Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

СТРУКТУРА, МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ И РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ЛАКТАТДЕГИДРОГЕНАЗЫ

Оглавление

• Введение
• 1. Структура ЛДГ
• 2. Механизм функционирования ЛДГ
• 3.Регуляция активности ЛДГ
• Список использованных источников


Введение

Лактатдегидрогеназа (ЛДГ; L-лактат-НАД-оксидоредуктаза; КФ 1.1.1.27) - цинксодержаший внутриклеточный фермент, который катализирует окисление молочной кислоты в пируват и содержится практически во всех клетках организма. ЛДГ наиболее активна в скелетной мускулатуре, сердечной мышце, почках, печени и эритроцитах.

Существует пять разных форм ЛДГ, которые отличаются молекулярной структурой и расположением в организме. От того, какая из пяти преобладает, зависит основной способ окисления глюкозы - аэробный (до CO₂ и H₂O) или анаэробный (до молочной кислоты). Подобное различие обусловлено разной степенью родства того или иной формы фермента и пировиноградной кислоты.

При заболеваниях, сопровождающихся повреждением тканей и разрушением клеток, активность ЛДГ в крови повышается. В связи с этим она является важным маркером тканевой деструкции. Несмотря на то что увеличение активности фермента не указывает на какую-то определенную болезнь, его определение в комплексе с другими лабораторными анализами помогает в диагностике инфаркта легкого, мышечной дистрофии и гемолитической анемии. Активность ЛДГ в крови может возрастать вследствие многих злокачественных новообразований, при эффективном лечении она снижается, что иногда применяют для динамического наблюдения за онкологическими больными. [7]

Целью данной работы является рассмотрение строения ЛДГ и её роли в клетке.

Для достижения поставленной цели ставятся следующие задачи:

1. Рассмотреть структуру ЛДГ.

2. Описать механизм функционирования и регуляцию ЛДГ.

1. Структура ЛДГ

Активной формой ЛДГ является тетрамер из 4 субъединиц. Каждая субъединица образована пептидной цепью из 332 аминокислот.[2] ЛДГ является примером белковых молекул, в которых упорядоченные в-структуры располагаются в центре молекулы, а б-спиральные участки различной длины - на поверхности. В тетрамере субъединицы занимают эквивалентные положения; каждый мономер содержит активный центр. [4]

В организме млекопитающих имеются два различных типа субъединиц ЛДГ (H и M), незначительно различающиеся по аминокислотной последовательности. В мышце сердца содержатся преимущественно тетрамеры, состоящие из Н-субъединиц (H от англ. heart), в ЛДГ печени и скелетных мышц преобладают М-мономеры.[2] Они могут ассоциировать в тетрамер случайным образом. Поэтому известно 5 различных ЛДГ. Для миокарда и мозговой ткани основной является ЛДГ-1(4Н), для эритроцитов, тромбоцитов, почечной ткани - ЛДГ-1 и ЛДГ-2(3H,1M). В легких, селезенке, щитовидной и поджелудочной железах, надпочечниках, лимфоцитах преобладает ЛДГ-3(2H, 2M). ЛДГ-4(1H, 3M), находится во всех тканях с ЛДГ-3, а также в гранулоцитах, плаценте и мужских половых клетках, в которых содержится и ЛДГ-5 (4M). Активность в скелетных мышцах (в порядке убывания): ЛДГ-5, ЛДГ-4, ЛДГ-3. Для печени наиболее характерен форма ЛДГ-5, меньшая активность у ЛДГ-4. В норме в сыворотке крови все фракции фермента определяются с небольшой активностью в составе суммарного показателя - общей ЛДГ. Их активность в крови распределяется следующим образом: ЛДГ-2 > ЛДГ-1 > ЛДГ-3 > ЛДГ-4 > ЛДГ-5.[7]

Несмотря на незначительные различия в структуре, каждая форма ЛДГ имеет различные кинетические свойства и исследования показывают, что причиной этого являются различия в заряженных аминокислотных остатках, граничащих с активным центром. [6]

Рисунок 1 Схема тетрамера лактатлегидрогеназы и её активного центра [3]

Активный центр в субъединице ЛДГ схематически показан на рисунке (Рисунок 1). На рисунке показан пептидный остов белка, дополнительно представлены молекулы: субстрата - лактата, кофермента НАД⁺ и три боковые цепи аминокислот, которые участвуют непосредственно в катализе. Кроме того, выделена пептидная петля, образованная аминокислотными остатками 98-110. В отсутствие субстрата и кофермента эта структура раскрыта, что обеспечивает свободный доступ к субстратсвязывающему участку. [2,6]

2. Механизм функционирования ЛДГ

ЛДГ катализирует передачу восстановительного эквивалента от лактата на НАД⁺ (NАD⁺) или от НАДН (NADH) на пируват.

L-лактат + НАД⁺ - пируват + НАДН + H⁺

Равновесие реакции сдвинуто в сторону образования лактата. Однако при высоких концентрациях лактата и НАД⁺ возможно окисление лактата в пируват. ЛДГ катализирует реакцию в обоих направлениях, но подобно всем ферментам не влияет на положение химического равновесия.

В активном центре ЛДГ принимают участие многие аминокислотные остатки. Они способствуют присоединению субстратов и кофермента или непосредственно участвуют в одной из стадий катализа. Здесь (Рисунок 2) показаны лишь три особенно важные боковые цепи аминокислот: положительно заряженная гуанидиновая группа аргинина-171(Arg-171) связывает карбоксильную группу субстрата с помощью электростатического взаимодействия, имидазольная группа гистидина-195(His-195) принимает участие в кислотно-основном катализе, боковая цепь аргинина-109 (Arg-109) важна для стабилизации переходного состояния. В противоположность His-195, меняющему свой заряд во время катализа, оба упомянутых остатка аргинина протонированы постоянно. Кроме этих трех остатков важную роль играет пептидная петля 98-110. Ее функция состоит в том, чтобы после связывания субстрата и кофермента закрыть активный центр и исключить доступ молекул воды во время переноса электронов.

