Изостерическое или конкурентное ингибирование ферментов

Изостерическое ингибирование фермента  это такой вид регуляции, когда в роли регулятора (ингибитора) активности выступает аналог субстрата, вещество, имеющее структурное сходство с субстратом. Ингибитор вступает с ферментом во взаимодействие с образованием не всегда продуктивного фермент-псевдосубстратного комплекса или фермент-ингибиторного комплекса. Когда в реакционной среде присутствуют одновременно субстрат и ингибитор данного типа, они конкурируют за один и тот же связывающий центр. При добавлении в среду субстрата вероятность образования комплекса фермент-субстрат будет возрастать, а вероятность образования комплекса фермент-ингибитор уменьшаться и наоборот. Один из наиболее подробно изученных примеров конкурентного ингибирования  это ингибирование сукцинатдегидрогеназы малонатом, конкурирующим с субстратом сукцинатом.

Этот принцип регулирования широко используется в медицине. Антиметаболиты  это соединения, являющиеся аналогами метаболитов. В силу структурного сходства антиметаболиты способны конкурировать с метаболитами за якорный участок фермента и блокировать его активность. Парааминобензойная кислота является исходным субстратом для синтеза фолиевой кислоты у микроорганизмов. Сульфаниламиды являются антиметаболитами парааминобензойной кислоты у микроорганизмов. В силу этого, назначая сульфаниламидные препараты, врачи добиваются блока синтеза фолиевой кислоты у бактерий. Последняя необходима микроорганизмам для синтеза белка и в присутствии сульфаниламидов он тормозится, в силу чего и наступает бактериостатический эффект. Для человека присутствие сульфаниламидов не имеет значение, т.к. он получает фолиевую кислоту с рационом.

Аллостерическое регулирование активности ферментов

Модуляция  это обратимое изменение ферментативной активности за счет изменения конформации в результате нековалентных взаимодействий его с небольшими молекулами - так называемыми эффекторами, или модуляторами, большинство из которых представляют собой промежуточные метаболиты и гормоны. Модулятор связывается с ферментом в аллостерическом центре.

Аллостерический центр - представляет собой совокупность функциональных групп, расположенных на поверхности фермента, строго ориентированных в пространстве за счет определенной конформации (третичной, четвертичной структуры) и пространственно удаленных от активного центра (находится в другой субъединице).

Функция аллостерического центра  взаимодействие с аллостерическим эффектором, в результате чего происходит изменение активности фермента.

При взаимодействии аллостерического центра с аллостерическим эффектором (модулятором) происходит конформационные изменения всей молекулы фермента и его активного центра. Изменение конформации активного центра приводит к улучшению или ухудшению соответствия активного центра и субстрата, в результате чего активность фермента либо увеличивается (активация), либо уменьшается (ингибирование).

В роли аллостерических модуляторов выступают метаболиты, гормоны, ионы металлов, витамины и их производные.

Частные случаи аллостерического регулирования

1.Ретроингибирование  ингибирование ключевого фермента цепи биохимических реакций ее конечным продуктом (регуляция по принципу отрицательной обратной связи).

Е₁ Е₂ Е ₃ Е₄

А В С Д З

2. Активация предшественником (фор-активация)  активация первым метаболитом фермента, катализирующего одну из последних стадий (удаленных на несколько этапов) регуляция по принципу положительной прямой связи).

Е₁ Е₂ Е ₃ Е₄

А В С Д К

Аллостерическое регулирование является основным типом регуляции ферментативных реакций в живых системах.

ЗАВИСИМОСТЬ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ ОТ рН СРЕДЫ И ТЕМПЕРАТУРЫ.

а) Зависимость от рН среды.

В основе зависимости активности ферментов от рН среды лежит их белковая природа. Изменение степени ионизации ионогенных групп (прежде всего ионогенных групп активного центра) в зависимости от рН среды приводит к изменению конформации активного центра, следствием чего является изменение активности фермента.

Каждый фермент обладает рН- оптимумом  значением рН, при котором он наиболее активен. рН-оптимум большинства ферментов тканей находится в среде, близкой к нейтральной (рис.2.4)

Рис. 2.4 График зависимости скорости ферментативной реакции от рН среды.

б) Зависимость ферментативных реакций от температуры.

При увеличении температуры скорость ферментативных реакций возрастает, так же как и скорость большинства химических реакций: с повышением температуры на 10⁰С скорость реакции увеличивается в 2-3 раза. В отличие от неферментативных процессов такое увеличение скорости ферментативных реакций наблюдается в узком интервале температур. Каждый фермент обладает температурным оптимумом  температурой, при которой он наиболее активен. Чаше всего температурный оптимум находится в диапазоне 37-40⁰. При высоких температурах происходит необратимая инактивация ферментов вследствие тепловой денатурации .

Зависимость ферментов от температуры используется в медицине и быту.

