2+). 2. Облегчают образование фермент-субстратного комплекса (Mg2+, Мn2+). 3. Стабилизируют нативную структуру фермента. 1 4. Защищают функциональные группы активного центра от повреждения, например, восстанавливают SH-группы активного центра (глутатион, цистеин). 5. Воздействуют на субъединицы молекулы фермента (протеинкиназа регулируется цАМФ). Активаторами обычно бывают катионы (в таблице Менделеева с 19 по 30), реже анионы. Исключение: ионы хлора и анионы других галогенов активируют пепсин, амилазу, аденилатциклазу. Активаторами могут быть белки: апопротеины АI активирует ЛХАТ, апопротеины СII ® ЛПЛ. Ингибиторы ферментов Это соединения, которые взаимодействуя с ферментом, препятствуют образованию нормального фермент-субстратного комплекса, уменьшая тем самым скорость реакции или прекращая её. Классификация ингибиторов ферментов Ингибиторы неспецифические специфические необратимые обратимые конкурентные (изостерические) неконкурентные (аллостерические) Неспецифические ингибиторы вызывают денатурацию фермента (соли тяжелых металлов, кислоты, щелочи). Их действие не связано с механизмом ферментативного катализа. Специфические ингибиторы – их действие связано с механизмом ферментативного катализа. При необратимом ингибировании образуется прочный комплекс фермента и ингибитора, и фермент частично или полностью теряет свою активность. Даже если удалить свободный ингибитор из среды, та часть молекул фермента, которая успела связаться с ингибитором, остается угнетенной длительное время. Примеры необратимых ингибиторов 1. Ингибиторы металлосодержащих ферментов – НСN, KCN, CO, NaN3 – дыхательные яды, они стойко меняют валентность Fe и Сu, входящих в состав ферментов дыхательной цепи, препятствуя переносу электронов на О2. 2. Вещества, связывающие SH группы активного центра – моноиодацетат, соединения ртути и мышьяка. 2 3. Вещества, связывающие OH-группы серина в активном центре – фосфорорганические соединения – боевые отравляющие вещества. В случае обратимого действия ингибитор образует с ферментом непрочный комплекс, способный распадаться, в результате чего снова возникает активный фермент. Обратимые ингибиторы бывают конкурентные и неконкурентные. Конкурентный ингибитор – эта молекула очень похожая на субстрат и фермент не может различить их, т.е. ингибитор и субстрат конкурируют за активный центр фермента. В результате связывания конкурентного ингибитора с активным центром фермента падает концентрация фермент-субстратных комплексов и скорость реакции уменьшается, т.к. комплекс ингибиторфермент I-Е не способен давать продукт. Однако для активного центра фермента все же лучше подходит субстрат. Поэтому при достаточно большой концентрации субстрата его молекулы начнут вытеснять ингибитор I из активного центра фермента, увеличится число молекул фермент-субстратного комплекса ЕS и скорость реакции увеличится. Т.е. путем увеличения концентрации субстрата можно нейтрализовать действие конкурентного ингибитора и достичь максимальной скорости реакции. Однако для ее достижения потребуется гораздо большая концентрация субстрата. Действие конкурентных ингибиторов +I → EI → E + P E +S→ ES → E + P Кинетика ферментативных реакций при действии конкурентных ингибиторов 1 V V Vmax +I +I Vmax 2 1/Vmax=1/VmaxI Km KmI Vmax = VmaхI KmI > Km [S] –1/Кm –1/KmI 1/[S] Вывод: конкурентные ингибиторы увеличивают Km реакции, но не влияют на Vmax 3 Пример конкурентного ингибирования COOH COOH СДГ CH2 COOH СДГ CH CH2 -2Н CH2 CH COOH COOH сукцинат COOH малонат фумарат СДГ – сукцинатдегидрогеназа Сукцинат (янтарная кислота) – истинный субстрат для фермента сукцинатдегидрогеназы, который превращает ее в фумарат. Малонат похож по строению на сукцинат и может взаимодействовать с активным центром фермента (конкурентный ингибитор), но фумарат не образуется. Неконкурентные ингибиторы связываются не с активным центром фермента, а с каким-либо другим участком фермента (часто с аллостерическим центром). В результате активный центр фермента свободен и к нему может присоединиться субстрат, т.