Механізми ферментативних процесів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Регуляція ферментативних процесів. Шляхи та механізми регуляції: алостеричні ферменти; ковалентна модифікація ферментів; дія регуляторних білків - ефекторів

Ферменти - це каталізатори, активність яких може бути регульована. Більшість ферментів можуть зв'язуватися з малими молекулами, які мають назву модифікатори (ефектори) і можуть змінювати ферментативну активність. До них належать:

інгібітори - сполуки, які гальмують активність ферменту;

активатори - сполуки, які збільшують ферментативну активність.

Відповідно результат дії інгібіторів має назву інгібування, активаторів - активація.

Активація ферментативної активності може відбуватися під дією кофакторів, субстратів або інших метаболітів.

Кофактори можуть позитивно впливати на зв'язування субстрату з активним центром, каталітичне перетворення S, іноді утворюють метало-субстратні комплекси, які більш ефективно підлягають дії ферменту.

Інгібування ферментативної активності може відбуватися за різними механізмами, тому існує декілька видів інгібіторів і відповідно інгібування. Слід відзначити, що інгібіторами не є сполуки, які руйнують структуру ферменту шляхом денатурації.

Ці сполуки належать до інактиваторів, а процес має назву інактивація.

Види інгібування активності ферментів

На рис. наведена класифікація видів інгібування активності ферментів, яке можу бути як зворотним, так і незворотним процесом.

Незворотне інгібування спостерігається в разі, коли інгібітор міцно зв'язується з молекулою ферменту, що викликає незворотну втрату активності. Незворотні інгібітори є отрутами.

Зворотне інгібування властиве для значної кількості ферментів живих організмів, для яких при різних фізіологічних умовах необхідна зміна активності. Так, наприклад, продукція енергії у мітохондріях залежить від енергетичного статусу клітини, молекулярним показником якого є концентрація АТФ, АДФ, АМФ та ін. сполуки. При зростанні кількості енергії, яка не використовується клітиною, молекула АТФ буде інгібітором деяких ферментів, які задіяні в генерації цієї енергії.

Конкурентне інгібування відбувається в разі, коли молекула інгібітора за структурою схожа на молекулу субстрату і конкурує з ним за активний центр ферменту. В разі, коли в середовищі знаходяться молекули інгібітора, вони зв'язуються з активним центром та перешкоджають зв'язуванню молекул субстрату. Для конкурентного інгібування характерні такі основні кінетичні характеристики ферменту: Km - збільшується, Vmax - залишається без змін.

Конкурентне інгібування може спостерігатися при отруєнні деякими сполуками. В цьому разі знання механізмів реактивації при конкурентному інгібуванні має велике значення для пошуку підходів до лікування.

Наприклад, при отруєнні метанолом використовують значні дози етанолу, який є субстратом для алкогольде-гідрогенази (АДГ). Метанол - це отрута, яка діє на нервову і судинну систему. Доза 30 мл вважається летальною. В разі отруєння метанол блокує активний центр АДГ, тому що за будовою схожий на етанол. Надлишок етанолу (діє як антидот) знімає інгібування і при вчасній допомозі сприяє одужанню пацієнта.

Неконкурентне інгібування ферментативної активності є результатом зв'язування молекули інгібітора не з активним центром, а з іншою ділянкою молекули білка-ферменту. Оскільки інгібітор не впливає на зв'язування ферменту з субстратом, у результаті може утворитися потрійний комплекс ферменту (Е), субстрату (S) та інгібітора (I):

Е + S + I - ESI

Механізм інгібування полягає в тому, що після такого зв'язування відбуваються конформаційні зміни в активному центрі, який у подальшому не може нормально функціонувати та перетворювати S у Р.

При неконкурентному інгібуванні Km - не змінюється, Vmax - зменшується.

За будовою неконкурентний інгібітор не схожий на молекулу субстрату, тому зняти цей вид інгібування надлишком субстрату неможливо. Для цього існують спеціальні сполуки - реактиватори, які міцно зв'язують інгібітор і, таким чином, звільняють фермент від нього.

Прикладами неконкурентного інгібування можуть бути:

1) дія іонів важких металів (ртуті, свинцю, кадмію та ін.), які блокують SH-групи активного центру. Зняти таке інгібування допомагають реактиватори - SH-комплексони (цистеїн, димеркаптопропанол). Ці сполуки містять SH-групи, які зв'язують іони важких металів:

2) дія ціанідів CN-, які реагують з Fe3+, що входить до складу цитохромоксидази - ферменту дихального ланцюга мітохондрій і повністю блокують синтез АТФ у клітині.