Низкие температуры (0  +4⁰) хранение медикаментов и продуктов;

25-30⁰  гипотермия (использование в хирургии);

37-40⁰  (температурный оптимум)  энзимодиагностика, температура пищи;

50-60⁰  пастеризация продуктов и медикаментов;

Высокие температуры (100⁰ и выше)  стерилизация медикаментов, хирургического инструментария, шовного материала.

МЕДИЦИНСКИЕ АСПЕКТЫ ЭНЗИМОЛОГИИ (ЭНЗИМОПАТИИ, ЭНЗИМОДИАГНОСТИКА, ЭНЗИМОТЕРАПИЯ).

Клинические аспекты энзимологии заключаются в изучение активности энзимов для целей диагностики заболеваний (энзимодиагностика), использования ферментов для лечения заболеваний (энзимотерапия) и выяснения причин заболеваний ( энзимопатии).

Ферментопатии (энзимопатии) - заболевания, в основе которых лежит нарушение деятельности ферментов. В зависимости от причин, вызывающих эти нарушения, выделяют по А.А. Покровскому несколько видов энзимопатий:

1) наследственные;

2) токсические;

3) алиментарные;

4) энзимопатии, связанные с нарушением нейрогуморальной регуляции;

5) энзимопатии, в основе которых лежат нарушения внутриклеточной организации ферментативного процесса;

6) другие.

Наследственные ферментопатии - это заболевания, причиной которых являются различные повреждения генетического аппарата клетки, приводящие к нарушению процесса синтеза ферментов. В настоящее время выявлено 1500 наследственных энзимопатий. К ним относят, например, фенилпировиноградная олигофрения, в основе которой лежит нарушение синтеза фермента 4-монооксигеназы фенилаланина, превращающего фенилаланин в тирозин. При этом в организме происходит накопление фенилаланина, который распадается с образованием токсических продуктов (фенилпируват, фениллактат, фенилацетат), нарушающих обмен веществ в организме, особенно в мозге.

К группе токсических энзимопатий относятся заболевания, вызванные недостаточностью ферментативных систем, в результате действия на них различных токсинов. Так, фторуксусная кислота блокирует действие аконитазы, одного из ферментов цикла Кребса, что приводит к его блокаде и соответствующему нарушению энергетического обмена.

Алиментарные энзимопатии вызываются недостаточностью ферментов в результате отсутствия факторов, необходимых для их образования и действия. Это относится, в первую очередь, к дефициту белка, незаменимых аминокислот, витаминов и микроэлементов в питании, важных для синтеза ферментов de novо. Вполне естественно, что такое положение наиболее тяжело будет отражаться на развивающемся организме.

К причинам, вызывающим энзимопатии, можно отнести различные нарушения нейрогумаральной регуляции синтеза и действия ферментов, их внутриклеточной организации.

Имеется два аспекта энзимодиагностики. Первый из них связан с определением активности ферментов в биологичеких средах для диагностики заболеваний, так как при ряде заболеваний происходит патогномоничное изменение активности некоторых ферментов. При заболеваниях происходит либо увеличение, либо снижение активности некоторых ферментов, либо появление активности ферментов, которые для крови не характерны. Так , при подозрении на инфаркт миокарда проводят исследование активности в крови фермента креатинфосфокиназы (КФК), катализирующей биосинтез креатинфосфата из креатина и АТФ в клетках сердечной мышцы и других тканей. При абтурационной желтухе в крови обнаруживается активность фермента щелочной фосфатазы, который вырабатывается в клетках печени и выводится с желчью в кишечник. В норме в крови отсутсвтует. В случае нарушения оттока желчи в кишечник, происходит поступление ее компонетов в кровь, что и обусловливает появление активности фермента в крови.

Второй аспект энзимодиагностики заключается в использовании ферментов как реагентов для определения концентрации каких либо веществ в биологическом материале, например, использование глюкозооксидазы для количественного определения глюкозы в крови и моче.

Применение ферментов при лечении также включает два аспекта:

а) Заместительная терапия включает использование ферментов ( в случае нарушения их образования в организме), а также веществ, обеспечивающих их активность. Ферменты поджелудочной железы нашли широкое применение при недостаточности секреторной функции соответствующих отделов желудочно-кишечного тракта.

б) Патогенетическая терапия. Этот аспект энзимотерапии включает группу ферментов протеолитического действия. Например, панкреатическая ДНКаза, трипсин в виде апликаций, аэрозолей используются для лечения гнойных заболеваний плевральной полости, при абсцессах, язвах, бронхитах, пневмониях.

Существенно улучшается течение послеродовых воспалений, конъюктивитов, воспаления носоглотки после применения лизоцима. Фибролизин нашел широкое применение для рассасывания тромбов. Некоторые лекарственные средства являются регуляторами активности ферментов. Так, ингибиторы ангиотензинпревращающего фермента применяются для лечения гипертонической болезни.