Строение и свойства ферментов

     Мультиферментные  комплексы. Виды, значение.

     Иногда  отдельные ферменты объединяются в  мультиферментные системы или комплексы, в которых метаболиты одного фермента являются конечными продуктами другого  фермента или они действуют на один субстрат в определенной последовательности, проводя с ним разные реакции. Примером таких комплексов могут  служить, в первом случае комплекс, который образуют дыхательные ферменты, во втором случае - пируватдегидрогеназа или б-кетоглутаратдегидрогеназа. Например, пируватдегидрогеназный мультиферментный комплекс объединяет несколько ферментов, которые действуют на один субстрат (пируват), но катализируют разные типы реакции, проводя последовательные превращения пировиноградной кислоты.

     Регуляция активности ферментов. Факторы, влияющие на активность ферментов.

     В основе регуляции каталитической активности ферментов лежит их конформационная  лабильность. Различают 5 основных путей  регуляции каталитической активности ферментов:

1. путь ковалентной модификации (регуляция достигается частичным протеолизом, ассоциацией или диссоциацией, фосфорилированием или дефосфорилированием ферментов);
2. путь нековалентной модификации (по типу обратной связи). Такой тип регуляции возможен для ферментов, имеющих аллостерический центр;
3. ингибирование ферментов;
4. репрессия или индукция генов, т.е. изменение биосинтеза фермента;
5. компартментализация.

     Кроме этого, активность ферментов можно  регулировать, изменяя условия протекания реакции. Вначале рассмотрим, какие  условия среды влияют на активность ферментов.

     На  активность ферментов влияют: температура, рН среды, концентрация фермента и концентрация субстрата, эффекторы

     Влияние температуры  на активность ферментов.

     Почти все ферменты термолабильны. Повышение  температуры на 10° увеличивает  скорость химических реакций в 2 раза, такое соотношение сохраняется  до определенной температуры (37-45 °С), дальнейшее повышение будет вызывать торможение скорости реакции. Это определено белковой природой ферментов, так как температура 60° и выше вызывает тепловую необратимую денатурацию белка.

     Температура, при которой ферменты обладают максимальной активностью, называется температурным  оптимумом. При снижении температуры  ниже оптимальной или повышение  температуры выше 45 °С у ферментов  наблюдается инактивация. Различают  обратимую инактивацию, когда фермент  способен восстановить свою активность, если он опять окажется в режиме оптимальной температуры. Это наблюдается  при понижении температуры.

     Знание  зависимости скорости реакций, катализируемых ферментами, от температуры, важно для  понимания процессов жизнедеятельности  и для использования этой зависимости  в практической деятельности будущего врача.

     Уменьшение  скорости ферментных реакций, при понижении  температуры используются в хирургической  и животноводческой практике (замораживание  спермы и зародышей на ранней стадии деления, органов для последующей  пересадки, искусственная гипотермия при операциях на сердце, мозге  и т. д.). Снижение скорости химической реакции приводит к снижению обмена и потребления кислорода и  более длительному сохранению жизнедеятельности  клеток организма при неблагоприятных  условиях.

     При повышении температуры наблюдается  необратимая инактивация, фермент  свою активность не может восстановить. Повышение температуры тела (лихорадочное состояние) ускоряет биохимические  реакции, катализируемые ферментами, при  этом наблюдается повышенный расход эндогенных субстратов в клетке, которые необходимо восполнять поступлением с пищей. Повышение температуры более 70° может привести к необратимой денатурации некоторых ферментов и к нарушению биохимических процессов.

     Влияние рН среды  на скорость ферментативной реакции.

