Типы ингибирования

Регуляция по типу обратной связи.

Путь нековалентной модификации

В состав ферментов кроме активного центра может входить иной центр - аллостерический, к которому мо­гут присоединяться низкомолекулярные вещества и из­менять активность ферментов. Аллостерический (или регуляторный) центр - участок молекулы фермента, с которым связываются низкомолекулярные вещества-эффек­торы (активаторы или ингибиторы). Их структура отлич­на от структуры субстрата. Присоединяясь к аллостерическому центру, эти вещества (эффекторы) могут изме­нять третичную или четвертичную структуры молекулы фермента и соответственно структуру активного центра, вызывая увеличение или уменьшение его активности. Та­ким образом, связывание фермента с эффектором в одном участке белка вызывает изменение структуры и, следова­тельно, активности - в другом.

Активаторы увеличивают активность ферментов, а ингибиторы уменьшают. Часто биохимический процесс состоит из нескольких стадий, которые катализируются своими ферментами. В таких системах есть хотя бы один фермент - регуляторный, который определяет скорость всей последовательности реакций. Регуляторные фермен­ты под действием эффекторов способны включать и вы­ключать целые цепи реакций метаболизма. Соединения, действующие как ингибиторы этих ферментов, обычно являются конечными продуктами всей цепи реакций. Систему регуляции этого типа, когда избыток продукта одной из последовательных реакций биохимического пути ингибирует активность фермента одной из ранних ста­дий, блокируя эту и все последующие стадии, называют ингибированием по типу обратной связи. Таким образом, накопление избытка продукта ведет к торможению его биосинтеза.

Различают обратимое и необратимое ингибирование ферментов. Ингибирование является необратимым, если ингибитор необратимо связывается с ферментом (образо­ванный комплекс субстрат-ингибитор не распадается). Многие ингибиторы необратимо связываются с фермен­тами, изменяя их структуру. Этим объясняется токсич­ное действие ионов металлов: Hg 2+ , Zn 2+ .

Е - SH + Ag + ® Е - S - Ag + H + ;

в противном случае наблюдается обратимое ингибирование. Обратимое ингибирование, может быть конкурент­ное и неконкурентное.

Конкурентное ингибирование наблюдается, когда ин­гибитор и субстрат имеют сходные структуры и конкури­руют за связывание с активным центром фермента. Если к ферменту Е добавить конкурентный ингибитор I и субстрат S, то одновременно образуется два комплекса: фер­мент-ингибитор (EI) и фермент-субстратный (ES). Образо­вание комплекса EI не приводит к образованию продук­тов реакции.

Е + S ® ES ® P + Е;

Е + I ® EI ® не образуются продукты реакции

Скорость реакции уменьшается, потому что при присое­динении ингибитора к активному центру субстрата умень­шается число активных центров фермента, способных вза­имодействовать с природным субстратом. Поскольку конкурентный ингибитор связывается обратимо, с фер­ментом, то уменьшить его действие можно, увеличивая концентрацию субстрата, так как при этом увеличивает­ся вероятность связывания фермента с субстратом.

Ограниченный протеолиз.

Регуляция активности с помощью гормонов.

Гормональная регуляция осуществляется на генетическом уровне путём обратимого фосфорилирования. Например, под действием адреналина происходит активация процесса распада гликогена. В ходе этого процесса образуется небелковое соединения – у-АМФ. у-АМФ – внутриклеточный гормон (вторичный посредник) является аллостерическим регулятором большого числа протеинлипаз. у-АМФ образуется из АТФ под действием аденилатциклаз.

Регуляция активности путём химической модификации.

Химическая модификация - присоединение каких-либо функциональных групп к ферменту, с последующим изменением его активности. Химическая модификация обратима. Так например, ключевые ферменты энергетического обмена - фосфорилаза, гликогенсинтаза контролируются путём фосфорилирования и дефосфорилирования, осуществляемого специфическими ферментами - протеинилазой и фософотазой. И уровень активности ключевых ферментов будет определятся соотношением фосфорилированных и дефосфорилированных форм этих ферментов.

