Активаторы и ингибиторы ферментов

Активаторами называют вещества, которые повышают активность ферментов. Примером таких соединений являются аминокислота цистин и восстановленный глютатион, содержащие свободную –SH-группу. Их активирующее действие заключается в том, что они восстанавливают дисульфидные связи с образованием –SH-групп, необходимых для проявления каталитической активности тиоловых ферментов. Кроме того, некоторые ферменты активируются металлами, которые либо участвуют в построении активного центра, либо стабилизируют пространственную конформацию ферментного белка и тем самым обеспечивают проявление каталитических функций. Активность фермента α-амилазы слюны человека повышается в присутствии анионов Clˉ.

Ингибиторы замедляют скорость биохимических реакций, а в ряде случаев полностью приостанавливают её. Процесс ингибирования может быть обратимым и необратимым. При необратимом ингибировании ингибитор ковалентно связывается с ферментом, необратимо изменяя его нативную конформацию. После удаления ингибитора активность фермента не восстанавливается.

Одним из широко известных типов необратимого ингибирования является действие алкилирующих агентов, образующих прочные ковалентные связи с –SH- группами фермента. Необратимыми ингибиторами также являются цианиды, подавляющие активность ферментов цитохромов, содержащих железо; этилендиаминтетраацетат (ЭДТА), подавляющий действие α-амилазы, за счёт связывания с ионами Ca⁺² (кофактора α-амилазы).

При обратимом ингибировании активность фермента восстанавливается после удаления ингибитора. Обратимые ингибиторы бывают конкурентного, неконкурентного, бесконкурентного и смешанного действия.

Первая группа – это близкие аналоги субстратов, содержащие весь набор или, по крайней мере, большую часть групп, узнаваемых активным центром фермента, и поэтому образующие комплекс фермент-ингибитор, сходный с комплексом фермент-субстрат. Однако в силу специфики своей структуры они не подвергаются ферментативному превращению. Занимая активный центр, эти ингибиторы препятствуют связыванию субстрата и тем самым протеканию ферментативной реакции. Они фактически конкурируют с субстратом за взаимодействие с активным центром и поэтому их называют конкурентными ингибиторами. Например, структурные аналоги янтарной кислоты – щавелевая, малоновая, щавелево-уксусная – являются конкурентными ингибиторами фермента сукцинатдегидрогеназы, катализирующей окисление янтарной кислоты в фумаровую:

 

Янтарная Щавелевая Малоновая Щавелево-

кислота кислота кислота уксусная кислота

Конкурентное ингибирование может быть снято при увеличении концентрации субстрата.

Неконкурентное ингибирование отличается от конкурентного тем, что оно не может быть снято увеличением концентрации субстрата. Неконкурентный ингибитор подавляет каталитическое превращение субстрата в продукты реакции. Полагают, что при неконкурентном ингибировании ингибитор связывается с функционально важной группой фермента, не препятствуя связыванию субстрата, при этом деформируется активный центр, что приводит к нарушению комплементарности к субстрату и снижению активности фермента.

Бесконкурентное ингибирование наблюдается в том случае, когда ингибитор связывается с фермент-субстратным комплексом ES, переводя его в неактивную форму.

При смешанном ингибировании ингибитор действует как на участок связывания, так и на каталитический центр фермента.

Аллостерические ферменты

Наряду с обычными ферментами существуют ферменты, способные не только выполнять каталитическую функцию, но и способные повышать или понижать свою каталитическую активность в ответ на определённые сигналы. Благодаря действию подобных ферментов, скорость каждой последовательности метаболических реакций изменяется почти мгновенно, приспосабливаясь к изменению потребности клетки либо в энергии, либо в каких-то строительных блоках (молекулах), необходимых для роста и обновления клеток.

По строению такие ферменты отличаются от обычных ферментов. Аллостерические ферменты, как правило, построены из двух или большего числа субъединиц. Наряду с активным и субстратным центрами, они имеют аллостерический центр. Этот центр может обратимо связывать определённые метаболиты, ингибирующие или активирующие фермент. Такие метаболиты называются эффекторами. При присоединении эффектора к аллостерическому центру изменяется конформация белка в целом, а следовательно, и конформация активного центра. В результате активность фермента изменяется.

