Регуляция активности ферментов: аллостерическая, частичный протеолиз.

Модуль I. Введение в метаболизм

Химическая природа, физико-химические свойства и биологическая роль ферментов. Определение понятия: кофактор, холофермент, апофермент, кофермент, субстрат, продукт.

Ферменты - это белки, которые действуют как катализаторы в биологических системах.

Являясь веществами белкой природы, ферменты обладают всеми свойствами белков:

1. гидролизуются до аминокислот;

2. дают положительные цветные реакции на белки (биуретовую, ксантопротеиновую);

3. подобно белкам растворяются в воде с образованием коллоидных растворов;

4. являются амфотерными соединениями;

5. склонны к денатурации под влиянием тех же факторов: температуры, изменениях рН, действием солей тяжелых металлов, действием физических факторов (ультразвук, ионизирующее излучение и др.);

6. имеют несколько уровней организации макромолекул, что подтверждено данными рентгеноструктурного анализа, ЯМР, ЭПР.

Биологическая роль ферментов заключается в том, что они обеспечивают контролируемое протекание всех метаболических процессов в организме.

Кофактор – доп компонент небелковой природы, необходимый для работы фермента. Апофермент – белковая часть фермента, а каталитически активную форму сложного белка – холоферментом. (Хф = Кф + Аф). Коферменты – это органические вещества небелковой природы, принимающие участие в катализе в составе каталитического участка активного центра. Субстрат –вещество вступившее в реакции, а вещество выходящее – продукт.

Строение ферментов - простых, сложных, изоферментов: активный и аллостерический центры, роль в катализе.

Ферменты характеризуются наличием специфических центров катализа.

Активный центр – это часть молекулы фермента, которая специфически взаимодействует с субстратом и принимает непосредственное участие в катализе. В Ац можно выделить два участка: участок связывания субстрата – субстратный участок (контактная площадка) и собственно каталитический центр.

Большинство субстратов образует, по меньшей мере, три связи с ферментом, благодаря чему молекула субстрата присоединяется к активному центру единственно возможным способом, что обеспечивает субстратную специфичность фермента. Каталитический центр обеспечивает выбор пути химического превращения и каталитическую специфичность фермента.

У группы регуляторных ферментов есть аллостерические центры, которые находятся за пределами активного центра. К аллостерическому центру могут присоединяться “+” или “–“ модуляторы, регулирующие активность ферментов.

Различают ферменты простые, состоят только из аминокислот, и сложные, включают также низкомолекулярные органические соединения небелковой природы (коферменты) и (или) ионы металлов (кофакторы).

Механизм действия ферментов: теории Фишера, Кошланда. Стадии ферментативного катализа. Понятие  о фермент-субстратном комплексе.

Э. Фишер предположил, что специфичность ферментов определяется точным соответствием формы фермента и субстрата («ключ-замок»).

Д. Кошланд («рука-перчатка»). В отличие от модели «ключ-замок», модель индуцированного соответствия объясняет не только специфичность ферментов, но и стабилизацию переходного состояния.

I. Активация фермента;

II. Узнавание ферментом своего субстрата;

III. Образование неактивного фермент-субстратного комплекса с помощью слабых водородных связей между субстратом и аминокислотами контактных участков;

IV. Образование активного фермент-субстратного комплекса за счет каталитического участка;

V. Образование продуктов реакции.

Фермент-субстратный комплекс – присоединение субстрата к активному центру фермента.

Кинетика ферментативных реакций (влияние на активность ферментов температуры, рН, концентрации фермента, концентрации субстрата).

Кинетика ферментативных реакций - раздел энзимологии изучающий влияние химических и физических факторов на скорость ферментативной реакции.

Скорость ферментативной реакции зависит температуры, реакции среды, концентрации реагирующих веществ, количества фермента и других факторов.

Зависимость от t⁰: при повышении T0 на каждые 10⁰С скорость увеличивается примерно вдвое. После 50-60⁰С ускоряется денатурация фермента – уменьшение скорости реакции.

Зависимость от pH:изменение рН приводит к изменению степени ионизазии изогенных групп в активном центре, а это влияет на сродство субстрата к активному центру и на каталитический механизм.

Зависимость от концентрации F: при избыточном количестве фермента прирост скорости реакции будет снижаться, поскольку уже не будет хватать субстрата.

Зависимость от концентрации S: приизбыточном количестве субстрата прирост скорости реакции будет снижаться, поскольку не будет хватать фермента.

Ингибиторы ферментов. Использование ингибиторов ферментов в медицине.

Действие ферментов можно полностью или частично. По характеру действия ингибиторы могут быть обратимыми и необратимыми. В основе этого деления лежит прочность соединения ингибитора с ферментом. Другой способ деления ингибиторов основывается на характере места их связывания. Одни из них связываются с ферментом в активном центре, а другие — в удаленном от активного центра месте. Они могут связывать и блокировать функциональную группу молекулы фермента, необходимую для проявления его активности.

Терапевтическое действие аспирина как жаропонижающего и противовоспалительного средства объясняется тем, что аспирин ингибирует один из ферментов, катализирующий синтез простагландинов. Простагландины — вещества, участвующие в развитии воспаления. Ингибирование обусловлено ковалентной модификацией одной из аминогрупп фермента — простагландинсинтетазы.

Диизопропилфторфосфат ингибирует ферменты, имеющие серин в активном центре, таким ферментом является Ацетилхолинэстераза, катализирующая реакцию разложения ацетилхолина на ацетат и холин. Диизопропилфторфосфат — одно из отравляющих веществ нервно—паралитического действия, так как приводит к утрате способности нейронов проводить нервные импульсы.

Регуляция активности ферментов: аллостерическая, частичный протеолиз.

Аллостерическими ферментами называют ферменты, активность которых регулируется обратимым нековалентным присоединением модулятора (активатора и ингибитора) к специальному аллостерическому центру. Аллостерические ферменты являются олигомерными белками или имеют доменное строение. Эти ферменты играют важную роль в регуляции т.к. чрезвычайно быстро реагируют на изменения среды. Ингибиторами аллостерических ферментов часто являются конечные продукты метаболических путей, активаторами – их начальные субстраты. Активирование происходит по принципу прямой положительной связи, а ингибирование - по принципу отрицательной обратной связи.

Например, конечный продукт катаболизма глюкозы АТФ ингибирует аллостерически ферменты гликолиза фосфофруктокиназу и пируваткиназу. Накапливаемая в гликолизе фруктоза-1,6-ф активирует пируваткиназу, что ускоряет реакции гликолиза.

При участии активаторов и протеолитических ферментов происходит отщепление части молекулы фермента и его необратимая активация. Эти ферменты функционируют мало, а затем разрушаются. Характерно для внеклеточных ферментов ЖКТ (пепсин, трипсин, химотрипсин и др.) и ферментов свертывания крови (тромбин, фибрин, плазмин др.). Например, трипсиноген, синтезируемый в поджелудочной железе, поступает в двенадцатиперстную кишку, где энтеропептидаза кишечника отщепляет у него с N-конца гексапептид. В результате в оставшейся части молекулы фермента формируется активный центр.