Все ферменты ЖКТ и поджелудочной железы синтезируются в неактивной форме в виде проферментов. Регуляция в этом случае сводится к превращению их в активную форму. Так, например, активация трипсиногена идёт под действием энтерокиназы и ведёт к отщеплению избыточной последовательности аминокислот. При этом происходит формирование активного центра и третичной структуры трипсина. Это явление получило название ограниченный протеолиз . Его биологическое значение заключается в том, что он исключает самопереваривание органа (аутокатализ), что, например, происходит при активации трипсина в самой поджелудочной железе. Во-вторых, обеспечивается более тонкая регуляция количества фермента.

Ограниченный протеолиз находится под контролем факторов среды, рН, в клетке – под контролем Са.

Скорость ферментативной реакции определяется присутствием в среде эффекторов: активаторов и ингибиторов. Активаторы повышают скорость реакции и иногда модифицируют её, а ингибиторы - тормозят её.

Активаторы: коферменты, ионы Ме, SH- реагенты. Активизирующее влияние связано с оптимизацией структуры белковой молекулы и активного центра фермента. Это улучшает взаимодействие фермента и субстрата.

Активатор панкреатической липазы – желчные кислоты.

Активатор трипсиногена – энтерокиназы.

Активатор хематрипсиногена – трипсин.

Активатор пепсина и амилазы – ионы Са.

В качестве активаторов могут выступать и Ме:

Zn – активатор угольной ангидразы.

Ингибиторами принято называть вещества, вызывающее частичное или полное торможение реакции.

Любые агенты, вызывающие денатурацию фермента, являются ингибиторами. Однако такое ингибирование неспецифично потому, что не связано с механизмом действия ферментов. Гораздо больше специфических ингибиторов, которые оказывают действия на один какой – либо фермент или на группу родственных ферментов. Такие ингибиторы могут дать ценную информацию о природе активного центра фермента. На ингибировании ферментов основан механизм действия многих токсинов и ядов на организм. Так, при отравлении синильной кислотой спазм наступает вследствие полного торможения дыхательных ферментов (цитохромоксидазы).

Типы ингибирования :

1) Обратимое

2) Необратимое

Если молекула ингибитора вызывает стойкие изменения или модификацию активного центра фермента, то такой тип ингибирования называется необратимым .

Обратимое ингибирование встречается чаще, и его делят на конкурентное и неконкурентное , в зависимости от того удаётся или не удаётся преодолеть торможение ферментативной реакции путём повышения {S}. Конкурентное ингибирование возможно при наличии структурного сходства субстрата и ингибитора. Например, торможение активности сукцинатдегидрогеназы малоновой кислотой:

НООС - 2Н НООС

СН -------- СН

СН СДГ СН

НООС НООС

сукцинат фумарат

Если в среду вместо сукцината внести малонат, то в силу его структурного сходства с сукцинатом он будет реагировать с активным центром СДГ. Однако при этом перенос 2Н от малоната не происходит, так как структуры малоната и сукцината всё же несколько отличаются и они будут конкурировать за связывание с активным центром СДГ и степень торможения будет определена соотношением концентраций малоната и сукцината. Особенность этого ингибирования – обратимость за счёт увеличения {S}.

I(+) E + I ------ EI

Часто имеет место частично неконкурентное ингибирование, при котором снижение Vmax сочетается с повышением Km. В редких случаях степень торможения активности фермента может повышаться с повышением {S}. Это так называемое бесконкурентное ингибирование . В этом случае возможно соединение ингибитора с комплексом ES, следовательно, образуется неактивный или медленно реагирующий комплекс

ES + I ------ ESI

Действие многих лекарств основано как раз на этих всех методах ингибирования. Так, например, сульфаниламидные препараты применяются для лечения некоторых инфекций, которые имеют структурное сходство с ПАБК, которую бактериальная клетка использует в каестве субстрата для синтеза фолиевой кислоты. Благодаря сходству сульфаниламид блокирует действие фермента путём вытеснения ПАБК из комплекса ES , что ведёт к снижению роста бактерий. Это конкурентное ингибирование .

Изучение подавления активности ферментов служит одним из способов расшифровки механизма их действия. Подходом к решению последней задачи является изучение специфичности действия ферментов. В свою очередь, это требует корректного измерения кинетических параметров в присутствии изучаемого аналога субстрата. Рассмотрим способы определения характера взаимоотношений субстратов, их аналогов и ингибиторов ферментативной активности путем вычисления ряда кинетических параметров.