Шляхи та механізми регуляції ферментативних процесів.

У клітинах живих організмів відбувається безліч хімічних процесів, які стають можливими завдяки існуванню біокаталізаторів-ферментів. Крім того, для клітин, тканин, органів та систем важливим є те, що ферменти - це каталізатори, активність яких регулюється. У клітинах існують особливі ферменти, які мають назву ключові, або регуляторні. Саме завдяки зміні активності або кількості цих ферментів швидкість хімічних процесів в організмі регулюється відповідно до його потреб. Так, наприклад, у «здоровій» клітині енергія буде продукуватися саме в такій кількості, в якій вона потрібна для нормального функціонування.

Для прискорення або гальмування метаболічних процесів існує два основних шляхи регуляції:

зміна каталітичної активності ферменту;

зміна кількості ферменту.

У разі реалізації першого шляху кількість ферменту залишається без змін, відбувається активація або інгібування ензиму. Це найбільш поширений шлях регуляції

Зміна кількості ферменту може відбуватися як результат коливання концентрації субстрату або дії гормональних чинників.

Кожен із цих шляхів має відповідні механізми регуляції, які дозволяють максимально можливо збалансувати метаболічні перетворення.

Зміна каталітичної активності ферментів можлива завдяки існуванню таких механізмів:

алостерична регуляція;

зворотна ковалентна модифікація (фосфорилювання / дефосфорилювання);

частковий протеоліз;

білок-білкові взаємодії.

Розглянемо кожен із названих механізмів.

Алостерична регуляція характерна для особливих регуля-торних (алостеричних) ферментів, які, крім активного, мають алостеричний ценр, що відповідає за зв'язування з модифікаторами (інгібіторами або активаторами).

До основних властивостей та характеристик алосте-ричних ферментів слід віднести таке:

усі алостеричні ферменти - це олігомерні білки, тобто складаються з декількох субодиниць;

активний та алостеричний центри знаходяться на різних субодиницях. Субодиниця, яка містить активний центр, має назву каталітична і позначається «С», та яка містить алостеричний - регуляторна і відповідно має позначку «R»;

кінетика алостеричних ферментів відрізняється від звичайних нерегуляторних ензимів, тому що вони мають олігомерну будову. Саме тому для алостеричних ферментів властивий кооперативний ефект зв'язування, який і змінює кінетичні характеристики хімічної реакції.

Алостеричні взаємодії можуть бути гомотропні (лі-ганди ідентичні) і гетеротропні (ліганди різні). Гомотропна взаємодія наведена на рис. 16. Гомотропними ефекторами є самі молекули субстрату, тому гомотропні взаємодії завжди пози-тивні і стимулюють каталітичну активність ферменту. Гетеро-тропні ефектори - це вже інші молекули (не молекули субстрату) і тому можуть діяти як позитивно (активатори), так і негативно (інгібітори).

При зв'язуванні активатора з алостеричним центром через конформаційні зміни субодиниць реалізується його позитивна дія, яка супроводжується зростанням каталітичної активності активного центру ферменту. В разі приєднання інгібітора конформаційні зміни регуляторної субодиниці призводять до зниження роботи активного центру і, таким чином, до пригнічення активності ферменту взагалі.

Кінетична крива для алостеричних ферментів суттєво відрізняється від кривої для простих ферментів - вона має S-подібну форму, яка пояснюється саме існуванням кооператив-ного ефекту (рис.).

Кінетичні криві для: А - алостеричного ферменту; В-нерегуляторного ферменту

Зворотна ковалентна модифікація ферментів, яка призводить до зміни їх активності, найчастіше відбувається шляхом фосфорилювання або дефосфорилювання. Крім того, іноді відбуваються інші модифікації, такі, наприклад, як метилування, АДФ-рибозилювання, аденілування.

Приєднання залишку фосфорної кислоти відбувається до ОН-групи амінокислотного радикала ферменту, що призводить до конформаційних змін активного центру ензиму. Ефект такої модифікації залежить від ферменту, тому може спостерігатися як активація, так і пригнічення активності.

Фосфорилювання каталізують ферменти протеїнкінази за участі АТФ, дефосфорилювання - фосфопротеїнфосфатази (рис.).