     Ферменты, как белки, обладают амфотерными  свойствами, и заряд молекулы фермента зависит от среды, в которой фермент  находится. Меняя реакцию среды, можно добиться как активации, так  и угнетения активности ферментов. Для каждого фермента имеется  свой оптимум рН - узкий диапазон значений рН, в котором фермент  наиболее активен. Для большинства  ферментов оптимум рН лежит в  пределах от 4 до 7. Влияние рН на активность ферментов обусловлено несколькими  факторами:

• контакт фермента с субстратом зависит от степени ионизации функциональных групп аминокислотных остатков, входящих в субстратный участок активного центра фермента, т. к. кислые и основные группы аминокислот активного центра участвуют в связывании субстрата;
• превращение фермент-субстратного комплекса в комплекс фермент-продукты реакции может происходить только при определенной ионизации комплекса, т.к. функциональные группы, входящие в состав каталитического центра, работают тоже в зависимости от степени ионизации этих групп;

     - в некоторых ферментативных реакциях  водородные или гидроксильные  ионы аминокислот каталитического  участка активного центра могут  участвовать непосредственно в  реакциях, протекающих на активном  центре фермента;

     - большинство субстратов имеют кислотные и основные группы, на ионизацию которых влияет рН среды. Вероятно, при оптимальном значении рН субстрат и функциональные группы активного центра находятся в реакционно-способном состоянии;

     - ферменты наиболее активны при рН близкой их ИЭТ, когда заряд молекулы приближается к 0, так как при этом фермент имеет наименьшую степень диссоциации, и связь апофермента и кофермента более прочная.

     Знание  зависимости скорости ферментативной реакции от рН среды имеет практическое значение. Например, при исследовании активности какого-либо фермента в  лаборатории необходимо учитывать  оптимальное значение рН среды для  данного фермента. Также необходимо знать, что некоторые ферменты проявляют  максимальную свою активность в резко-кислой среде (пепсин) или же в щелочной среде (трипсин, химотрипсин).

     Влияние концентрации субстрата на скорость ферментативного  катализа.

     При увеличении концентрации субстрата  скорость реакции вначале пропорционально  возрастает, но при полном насыщении  дальнейшее повышение концентрации субстрата либо не меняет скорость реакции, либо реакция тормозится (напр. при гидролизе не будет в достаточном  количестве воды для реакции). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Активаторы  и ингибиторы действия ферментов. Специфические  и неспецифические  эффекторы 

     В клетке на активность ферментов оказывают влияние эффекторы - вещества, ускоряющие (активаторы) или тормозящие (ингибиторы) активность ферментов.

     Среди активаторов различают:

     1. Неспецифические - усиливающие активность  целой группы ферментов. Часто  такую роль выполняют ионы. Так,  ионы магния - активаторы всех  фосфатаз.

     2. Специфические активаторы - вещества, активирующие только определенный  фермент. Например, Мп активирует  только изоцитратдегидрогеназу, соли  желчных кислот - липазу сока поджелудочной  железы. Энтеропептидаза, образуемая  клетками эпителия кишечника,  является активатором трипсина: она отщепляет гексапептид и  превращает трипсиноген в трипсин.

     Ингибиторы  тоже бывают:

     1. Неспецифическими, т.е. угнетают активность определенной группы ферментов. Угарный газ (окись углерода - СО) и соли синильной кислоты - неспецифические ингибиторы ферментов, содержащих гем.

     Ингибиторы  могут угнетать ферментативную активность обратимо и необратимо. Ингибиторы, вызывающие необратимое угнетение, называются ферментными ядами. Например, фосфорорганические вещества (ФОБ) необратимо угнетают активность ряда липаз, протеаз  и особенно ацетилхолинэстеразы, фосфорилируя каталитическую группу ферментов, в  результате ацетилхолин накапливается  в синапсах и вызывает отравление организма. Некоторые необратимые  ингибиторы образуют ковалентные связи  с ферментом, например, нейротоксический эффект некоторых инсектицидов обусловлен необратимым связыванием каталитического участка фермента ацетилхолинэстеразы.

     2. Специфические ингибиторы - антиферментные  вещества, подавляющие активность  одного фермента. К ним относятся  полипептиды, которые, присоединяясь  к цепи фермента, прикрывают его  активный центр или не дают  сформироваться активному центру. Примером может служить ингибитор  трипсина, при отщеплении которого  энтеропептидазой формируется активный  центр фермента. К названию фермента, имеющего специфический ингибитор, добавляется суффикс «оген» или приставка «про». Например, трипсиноген и прокарбоксипептидаза - это неактивные формы соответствующих ферментов.