При этом, если константа диссоциации комплекса K s = K m равна:

Ингибиторы ферментов можно разделить на две основные группы: обратимые и необратимые. После удаления ингибитора первого типа активность фермента восстанавливается; во втором случае ингибитор удалить не удается или активность фермента не восстанавливается даже после удаления ингибитора. Необратимое ингибирование достигает максимума, когда весь фермент связан с ингибитором. Обратимое ингибирование достигает состояния равновесия, положение которого определяется константой ингибирования , характеризующей сродство фермента к ингибитору. Схема обратимого ингибирования приведена ниже:

При конкурентном ингибировании субстрат и ингибитор связываются с одним и тем же активным центром фермента. В присутствии ингибитора снижается сродство фермента к субстрату. Величина не изменяется, так как при «насыщающей» концентрации субстрат вытесняет ингибитор из комплекса с ферментом.

При неконкурентном ингибировании субстрат и ингибитор связываются с разными центрами фермента. При этом величина К га не изменяется, а величина V max снижается.

Возможны также промежуточные или альтернативные случаи, например, когда ингибитор связывается не с ферментом, а с фермент-субстратным комплексом, как в случае бесконкурентного ингибирования, при котором изменяются оба кинетических параметра.

Для определения типа ингибирования обычно используют график Лайнуивера-Берка, полученный для данного субстрата в отсутствие и в присутствии ингибитора.

При конкурентном ингибировании, если определена величина К т в присутствии ингибитора, можно рассчитать константу ингибирования по следующей формуле:

При неконкурентном ингибировании с помощью определения измененной величины V можно рассчитать К. по следующей формуле:

Все биохимические процессы в клетке взаимосвязаны и взаимозависимы, тем не менее часть из них преимущественно выполняет функцию построения клеточного материала, а часть - снабжения источниками энергии этих «строительных работ». Поэтому принято разделять биохимические процессы на два основных типа: ассимиляционные, называемые анаболизмом, включающим синтез низкомолекулярных предшественников и построения из них молекул биополимеров, и диссимиляционные, называемые катаболизмом, состоящим в обеспечение источника энергии, «энергетического привода», приводящего в движение анаболизм.

Рассмотрим основные механизмы процессов трансформации энергии в клетке, т.е. механизмы катаболических процессов.

Ингибирование

– это торможение активности фермента. При этом денатурации ферментов не происходит.

Ингибитор - вещество, вызывающее специфичное снижение активности фермента. Неорганические кислоты и тяжелые металлы ингибиторами не являются, а являются инактиваторами , так как снижают активность любых ферментов, т.е. действуют неспецифично .Так же денатурирующие агенты к ингибитррам не относят.

Ингибиторы: ионы или небольшие молекулы, составляющие часть ферментативной регуляторной системы, а так же фармакологические препараты.

по прочности связывания фермента с ингибитором ингибирование бывает обратимым и необратимым .

по отношению ингибитора к активному центру фермента ингибирование делят на конкурентное и неконкурентное .

Виды ингибирования

1. Обратимое 2. Необратимое

А. КОНКУРЕНТНОЕ А. СПЕЦИФИЧЕСКОЕ

Б. НЕКОНКУРЕНТНОЕ Б. НЕСПЕЦИФИЧЕСКОЕ

Обратимое ингибирование . Большинство ингибиторов действуют обратимо, образуя нековалентные связи с ферментом , и при определенных условиях диссоциируют с восстановлением активности фермента.

Конкурентное ингибирование. Ингибитор похож на субстрат фермента по своей структуре и соперничает с субстратом за активный центр (садится на активный центр фермента ), что приводит к уменьшению связывания субстрата с ферментом и нарушению катализа. В этом состоит особенность конкурентного ингибирования – возможность усилить или ослабить ингибирование через изменение концентрации субстрата.

Для конкурентного типа ингибирования справедливы следующие уравнения:

Е + S ⇔ ES → E + P,

1. Конкурентное взаимодействие этанола и метанола за активный центр алкогольдегидрогеназы .

2. Ингибирование сукцинатдегидрогеназы малоновой кислотой , структура которой схожа со структурой субстрата этого фермента – янтарной кислоты (сукцината).