е. образуется комплекс ЕSI. Механизм ингибирования состоит в том, что комплекс ЕSI медленно образует продукт и увеличение [S] не влияет на Vmах, Vmах реакции будет снижена. Поскольку эти ингибиторы не мешают связыванию субстрата с активным центром – величина Км не меняется. Действие неконкурентных ингибиторов медленно E + S + I → ESI E+P+I Кинетика ферментативных реакций при действии конкурентных ингибиторов 4 1/V V +I Vmax Vmax 2 VmaxI 2 1/Vmax +I Km=KmI –1/Km=–1/KmI [S] Вывод: неконкурентные ингибиторы понижают Vmax, но не влияют на Km. 1/S VmaхI<Vmax KmI=Km В медицине широко применяются антиметаболиты. Это структурные аналоги природных субстратов (метаболитов). Антиметаболиты выступают в роли конкурентных ингибиторов ферментов, превращающих природные метаболиты. Пример: сульфаниламидные препараты: ПАБК H2N Е фолиевая кислота COOH ПАБК – парааминобензойная кислота рост, размножение бактерий H2 N SO3NH2 → SA – сульфаниламиды Для роста и размножения бактерий необходима фолиевая кислота, которая синтезируется из ПАБК (природного субстрата) под действием фермента. Сульфаниламиды, будучи похожими по строению на ПАБК, вытесняют ее из активного центра ферментов, фолиевая кислота не синтезируется, микробы не размножаются. 3. Регуляция каталитической эффективности ферментов Это все изменения активности постоянном его количестве. фермента, происходящие при 5 Химическая модифи кация Превращение проферментов в активные ферменты Мульти ферментные комплексы Аллосте рическая регуляция Регуляция по типу обратной связи Рассмотрим наиболее важные пути регуляции: 1. Превращение проферментов в активные ферменты. Ряд ферментов (например, протеолитические) синтезируются в неактивной форме – в виде проферментов. Чтобы перейти в активную форму, профермент должен подвергнуться ограниченному протеолизу (т.е. удалению части полипептидной цепи). В ходе протеолиза открывается или формируется активный центр и фермент активируется. Протеолитические ферменты синтезируются в поджелудочной железе в форме проферментов (исключается самопереваривание железы), а активация происходит только в желудочно-кишечном тракте при появлении пищи. 2. Химическая модификация. Это ковалентное присоединение или отщепление от фермента небольшой химической группы, что приводит к изменению активности фермента. Чаще всего к ферменту присоединяется или отщепляется фосфатная группа – фосфорилированиедефосфорилирование фермента. Такой способ регуляции характерен для ферментов синтеза и распада гликогена. Фосфорилирование и дефосфорилирование проводится разными ферментами, т.е. процесс обратим в функциональном смысле (активен Û неактивен), но не в химическом. 3. Мультиферментные комплексы. Это объединение нескольких ферментов, катализирующих многоступенчатую последовательность метаболических реакций. Пример: все ферменты синтеза жирных кислот объединены в единый мультиферментный комплекс – синтаза. Адекватное взаимное расположение ферментов облегчает перенос промежуточных продуктов от одного фермента к другому, что ускоряет выход конечного продукта. Кроме того, такое объединение обеспечивает более эффективный метаболический контроль. 4. Аллостерическая регуляция. Это регуляция путем взаимодействия эффекторов с аллостерическим центром фермента. Как правило, аллостерическая регуляция характерна для ферментов, имеющих субьединичное строение. Их называют аллостерическими или регуляторными ферментами. Каждая субъединица такого фермента содержит свои активный и аллостерический центры. Различают гомотропные и гетеротропные регуляторные ферменты. Гомотропные: субстрат служит и эффектором. Гетеротропные: эффекторы не являются субстратом. 6 В аллостерических ферментах активный центр одной субъединицы фермента оказывает влияние на активный центр другой субъединицы в той же молекуле. В результате такого взаимодействия между субъединицами связывание субстрата становится кооперативным. Т.е. кинетические свойства таких ферментов не описываются уравнением Михаэлиса-Ментен и зависимость скорости реакции от концентрации субстрата имеет форму Sобразной кривой, а не гиперболы. При этом небольшое увеличение концентрации субстрата будет приводить к значительному возрастанию скорости реакции. Для объяснения кооперативных эффектов используют 2 модели: симметричную (Моно, Уаймен, Шанжи) и последовательную (Кошланд, Немети, Филмер). Рассмотрим фермент, состоящий из двух субъединиц, имеющих свои активные центры, которые могут в третичной структуре находиться в двух конформациях – R и Т. Причем если фермент находится в R (relax – расслаблять) конформации, субстрат имеет высокое сродство к ферменту, а если в Т (tense – напрягать) – низкое сродство. Из таких субъединиц возможны следующие комбинации четвертичной структуры: RR; TT; RT. По симметричной модели каждый мультимерный фермент может существовать в двух разных состояниях с неодинаковой четвертичной структурой, но все субъединицы в этих состояниях имеют одинаковую третичную структуру. Т.