Контроль активности фермента

2.1. Влияние на ферменты активаторов и ингибиторов впервые было обнаружено А. Я. Данилевским еще в XIX в.

Активаторами ферментов являются ионы многих металлов (слайд 2). Ионы Fe активируют цитохромы, каталазу, пероксидазу; ионы марганца – фосфоглюкомутазу, холинэстеразу; ионы кальция – липазу. Анионы в физиологических концентрациях обычно неэффективны или оказывают небольшое активирующее влияние на ферменты. Некоторые анионы также способны активировать ферменты, например, a-амилаза слюны активируется ионами хлора. Ионы металлов могут входить в состав простетической группы фермента, способствовать присоединению кофермента к апоферменту, обеспечивать становление четвертичной структуры фермента, облегчать образование фермент-субстратного комплекса. Металлы нередко выступают в роли аллостерических модуляторов.

Активаторами ферментов могут быть разнообразные вещества: желчные кислоты повышают активность панкреатической липазы; оксидоредуктазы активируются соединениями, содержащими свободные SH-группы (глутатион, цистеин).

Ингибиторы тормозят действие ферментов.

В общей форме реакция взаимодействия ингибитора с ферментом может быть представлена следующим уравнением:

Образовавшийся фермент-ингибиторный комплекс EI, в отличие от фермент-субстратного комплекса ES, не распадается с образованием продуктов реакции. Константа диссоциации комплекса EI, или ингибиторная константа К_i, представляет отношение констант обратной и прямой реакций:

По характеру своего действия ингибиторы подразделяются на обратимые и необратимые. В основе такого деления лежит прочность соединения ингибитора с ферментом.

Обратимые ингибиторы — это соединения, которые нековалентно взаимодействуют с ферментом и могут отделяться от фермента.

Обратимое ингибирование может быть конкурентным. Конкурентный ингибитор имеет структуру, похожую на структуру субстрата, но несколько от нее отличающуюся. Он конкурирует с субстратом за связывание в субстратсвязывающем участке активного центра. Конкурентное ингибирование можно ослабить или полностью устранить, повысив концентрацию субстрата. Конкурентный ингибиторувеличивает К_m, но не изменяет V_max.

Пример: фермент сукцинатдегидрогеназа (СДГ) дегидрирует сукцинат, превращая его в фумарат. Малонат,который структурно похож на сукцинат, связывается в активном центре СДГ, но не может дегидрироваться. Степень торможения будет определяться соотношением концентраций малоната и сукцината, а не абсолютной концентрацией ингибитора. Это ингибирование по типу метаболического антагонизма.

Метод конкурентного торможения нашел широкое применение в медицинской практике. Сульфаниламиды – препараты, используемые для лечения инфекционных болезней – это структурные аналоги парааминобензойной кислоты, которую бактериальная клетка использует для синтеза фолиевой кислоты - составной части ферментов бактерий. Сульфаниламид вытесняет пара -аминобензойную кислоту из комплекса с ферментом и тем самым блокирует действие фермента. Нарушение синтеза нуклеиновых кислот приводит к гибели микроорганизмов.

При обратимом неконкурентном ингибировании ингибитор не конкурирует с субстратом за активный центр фермента. Cубстрат и ингибитор связываются с разными центрами. Увеличение концентрации субстрата не препятствует связыванию ингибитора. Этот тип ингибирования наблюдается у ферментов, катализирующих превращения более одного субстрата, когда связывание ингибитора не блокирует связывание субстрата с активным центром. Т.к. субстрат и ингибитор связываются с разными центрами, то возможно образование как комплекса фермент-ингибитор, так и комплекса фермент-ингибитор-субстрат, который может распадаться с освобождением продукта, но с меньшей скоростью, чем фермент-субстратный комплекс.

Неконкурентный ингибитор уменьшает V_max, а К_m не меняется.

Известно бесконкурентное ингибирование, когда ингибитор связывается с ферментом также в некаталитическом центре, однако не со свободным ферментом, а только с ES-комплексом в виде тройного комплекса.

Бесконкурентный ингибиторуменьшает V_max и увеличивает К_m.

Любые агенты, вызывающие денатурацию белка, приводят к необратимой инактивации фермента. Но она не связана с механизмом действия ферментов.

Необратимые ингибиторы — это соединения, которые могут специфически связывать функционально важные группы активного центра, образуя ковалентные прочные связи с ферментом.

Неконкурентное необратимое ингибирование вызывается тяжелыми металлами (ртуть, мышьяк, свинец и др. присоединяются к сульфгидрильным группам полипептидной цепи), солями синильной кислоты, оксидом углерода (II) (присоединяются к железосодержащим простетическим группам).

При конкурентном необратимом торможении ингибитор, обладающий структурным сходством с субстратом, соединяется с ферментом, подменяя собой субстрат.

Диизопропилфторфосфат структурно близок к ацетилхолину и присоединяется вместо него к ферменту ацетилхолинэстеразе (АХЭ). Он блокирует активный центр фермента, фосфорилируя радикал серина. Диизопропилфосфосерин прочнее ацетилсерина, распадается медленно, и активный центр фермента надолго блокирован. Диизопропилфторфосфат приводит к утрате способности нейронов проводить нервные импульсы. Симптомы отравления органическими фторфосфатами связаны в основном с необратимым ингибированием АХЭ.

Терапевтическое действие аспирина как жаропонижающего и противовоспалительного средства объясняется тем, что аспирин ингибирует один из ферментов, катализирующий синтез простагландинов (ПГ). Простагландины - вещества, участвующие в развитии воспаления. Ингибирование обусловлено ацетилированием аминогруппы фермента простагландинсинтетазы.

Недавно обнаружены необратимые инактиваторы ферментов, возникающие из инертных соединений после их взаимодействия с каталитическим центром фермента. Такие необратимые ингибиторы полностью блокируют активный центр фермента. Поэтому их называют ингибиторами типа «самоубийц».

Специфическую группу составляют ингибиторы белковой природы – антиферменты. Они блокируют действие фермента за счет белок-белковых взаимодействий, в результате чего закрывается активный центр фермента. Ингибитор белковой природы –гликопротеин a1-антитрипсин, получаемый методом генной инженерии из пекарских дрожжей, используется для лечения эмфиземы легких. Он блокирует действие эластазы, выделяемой в норме нейтрофилами легочной ткани.