Сукцинат + ФАД ----------- Фумарат + ФАДН 2

3.Также к конкурентным ингибиторам относят антиметаболиты или псевдосубстраты, например, антибактериальные средства сульфаниламиды , схожие по структуре с п -аминобензойной кислотой, компонентом фолиевой кислоты. При лечении сульфаниламидами в бактериальной клетке конкурентно нарушается использование п -аминобензойной кислоты для синтеза фолиевой кислоты , что и вызывает лечебный эффект.

Сходство строения сульфаниламидов и парааминобензойной кислоты, компонента витамина в9

Влияние различных концентраций субстрата на скорость реакции, катализируемой ферментами 1 и 2(в присутствии ингибитора) : а) гиперболическая зависимость V от [ S ], б) прямая зависимость в обратных координатах 1/ V от 1/[ S ] - Лайнуивера-Бэрка.

Конкурентные ингибиторы уменьшают скорость химической реакции. Конкурентный ингибитор повышает К m для данного субстрата (уменьшает сродство субстрата к ферменту). Это означает, что в присутствии конкурентного ингибитора необходима большая концентрация субстрата для достижения 1/2 V max . Увеличение соотношения концентрации субстрата и ингибитора снижает степень ингибирования. При значительно более высоких концентрациях субстрата ингибирование полностью исчезает , потому что активные центры всех молекул фермента будут находиться преимущественно в комплексе с субстратом.

Неконкурентное ингибирование. Ингибитор не имеет структурного сходства с субстратом и присоединеняется не в активном центре , а в другом месте молекулы, одновременно с субстратом. Образуется тройной комплекс: субстрат - фермент - ингибитор. Это ведет к деформации активного центра и каталитической активности. Например, синильная кислота (цианиды) связывается с гемовым железом ферментов дыхательной цепи и блокирует клеточное дыхание.

Кинетическая зависимость неконкурентного ингибирования: характеризуется снижением V max ферментативной реакции и уменьшением сродства субстрата к ферменту, т.е. увеличением К m .

Неконкурентное ингибирование в двойных обратных координатах при различных концентрациях ингибитора (1 - [I]=0; 2 - [I]>0; 3 - [I]>[I]2).

При неконкурентном ингибировании константа Михаэлиса не изменяется, а максимальная скорость реакции уменьшается в (1 + [I ]/K i ) раз. Поэтому в двойных обратных координатах семейство прямых, отвечающих разным концентрациям ингибитора, пересекается в одной точке на оси абсцисс.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 (рис. 2-26). При наличии реактиваторов ферментативная функция восстанавливается. В больших концентрациях ионы тяжёлых металлов вызывают денатурацию белковой молекулы фермента, т.е. приводят к полной инактивации фермента.

Все типы ингибирования ферментов можно разделить на две большие группы: необратимое и обратимое ингибирование. Необратимые ингибиторы прочно связываются с молекулой фермента, и после удаления ингибитора (например, с помощью диализа), активность фермента не восстанавливается. Наиболее известными необратимыми ингибиторами являются фосфорорганические яды, применяемые в качестве инсектицидов и как боевые отравляющие вещества, цианиды и ионы тяжелых металлов, например, ртути, кадмия, меди, свинца, связывающиеся с карбоксильными и сульфгидрильными (- SH) группами в белках.

Обратимые ингибиторы отделяются от комплекса фермента с ингибитором при понижении их концентрации, и фермент восстанавливает свою каталитическую активность. По типу воздействия на зависимость ферментативной реакции от концентрации субстрата обратимые ингибиторы делятся на конкурентные, неконкурентные , безконкурентные и смешанные.

Конкурентные ингибиторы являются структурными аналогами субстрата и связываются в активном центре фермента, конкурируя с субстратом за место связывания. Они вызывают увеличение (ухудшение) константы Михаэлиса, но не влияют на максимальную скорость реакции (рис.9)

Рис. 9. Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата в присутствии конкурентного ингибитора (а) и ее представление в двойных обратных координатах (б). Где 1 – график без ингибитора, 2 - график с ингибитором. Vi – Vмах в присутствии ингибитора.

Неконкурентное ингибирование наблюдается, если ингибитор связывается вне активного центра. К неконкурентным ингибиторам относятся, например, тиоловые яды.