Зворотна ковалентна модифікація (фосфо-рилювання / дефосфорилювання)

Ферменти: 1 - кіназа; 2 - фосфатаза Прикладом регуляції активності за рахунок фосфори-лювання / дефосфорилювання може бути зміна активності ферментів метаболізму глікогену печінки. Основним ферментом синтезу глікогену є глікогенсинтаза, розщеплення - глікоген-фосфорилаза (фосфорилаза). У стресових станах, коли відбувається підвищення концентрації в крові адреналіну, названий гормон запускає каскад перетворень, які призводять до активації кіназ і фосфорилювання цих двох ферментів. Але зміна їх активності відбувається абсолютно протилежно: глікогенфосфорилаза після фосфорилювання активується, глікогенсинтаза - інгібується. Саме тому результатом дії адреналіну на клітини печінки буде підсилення розщеплення глікогену до глюкози і пригнічення його синтезу. Далі глюкоза виходить в кров, і саме тому адреналін має гіперглікемічний ефект.

Антагоністом дії адреналіну є інсулін, який, навпаки, ак-тивує фосфатазу. У результаті відбувається дефосфорилювання ферментів метаболізму глікогену: глікогенсинтаза - активується, глікогенфосфорилаза - інгібується.

Частковий протеоліз як механізм зміни каталітичної активності ферментів є незворотним процесом, тому що відбувається відщеплення фрагменту білкової молекули. Цей механізм реалізується в разі, коли фермент синтезується у вигляді неактивного попередника - проферменту (або зимогену).

Пепсин, трипсин, хімотрипсин - протеолітичні ферменти шлунково-кишкового тракту, які спочатку синтезуються у вигляді неактивних зимогенів: пепсиногену, трипсиногену, хімотрипсиногену. Їх активація відбувається саме завдяки частковому протеолізу.

Аналогічний механізм активації властивий ферментам згортальної та фібринолітичної систем крові, системи комплементу, пептидним та білковим гормонам.

Наступний механізм зміни каталітичної активності ферментів базується на білок-білкових взаємодіях. Існують два основних види такої регуляції:

приєднання спеціальних регуляторних білків до молекули ферменту;

асоціація або дисоціація протомерів (субодиниць) молекули ферменту.

Спеціальні регуляторні білки також можуть суттєво змінювати активність ферментів. Найбільш поширеними регуляторними білками є кальмодулін, протеїназні інгібітори (б1-антитрипсин, б2 - макроглобулін), антигемофільний глобулін А, убіквітин та інші.

Одним із білків, який на сьогодні активно вивчається, є убіквітин. Убіквітин - це білок, який синтезується в усіх клітинах еукаріотичних організмів, його іноді називають «поцілунком смерті», або «чорною міткою» для білків. Це пов'язано з тим, що одна із форм ковалентного приєднання полімеру з убіквітину до білкової молекули є маркером подальшої деградації білка, який виконав свою функцію або має пошкоджену структуру. На цей час відомо, що приєднання убіквітину не лише інактивує білки-ферменти, а й має протилежний ефект. Класичними цитозольними ферментами, з якими реагує убіквітин, є кінази та фосфатази. Але зовсім недавно доведено, що цей білок взаємодіє з РНК-полімеразним комплексом ядра і, таким чином, бере участь у передачі сигналів від ядра у цитозоль. Поширення в клітинах убіквітування білків-ферментів приблизно таке саме, як і фосфорилювання, що підтверджує факт важливості цього білка в регуляції активності ферментів.

2. Коферментна функція вітаміну В5. Структура вітаміну В5 та його коферментів

Пантотенова кислота як вітамін була відкрита у 1933 році у складі «біосу» - групи речовин природного походження, що стимулювали ріст дріжджів. Вітамін широко поширений у всіх живих об'єктах (мікроорганізми, рослини, тканини тварин), саме тому була запропонована назва «пантотенова кислота» (від грецького pantoten - всюди). Лікарська форма - пантотенат кальцію, вітамін B₅.

Пантотенова кислота складається з залишків D-б, г-діокси-в, в-диметилмасляної кислотита в-аланіну, з'єднаних кислотно-амідним зв'язком.

Пантотенова кислота кислота входить до складу КоА та у його складі виконує основні біохімічні функції. Активна форма - пантетин-4-фосфат, КоА, дифосфо-КоА.

Всмоктування пантотенату відбувається у тонкому кишечнику шляхом простої дифузії. З кров'ю, всмоктаний вітамін, надходить до тканин. У клітинах відбувається синтез коферментних форм пантотенату - 4-фосфат-пантетеїну, дефосфо-КоА та КоА. У цитоплазмі присутній набір необхідних ферментів для синтезу цих коферментів. При розпаді коферментів утворюється пантотенова кислота, яка приблизно на 90% виділяється із сечею.