е. согласно этой модели возможны четвертичные структуры RR, TT и не может быть RT. В отсутствии субстрата преобладают формы ТТ. При связывании субстрата с Т-конформерами произойдет одновременный переход всех субъединиц в R-состояние, что вызовет значительное увеличение скорости реакции. По этой модели гомотропная регуляция всегда положительная, т.к. присоединение субстрата всегда увеличивает сродство фермента к нему – все ТТ перейдут в RR. S+TT →RR Последовательная модель, кроме состояний ТТ, RR допускает существование состояния TR, когда отдельные субъединицы мультимера могут в одно и то же время иметь разные третичные структуры. При этом связывание субстрата одной субъединицей вызывает изменение третичной структуры соседней субъединицы и в результате увеличивается или уменьшается их сродство к субстрату. S+TT → TR →RR (+) S+RR → TR → TT (-) Т.е. по этой модели гомотропное взаимодействие может быть положительным и отрицательным. Аллостерическая регуляция может приводить к активации или ингибированию фермента. 7 На базе симметричной модели: если эффектор сдвигает конформационное равновесие R Û T в сторону R, то субстрат будет иметь увеличенное сродство к ферменту – положительный кооперативный эффект. Следовательно, эффектор – активатор. Если эффектор сдвинул равновесие в сторону конформации Т, имеет место уменьшение сродства к ферменту – отрицательный кооперативный эффект; т.е. эффектор – ингибитор. 5. Регуляция по типу обратной связи. Характерна для последовательных реакций, при этом каждая реакция катализируется своим ферментом. Различают ретроингибирование и форактивацию: а) Ретроингибирование – ингибирование по типу отрицательной обратной связи. (-) А Е1 → В Е2 → (+) С Е3 → Еn → Z Конечный продукт Z обычно не влияет на активность промежуточных ферментов системы, а ингибирует ее первый фермент Е1. Этим обеспечивается целенаправленность регуляции, т.к. цель системы состоит в образовании именно конечного продукта, а не промежуточных соединений. б) Форактивация – активация предшественником. Накопление субстрата А стимулирует его распад до продукта Z через активацию фермента более поздних стадий превращения. 4. Медицинская энзимология Включает энзимодиагностику, энзимопатологию, энзимотерапию. Энзимодиагностика – исследование ферментов в биологических средах организма с диагностической целью. Условно выделяют 4 группы ферментов: 1. Ферменты, широко представленные в различных органах и тканях. Это ферменты основных метаболических процессов, без которых жизнь клетки невозможна (обмен белков, жиров, углеводов). При повреждении мембран клеток эти ферменты появляются в крови. Определение повышенного количества этих ферментов в крови не позволяет локализовать патологический процесс. 2. Органоспецифические ферменты преимущественно локализованы в определенных органах. Эти ферменты катализируют обычно реакции, обеспечивающие специфическую функцию данного органа. В клетках других органов этих ферментов нет или очень мало. Выход органоспецифических ферментов в кровь сигнализирует о поражении определенного органа, т.е. позволяет диагностировать место поражения. Например, АлАТ – появляется в крови преимущественно при поражениях печени, АсАТ – сердца. 8 3. Изоферменты. 4. Ферменты, локализованные в органеллах клеток (окислительновосстановительные в митохондриях, кислые гидролазы в лизосомах и др.). Выходя в кровь, сигнализируют о глубоком поражении клетки. Изоферменты – это молекулярные формы фермента, которые катализируют одну и ту же реакцию, но различаются по некоторым свойствам: аминокислотной последовательности, молекулярной массе, аминокислотному составу, субстратной специфичности, элетрофоретической подвижности и др. Изоферменты являются продуктами экспрессии разных генов: гены могут быть в разных хромосомах (например, для амилазы слюны и амилазы панкреатической) или в одной хромосоме (например, для цитоплазматической и митохондриальной малатдегидрогеназы). Существуют различия в распределении изоферментов в разных тканях, в разных внутриклеточных компартментах, что отражает различия в метаболизме, например, изоферменты могут иметь разное