Неконкурентные ингибиторы не влияют на константу Михаэлиса, но уменьшают максимальную скорость ферментативной реакции (рис.8):

Рис. 10. Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата в присутствии неконкурентного ингибитора. Обозначения как на рисунке 9.

Бесконкурентное ингибирование - ингибитор связывается только с фермент-субстратным комплексом, но не со свободным ферментом, изменяя его конформацию, что затрудняет катализ. Максимальная скорость реакции и константа Михаэлиса уменьшаются в одинаковое количество раз и на графике в двойных обратных координатах наблюдаются параллельные прямые (рис.11).

Рис. 11. Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата в присутствии бесконкурентного ингибитора.

Смешанное ингибирование встречается, если ингибитор связывается как в активном центре, так и вне его, а комплекс ЕI сохраняет частичную активность по сравнению с нативным ферментом. Такие ингибиторы увеличивают константу Михаэлиса и уменьшают максимальную скорость ферментативной реакции. В двойных обратных координатах ситуация выглядит так (рис.12):

Рис.12. Представление зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата в присутствии смешанного ингибитора в двойных обратных координатах.

Типы обратимого ингибирования ферментов представлены в таблице.

Классификация ферментов

Стремительное развитие энзимологии в 20 веке привело к тому, что остро встала проблема разработки единой классификации и унификации названий ферментов. В 1961 г. на V Международном биохимическом конгрессе в Москве была утверждена современная классификация ферментов, в основе которой лежит их разделение на шесть классов в зависимости от типа катализируемой реакции .

1) Оксидоредуктазы катализируют окислительно-восстановительные реакции.

Пример: исп.

В большинстве случаев дегидрогеназы катализируют обратимые реакции

2) Трансферазы катализируют реакции межмолекулярного переноса различных групп атомов,

где Т - транспортируемая группа,

АТ – субстрат – донор,

В – субстрат - акцептор транспортируемой группы.

Пример 1 – аминотрансферазы, переносят альфа-аминогруппу аминокислот на место альфа-кетогруппы в кетокислотах. На схеме АЛТ – аланинаминотрансфераза.

Пример 2 - один из наиболее распространённых видов посттрансляционной модификации белка (синтез фосфопротеинов) - фосфорилирование, которое катализируют фосфотрансферазы (киназы), осуществляющие перенос фосфатной группы от молекулы аденозинтрифосфата (АТФ) на различные субстраты.

3) Гидролазы катализируют расщепление внутримолекулярных связей с присоединением воды по разорванной связи:

Где А-В - субстрат

В качестве примеров гидролаз можно привести протеиназы, катализирующие расщепление белков и пептидов; эстеразы, гидролизующие сложноэфирные связи, гликозидазы, разрывающие гликозидные связи с присоединением воды. Все пищеварительные ферменты относятся к классу гидролаз (некоторые из них: пепсин, трипсин, химотрипсин, амилаза, липаза, рибонуклеаза).

4) Лиазы катализируют разрыв и синтез связей С-О, С-N, С-C, а также обратимые реакции негидролитического отщепления групп с образованием двойной связи.

5) Изомеразы. К классу изомераз относят ферменты, катализирующие обратимые взаимопревращения изомеров. В качестве примера приведем следующую реакцию:

6) Лигазы (синтетазы) катализируют реакции синтеза различных веществ с использованием энергии АТФ или других макроэргических молекул. В качестве примера можно привести синтез карбамоилфосфата.

На основании приведенной системы классификации ферментов (КФ) был издан список ферментов, где каждому ферменту присвоен четырехзначный номер (номенклатура ферментов). Первая цифра номера указывает на принадлежность фермента к одному из шести классов. В пределах классов ферменты группируются в подклассы и подподклассы в соответствии с особенностями катализируемых реакций, четвертое число - порядковый номер фермента в его подподклассе.

Например, кислая фосфатаза имеет шифр 3.1.3.2; это означает, что она относится к классу гидролаз (3.), подклассу этих ферментов, действующих на сложноэфирные связи (3.1.), к подподклассу ферментов, гидролизующих моноэфиры фосфорной кислоты (3.1.3.), а порядковый номер фермента в данном подподклассе - 2 (3.1.3.2).