Значення пантотенової кислоти визначається участю її коферментів у біохімічних реакціях. 4-Фосфопантотеїн є коферментом ацилпереносного білку синтетази жирних кислот, дифосфо-КоА - кофермент цитратлиази та частково кофермент численних реакцій перетворення ацилів. КоА - основний кофермент у клітинах. За його участі протікають наступні процеси:

1. активування ацетату та жирних кислот;

2. окислення жирних кислот;

3. синтез холестерину та інших стероїдних сполук;

4. синтез кетонових тіл;

5. утворення цитрату та перетворення сукциніл-КоА на стадії субстратного фосфолювання в циклі Кребса;

6. синтетичні реакції з використанням сукциніл-КоА (синтез д-амінолевулінової кислоти);

7. синтез ацетилхоліну;

8. синтез ацетилглюкозамінів;

9. реакції ацетилювання біогенних амінів (знешкодження);

10. реакції ацетилювання чужорідних сполук (знешкодження);

11. окислення пірувату та 2-оксоглутарату у енергетичних процесах.

3. Пентозофосфатний шлях в метаболізмі глюкози

Це шлях перетворення глюкози в пентози. У пентозофосфатному шляху перетворення глюкози виділяють дві частини: окислювальний і неокислювальний шляхи. Коферментом дегідрогеназ є НАД+, який відновлюється в НАДФH і використовується клітинами в реакціях відновлення і гідроксилювання. Цей шлях постачає клітини пентозофосфатами, необхідними для синтезу нуклеїнових кислот і коферментов (НАД, ФAД, КоА). Всі реакції цього шляху проходять в цитозолі клітин. Реакції неокислювального етапу є оборотними, тому можливий синтез гексоз з пентоз. Деякі метаболіти неокислювального шляху є також і метаболітами гліколізу. З цього виходить, що обидва процеси тісно зв'язані і залежно від потреб клітки можливе перемикання з одного шляху на іншій. При збалансованій потребі в НАДФН і пентозах в клітині відбувається окислювальний шлях синтезу пентоз. Якщо потреби в пентозах перевищують потреби в НАДФН, то окислювальний шлях шунтується за рахунок використання метаболітів гліколізу: фруктозо-6-фосфат і гліцероальдегідфосфат перетворюються на пентози. Якщо ж НАДФН необхідний більшою мірою, чим пентози, то можливі два варіанти:

1. при високому енергетичному статусі клітки надлишки пентоз шляхом зворотних реакцій неокислювального шляху перетворюються на фруктозо-6-фосфат і гліцеральдегідфосфат, з яких в процесі глюконеогенеза утворюється глюкоза;

2. при низькому енергетичному статусі клітини з пентоз утворюються гліцеральдегідфосфат і фруктозо-6-фосфат, які потім включаються в гліколіз.

4. Обмін аміаку в організмі людини: шляхи утворення, токсичність аміаку та механізми його знешкодження

фермент метаболізм вітамін пентозофосфатний

Аміак - високотоксичний продукт білкового метаболізму. Основним джерелом утворення аміаку є метаболізм амінокислот, їх трансамінування з наступним окисним дезамінуванням глутамінової кислоти ферментом глутаматдегідрогеназою. Аміак також утворюється при дезамінуванні амідів, амінів, азотистих основ нуклеотидів.

У головному мозку значна кількість аміаку утворюється при дезамінуванні АМФ ферментом аденозиндезаміназою, при цьому утворюється інозинмонофосфат (ІМФ). Певна кількість аміаку всмоктується в кров з кишечника, де він утворюється з азотвмісних сполук під впливом ферментів мікрофлори.

Аміак є особливо токсичним для мозку, інші тканини є менш чутливими або нечутливими до аміаку.

Існує декілька гіпотез, які пояснюють механізм нейротоксичності аміаку. В мітохондріях мозку надлишок аміаку стимулює відновлювальне амінування a-кетоглутарату глутаматдегідрогеназою:

NH₃ + a-кетоглутарат + НАДФН+Н⁺ ® Глутамат + НАДФ⁺ + Н₂О.