Эффекторы имеют важное значение, т. к. с их помощью осуществляется один из главных механизмов регуляции каталитической активности. Продукты в живом организме обычно образуются в результате цепочки биохимических превращений. Если этот продукт оказывается в недостатке, необходимо усиление работы системы ферментов, приводящих к его образованию. В случае накопления достаточного количества этого продукта целесообразно выключение всей системы этих реакций. Поэтому в такие цепи включены аллостерические ферменты (это, как правило, фермент, катализирующий первую реакцию цепи), которые ингибируются конечным продуктом. Этот тип ингибирования получил название ингибирования по типу обратной связи – ретроингибирования. Рассмотрим в качестве примера реакцию синтеза уридинтрифосфата (УТФ). Метаболический путь синтеза УТФ включает восемь реакций. Первая реакция катализируется ферментом карбамоилфосфатсинтетазой II. Продукт реакции карбомаилфосфат – образуется из CO_2, глутамина и АТФ, служащего источником энергии.

глутамат + 2АДФ + H₃PO₄

 

Карбамоилфосфат-

синтетаза II

……… УТФ

CO₂ + глутамин + АТФ (7 реакций)

 

карбамоилфосфат

Рисунок 6 – Метаболический путь синтеза УТФ.

Карбамоилфосфатсинтетаза II – это аллостерический фермент; конечный продукт метаболического пути синтеза (УТФ) является его аллостерическим ингибитором. Чем больше концентрация УТФ, тем меньше скорость первой реакции, а значит, и всех остальных реакций, поскольку для них образуется мало субстратов. Таким способом скорость синтеза УТФ уравнивается со скоростью его расходования, т.е. с потребностью клетки в этом веществе. Здесь мы имеем дело с регуляцией по механизму отрицательной обратной связи. Эффекторы аллостерических ферментов могут быть как ингибиторами, так и активаторами. Часто оказывается, что сам субстрат оказывает активирующий эффект. У одного и того же фермента может быть несколько аллостерических центров.

Изоферменты

Регуляция активности ферментов может осуществляться также путем фосфорилирования – дефосфорилирования аминокислотной цепи. В этом случае фосфатная группа –ОРО₃^2- присоединяется к группе –СН₂ОН боковой цепи серина, треонина или тирозина. В зависимости от природы фермента, фосфорилирование может его активировать или, наоборот, инактивировать. Реакция присоединения фосфатной группы и ее отщепление катализируют специальные ферменты протеинфосфатазы.

Существуют и другие механизмы регуляции активности ферментов.

Изоферменты – это ферменты, катализирующие одну и ту же реакцию, но с различной эффективностью. По ряду свойств изоферменты могут различаться, например, по молекулярной активности, по способам регуляции, по температурному оптимуму, оптимуму pH, электрофоретической подвижности.

Все эти отличия связаны с особенностями их строения. Изоферменты – это олигомерные белки, построенные из неидентичных протомеров в результате их различной компоновки. Например, фермент лактатдегидрогеназа представляет собой тетрамер, в котором могут быть протомеры двух типов – H и Z, различающиеся по аминокислотному составу и прежде всего по содержанию кислых аминокислот и по электрофоретической подвижности. Возможны пять комбинаций этих протомеров в тетрамерной молекуле:

H₄, H₃Z₁, H₂Z₂, HZ_3, Z₄ их легко разделить методом электрофореза.

Наличие изоферментов даёт возможность осуществлять обменные процессы в организме при изменении условий среды. Например, если резко изменяются температурные условия, которые становятся неблагоприятными для проявления каталитической активности некоторых изоферментов, то их активность подавляется. Однако данный ферментативный процесс не прекращается полностью, так как начинают проявлять каталитическую активность другие изоферменты, для которых данная температура является благоприятной.

Если в силу каких-либо причин изменяется pH реакционной среды, то также ослабляется активность одних изоферментов, но вместо них начинают проявлять каталитическую активность изоферменты, имеющие иной оптимум pH. Таким образом, наличие изоферментов, наряду с другими механизмами регуляции, способствует согласованности процессов обмена веществ в клетке и быстрой приспособляемости живых организмов к изменяющимся условиям жизнедеятельности.

Формы ферментов, образующиеся в результате модификации их молекул уже после синтеза, не называются изоферментами. Например, не являются изоферментами фосфорилированная и дефосфорилированная липаза жировой ткани.