сродство к субстрату (глюкокиназа печени имеет более низкое сродство к глюкозе, чем гексокиназа – изофермент, ускоряющий фофорилирование глюкозы в других тканях). Один из основных механизмов образования изоферментов включает объединение разных субъединиц в разной комбинации при образовании активного олигомерного фермента. Пример. Креатинкиназа (КК) катализирует обратимую реакцию образования и распада креатинфосфата – вещества, которое участвует в запасании энергии. КК Креатин + АТФ ↔ Креатинфосфат + АДФ Фермент креатинкиназа (КК) является димером, состоящим из 2 субъединиц. Субъединицы В (мозговая) и М (мышечная) закодированы в разных генах. Фермент КК представлен 3 изоферментами, которые различаются по электрофоретической подвижности: – ВВ (КК-1) – мозговой, максимальное продвижение к аноду. – МВ (КК-2) – сердечный, средняя подвижность. – ММ (КК-3) – мышечный, самый медленный. Изоформы креатинкиназы. Набор изоформ КК в разных тканях неодинаков: – КК-1 присутствует в значительных количествах в мозге, простате, желудке, легких, плаценте, щитовидной железе. – КК-2 находится в основном в сердечной мышце (25-46% от общей активности фермента), в скелетной мышце (5%). – КК-3 присутствует в основном в клетках скелетных и сердечной мышц. – 9 Примеры органоспецифических ферментов (изоферментов) Орган, при повреждении которого Фермент содержание фермента в крови (изофермент) увеличивается Миокард ЛДГ1,2 Легкие ЛДГ3 Печень, мышцы ЛДГ4,5 Поджелудочная железа Амилаза Печень АлАТ Миокард АсАТ Простата Кислая фосфатаза Кости Щелочная фосфатаза Энзимопатология Наследственные энзимопатии – заболевания, связанные с наследственными дефектами ферментов. Изменения при этом могут быть двух типов: 1) Связанные с образованием избытка субстрата реакции или его предшественников. Например, накопление и выделение галактозы при дефекте фермента, превращающего галактозу в фруктозу – галактоземия. 2) Связанные с недостаточностью образования продуктов измененной химической реакции. Этот тип сопровождается клиническими проявлениями. В этой фазе обычно уже бывает поздно применять действенные терапевтические меры. Энзимотерапия – это использование ферментов и регуляторов их активности в качестве лекарственных средств. Препарат Характеристика Показания к применению Пепсин Протеолитический фермент желудка Трипсин Протеолитический фермент поджелудочной железы Ингибитор ряда протеолитических ферментов (трипсина, химотрипсина и др.) Недостаточность желудочного пищеварения (гипоацидные гастриты и др.) а) Гнойные раны б) Воспалительные заболевания верхних дыхательных путей Панкреатиты Трасилол Цель применения Заместительная терапия Расщепление некротизированных тканей и сгустков крови Предупреждение самопереваривания поджелудочной железы трипсином, который при панкреатитах активируется уже в 10 Препарат Характеристика Фибринолизин Протеиназа, разрушающая фибрин Ингибитор моноаминооксида зы (МАО), инактивирующей катехоламин Гликозидаза, разрушающая гиалуроновую кислоту Ингибиторы ферментов синтеза компонентов клеточной оболочки у бактерий Ипразид Гиалуронидаза (лидаза) Пенициллин, циклосерин Показания к применению Тромбоз сосудов Депрессивные состояния Рубцы после ожогов и операций, спайки и др. Цель применения протоках железы Рассасывание уже образовавшихся тромбов Накопление в мозгу катехоламинов, усиление процессов возбуждения Разрушение избыточной соединительной ткани Различные бактериальные Бактериостатическое и инфекции бактерицидное действие Иммобилизованные ферменты – это ферменты, связанные с твердым носителем или спрятанные в полимерную капсулу. Чаще используют капсулу из липидов – липосомы – они легко проходят через мембрану и оказывают действие внутри клетки. Иммобилизованные ферменты часто используются в технологических процессах. Преимущества иммобилизованных ферментов: 1. Легко отделяются от реакционной среды, можно использовать повторно, продукт не загрязнен ферментом. 2. Ферментативный процесс можно вести непрерывно. 3. Повышается стабильность фермента, инактивация фермента замедляется в сотни, тысячи и даже млн. раз. Использование ферментов в качестве аналитических реагентов Глюкозооксидаза ХолестеролОксидаза Липаза Уреаза Определение концентрации глюкозы в крови Определение концентрации холестерина в крови Определение концентрации триацил-глицеринов в крови Определение концентрации мочевины в крови 11