Рассмотрим теперь отдельные стадии катализируемого ЛДГ восстановления пирувата. Кофермент НАДН связывается первым, а за ним - пируват. Важно, что в молекуле фермента карбонильная группа пирувата и никотинамидное кольцо кофермента в активированном состоянии расположены друг относительно друга оптимально и такая ориентация фиксирована. Затем закрывается петля 98-110 над активным центром. Сильно пониженная полярность в области активного центра облегчает образование переходного состояния. В переходном состоянии гидрид-ион H^- переносится с кофермента на карбонильный углерод. При этом временно образующийся энергетически невыгодный отрицательный заряд на кислороде стабилизируется электростатическим взаимодействием с Arg-109. Одновременно осуществляется перенос протона с Нis-195 на атом кислорода, приводя к образованию связанных с ферментом лактата и НАД⁺. После открытия петли лактат диссоциирует с фермента и временно незаряженная имидазольная группа Нis-195 снова присоединяет протон из окружающей воды. Наконец, освобождается также окисленный кофермент НАД⁺ и снова достигается исходное состояние. При окислении лактата в пируват протекают те же стадии, но в противоположном направлении. Входящий в уравнение реакции протон присоединяется не одновременно с НАДН, а после освобождения лактата.[3]

Рисунок 2 Связывание пирувата и НАДН (слева) и лактата и НАД⁺ (справа), с ключевыми остатками активного центра ЛДГ [5]

3 Регуляция активности ЛДГ

лактатдегидрогеназа молекулярный клетка фермент

Пример регуляции за счет изменения спектра множественных форм фермента в разных тканях дает ЛДГ. Тканевая специфичность фермента связана с различным сродством разных форм ЛДГ к субстратам реакции. Наиболее демонстративно это выявляется при сравнении фермента из сердца и скелетных мышц. Первый имеет большее сродство к пирувату и склонен катализировать приведенную выше реакцию слева направо, второй - справа налево. Для энергетического обмена мышц разных типов это свойство имеет решающее значение: скелетные мышцы избавляются от конечных продуктов гликолиза, выбрасывая их в кровь, поскольку в скелетной мускулатуре дальнейшее превращение этих соединений почти не осуществляется. Сердечная мышца, напротив, способна активно перерабатывать лактат и в дополнение к собственному (эндогенному) лактату может даже поглощать его из крови, а затем превращать в пировиноградную кислоту и подвергать дальнейшему окислению для пополнения запасов АТФ.

Соотношение разных форм ЛДГ в тканях не является постоянным, но изменяется в соответствии с меняющимися условиями обитания. Изменения изоферментного спектра описаны как при адаптации к меняющимся условиям среды, так и в ходе онтогенеза.[1]

Для ЛДГ также характерна регуляция путем ассоциации-диссоциации субъединиц. Каталитической активностью обладает олигомерная форма фермента. Молекула ЛДГ содержит 4 молекулы кофермента, причем при низкой концентрации кофактора в реакционной среде фермент диссоциирует на субъединицы.

Каталитическая активность фермента зависит от наличия свободных SH-групп, поэтому ингибиторами являются все сульфгидрильные реагенты. Ингибирование ЛДГ происходит также в присутствии высоких концентраций молочной кислоты и НАД.[4]

Что касается регуляции на уровне генов, то известно, что промоторная область LDHA (один из генов, кодирующих M субъединицу ЛДГ) содержит консенсусные последовательности, регулируемые основными транскрипционными факторами: фактор, индуцируемый гипоксией 1-альфа (HIF1) и c-Myc.

Коробочный белок Forkhead M1 (FOXM1) и Kruppel-подобный фактор 4 (KLF4) выступают в качестве регуляторов транскрипции LDHA. Также известно, что на транскрипцию гена влияют многие факторы, в том числе лактат, циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), эстроген, ErbB2 и белки теплового шока и др. [6]

Список использованных источников

1. Болдырев, А.А. Регуляция активности мембранных ферментов / А.А. Болдырев // Соросовский образовательный журнал. 1997. №6. С. 21-27.

2. Кольман, Я. Наглядная биохимия / Я. Кольман, К. Рём. М: Мир,2000. 469 с.

3. Огурцов, А.Н. Молекулярная биофизика и ферментативный катализ / А.Н. Огурцов. Харьков: НТУ "ХПИ", 2011. 400 с.

4. Кукулянская, Т.А. Практикум по энзимологии / Т. А. Кукулянская, О. И. Губич. Минск: БГУ, 2015. 107 с.

5. Energy landscape of the Michaelis complex of lactate dehydrogenase: relationship to catalytic mechanism / Peng HL [et al.] // Biochemistry. 2014. Vol. 53, n. 11. P. 1849-1857.

6. The Regulation and Function of Lactate Dehydrogenase A: Therapeutic Potential in Brain Tumor / Cara J. Valvona [et al.] // Brain Pathology. 2016. Vol. 26, n. 1. P. 3-17.

7. Лактатдегидрогеназа (ЛДГ) общая // База медицинских знаний Хеликс [Электронный ресурс]. 2019. Режим доступа: https://helix.ru/kb/item/06-025. Дата доступа: 23.10.2019.

Размещено на Allbest.ru