Ця реакція виснажує пул ключового метаболіту циклу трикарбонових кислот - a-кетоглутарату і, як наслідок, призводить до пригнічення процесів окисного фосфорилювання та зниження рівня АТФ в мозку. Проте, ця гіпотеза не пояснює, чому такий механізм не працює в інших тканинах, які є менш чутливими до аміаку. Більш ймовірною є гіпотеза, що пояснює токсичність аміаку зниженням вмісту в мозку глутамату, який є збудливим нейромедіатором. Глутамін, що синтезується і зберігається в гліальних клітинах, транспортується в нейрони, де гідролізується до глутамату. Аміак інгібує глутаміназу і знижує рівень глутамату в нейронах. Згідно ще однієї гіпотези, нейротоксичність аміаку можна пояснити дисфункцією нейрональних мембран, оскільки підвищений рівень аміаку призводить до підвищеної проникності мембран для іонів К⁺ і СІ^-.

З органів і тканин аміак транспортується в основному в печінку, а також в нирки, за допомогою двох основних механізмів:

1. Під впливом ферменту глутамінсинтетази в органах, де аміак утворюється, він взаємодіє з глутаміновою кислотою, в результаті чого синтезується глутамін:

Найбільше глутаміну утворюється в мозку і м'язах. З цих та інших органів він легко проходить через клітинні мембрани в кров, звідки захоплюється печінкою та нирками (рис. 2). У печінці під впливом ферменту глутамінази відбувається гідроліз глутаміну до глутамату і вільного аміаку:

Аміак знешкоджується у печінці шляхом синтезу сечовини. Глутамін, який захоплюється нирками, також розщеплюється в глутаміназній реакції. Аміак, що утворюється при цьому, екскретується з сечею у формі іону амонію (NH4+). Це один із механізмів, за допомогою якого нирки підтримують сталість рН в організмі і запобігають розвитку ацидозу.

2. При інтенсивній м'язовій роботі частина амінокислот може використовуватися як паливо, при цьому в процесі метаболізму вони втрачають аміногрупу в реакціях трансамінування з a-кетоглутаровою кислотою. Утворюється глутамінова кислота, яка дальше передає аміноазот на піруват і утворюється аланіну:

Глутамат + Піруват «a-кетоглутарат + аланін.

Деградація білків і, відповідно, катаболізм амінокислот у м'язах також посилюються при голодуванні, травмах, опіках, септицемії.

Аланін легко дифундує з м'язів в кров, переноситься в печінку, де піддається зворотньому трансамінуванню з утворенням глутамату і пірувату. Піруват використовується у процесі глюконеогенезу, синтезується глюкоза, яка транспортується назад у м'язи, а глутамат піддається окисному дезамінуванню під впливомглутаматдегідрогенази з утворенням аміаку, який знешкоджується у циклі сечовини.

Список літератури

4. Губський Ю.І. Біологічна хімія. - Київ; Тернопіль: Укрмед-книга, 2000.

5. Гонський Я.І., Максимчук Г.П. Біохімія людини. - Тернопіль: Укрмедкнига, 2001.

6. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. - М.: Медицина, 1990.

7. Мари Р. и соавт. Биохимия человека. - М.: МИР, 1993.

8. Николаев А.Я. Биологическая химия. - М.: Высшая шк., 1989.

9. Савицкий И.В. Биологическая химия. - К.: Вища шк., 1982.

10. Строев Е.А. Биологическая химия. - М.: Высшая шк., 1986.

11. Ленинджер А. Основы биохимии. - М. МИР, 1985.

12. Кушманова О.Д., Ивченко Г.М. Руководство к лабораторным занятиям по биологической химии. - М.: Медицина, 1983.

13. Мак-Мюрей У. Обмен веществ у человека. - М.: МИР, 1980.

14. Гарбарець Б.О., Висоцький І.Ю., Качанова А.А. Практикум з біологічної хімії. - Суми, 1997.

15. Гарбарець Б.О. та ін. Нова форма тестового контролю знань студентів з біохімії. - Суми: ВВП «Мрія-1 ЛТД, 1996. - Ч. 2-12.

16. Гонський Я.І. Біологічна хімія: лабораторний практикум. - Тернопіль: Укрмедкнига, 2001.

17. Посібник до практичних занять з біологічної хімії / за редакцією Я.І. Гонського. - Тернопіль: Навчальна література для медичних вузів, 1993.

18. Хмелевский Ю.В., Усатенко С.К. Основные биохимические константы человека в норме и при патологии. - К.: Здоров'я, 1987.

19. Мусил Я. Основы биохимии патологических процессов. - М.: Медицина, 1985.

20. Маршалл В.Дж. Клиническая биохимия. - М.: БИНОМ, 1999.

Размещено на Allbest.ru