     По  характеру различают конкурентное, неконкурентное и аллостерическое  ингибирование.

     Конкурентное  ингибирование наблюдается в  том случае, когда ингибитор имеет  структурное сходство с субстратом, поэтому может связаться с  активным центром фермента, образуя  фермент-ингибиторный комплекс. При  этом ингибитор может занимать не весь активный центр фермента. 

     Если  увеличить концентрацию субстрата, то действие ингибитора снимается. Все  конкурентные ингибиторы характеризуются  выраженным структурным сходством  с соответствующим субстратом, т.е. специфичность фермента недостаточна, чтобы отличить субстрат от ингибитора. Например, янтарная кислота субстрат СДГ, малоновая и щавелевоуксусная являются ингибиторами СДГ, т. к. могут связываться с ее активным центром и прекращать реакцию окисления янтарной кислоты этим ферментом. К конкурентным ингибиторам относятся также антиметаболиты, которые при введении в организм вызывают аномальные явления и тормозят метаболизм. Например, сульфаниламид очень схож по строению с парааминобензойной кислотой, входящей в структуру фолиевой кислоты - кофермента метилтрансфераз. Встраивание его в кофермент ТГФК приводит к потере ферментом активности. На этом основано применение сульфаниламидных препаратов в медицине. 

     К конкурентному ингибированию относят  и ингибирование продуктами реакции. Продукты реакции по структуре часто  похожи на субстрат, поэтому, накапливаясь, они ингибируют фермент. Данный вид  конкурентного ингибирования имеет  значение в регуляции метаболизма. 

     Глюкоза в данном случае служит ингибитором  глюкозо-6-фосфатазы.

     При неконкурентном ингибировании конкуренция  между субстратом и ингибитором  отсутствует, т. к. ингибитор не имеет  структурного сходства с субстратом. Поэтому ингибитор не влияет на связывание субстрата с ферментом в его  активном центре. Действие ингибитора проявляется в том, что он связывается  с каталитическими группами в  активном центре или, связываясь вне его, изменяет конформацию активного центра, мешая взаимодействию с ним субстрата. При этом вместо фермент-субстратного комплекса образуется комплекс фермент-субстрат-ингибитор, который не подвергается превращениям. Такими ингибиторами являются цианиды, которые, связавшись с железом, входящим в каталитический центр цитохромов, ингибируют их. Ионы тяжелых металлов оказывают ингибирующее действие, блокируя тиогруппы каталитических центров ферментов.

     Аллостерическое активирование  и ингибирование ферментов является примером нековалентной регуляции активности ферментов.

     Такой вид регуляции активности фермента характерен для ферментов, имеющих  четвертичную структуру и аллостерические  центры - центры регуляции, располагающиеся  недалеко от активного центра. Изменения  в этом центре при воздействии  на них эффекторов (активаторов или  ингибиторов) отражаются на конформации  активного центра. Активный центр  становится или более соответствующим  по форме субстрату (под влиянием активаторов), тогда активность фермента резко повышается, или теряет сродство к субстрату, и наблюдается торможение действия фермента.

     Некоторые ферменты имеют несколько аллостерических  центров. Одни из них специфичны к  ингибиторам, другие - к активаторам. Такие ферменты называются аллостерическими и занимают ключевое положение в  метаболизме.

     Регуляция путем  изменения биосинтеза ферментов.

     Рассмотренные ранее способы изменения скорости протекания реакций направлены на изменение  активности уже имеющихся ферментов. Существует другой способ регуляции - изменение концентрации ферментов. В организме имеются вещества, которые способны вызвать ускорение  синтеза ферментов, воздействуя  на молекулу ДНК, т.е. они могут вызвать  индукцию генов или же, наоборот, замедление (репрессию генов). Зависимость скорости реакции от концентрации фермента линейная. К таким веществам относятся гормоны.