Регуляция активности ферментов может осуществляться путём взаимодействия ферментов с различными биологическими компонентами или чужеродными соединениями, которые называются регуляторами ферментов . Они могут либо ускорять, либо замедлять ферментативную реакцию.
Активаторы – это вещества, увеличивающие скорость ферментативной реакции .
Виды активаторов :
1. Вещества, влияющие на область активного центра . К ним относятся ионы металлов (Na+, K+, Fe2+, Co2+, Cu2+, Ca2+, Zn2+, Mg2+, Mn2+ и др.). В ряде случаев ионы металлов выполняют функцию кофактора фермента. В других случаях они способствуют присоединению субстрата к активному центру фермента. Ионы металлов оказываются активаторами только в условиях дефицита их в организме.
2. Аллостерические эффекторы , которые связываются с аллостерическим (регуляторным) участком апофермента. Это связывание вызывает конформационные изменения в молекуле белка, приводящие к изменению структуры активного центра, что сказывается на связывании и превращении субстрата в активном центре. При этом активность фермента либо увеличивается (это аллостерические активаторы ), либо уменьшается (это аллостерические ингибиторы ). Аллостерическими эффекторами ферментов наиболее часто выступают различные метаболиты, а также гормоны, ионы металлов, нуклеозиды - АТФ, АДФ, АМФ.
3. Вещества, вызывающие модификации, не затрагивающие активный центр фермента . Возможно несколько вариантов таких модификаций:
- активация путём присоединения специфической модифицирующей группы к молекуле фермента . Пример: регуляция активности липазы .
неактивная АТФ АДФ активная О
протеинкиназа ║
─СН2ОН ─СН2─О─Р─ОН
фосфатаза │
В этом случае фосфатная группа присоединяется к гидроксильным группам аминокислот, находящихся в белковой части фермента. Отрицательно заряженные фосфатные группы могут разрывать слабые водородные и ионные связи в третичной структуре белка-фермента и влиять на конформационное состояние его активного центра. В зависимости от природы фермента фосфорилирование может его активировать или, наоборот, инактивировать. Реакции присоединения фосфатной группы катализируют ферменты протеинкиназы , а отщепления – фосфатазы . Активность этих ферментов в свою очередь находится под контролем гормональной системы.
- активация путёмперехода неактивного предшественника - профермента в активный фермент за счёт частичного протеолиза .
Некоторые ферменты синтезируются в клетке первоначально неактивными и после секреции из клетки переходят в активную форму. Неактивные предшественники называются проферменты (зимогены ). Под действием активатора происходит частичный гидролиз профермента с отщеплением от него неактивного пептида, в результате чего открывается активный центр. Так происходит активация ферментов желудочно-кишечного тракта, переваривающих белки пищи. Например, фермент пепсиноген , синтезированный в клетках желудка, затем в просвете желудка под действием соляной кислоты превращается в активный пепсин путём удаления неактивного участка полипептидной цепи:
неактивный HCl активный
пепсиноген пепсин + пептид
(профермент )
- активатор вызывает диссоциацию субъединиц фермента, имеющего четвертичную структуру (отщепление одной из субъединиц фермента).
Ингибиторами называют вещества, вызывающие снижение активности фермента . Следует различать инактивацию и ингибирование фермента. Сам по себе факт торможения ферментативной реакции в присутствии какого-либо вещества ещё не говорит о том, что это вещество – ингибитор. Любые денатурирующие агенты вызывают инактивацию фермента и торможение ферментативной реакции. Ингибиторы, в отличие от денатурирующих агентов, действуют в малых концентрациях и вызывают специфическое снижение ферментативной активности.
По прочности связывания с ферментом ингибиторы делятся на обратимые и необратимые . Необратимые ингибиторы прочно связываются с ферментом, тогда как комплекс фермент – обратимый ингибитор непрочен. Если сильно разбавить раствор фермента с обратимым ингибитором, то их комплекс распадается и активность фермента восстанавливается.
По механизму действия ингибиторы делятся на конкурентные и неконкурентные. Конкурентные ингибиторы имеют структурное сходство с молекулой субстрата, что позволяет им занять место субстрата в активном центре фермента:
E + S + I → EI + S
Встраиваясь вместо субстрата в активный центр, такой ингибитор не даёт ферментативной реакции осуществиться. То есть, субстрат конкурирует с ингибитором за активный центр. С активным центром связывается то соединение, молекул которого больше. Снять конкурентное ингибирование можно, увеличив концентрацию субстрата.
На принципе конкурентного ингибирования основано действие многих фармакологических препаратов (например, сульфаниламидных), инсектицидов, фосфорорганических боевых отравляющих веществ (зарин, зоман).
Неконкурентные ингибиторы не имеют структурного сходства с субстратами. Они или связываются с каталитическими группами активного центра фермента, или, связываясь с ферментом вне активного центра, изменяют конформацию активного центра таким образом, что это препятствует превращению субстрата. Поскольку неконкурентный ингибитор не влияет на связывание субстрата, то в отличие от конкурентного ингибирования наблюдается образование тройного комплекса:
E + S + I → ESI
К неконкурентным ингибиторам относятся ионы тяжёлых металлов: ртути, свинца, кадмия, мышьяка. Они блокируют SH-группы, входящие в каталитический участок фермента. Снять действие неконкурентного ингибитора избытком субстрата, как при конкурентном ингибировании, нельзя, а можно лишь веществами, связывающими ингибитор (реактиваторами ). Тяжелые металлы лишь в небольших концентрациях играют роль ингибиторов, в больших концентрациях они действуют как денатурирующие агенты.
Наиболее важными неконкурентными ингибиторами являются образующиеся в живой клетке промежуточные продукты метаболизма, способные обратимо связываться с аллостерическими участками фермента – аллостерические ингибиторы . Они занимают ключевое положение в метаболизме, поскольку тонко реагируют на изменения в обмене веществ и регулируют прохождение веществ по целой системе ферментов. Например, аллостерическая регуляция проявляется в виде ингибирования конечным продуктом первого фермента цепи. Эта регуляция сходна с регуляцией по механизму обратной связи и позволяет контролировать выход конечного продукта, в случае накопления которого прекращается работа первого фермента цепи:
А → В → С → D
Е1, Е2, Е3 – ферменты; А, В, С, D - метаболиты
1. Активаторы – вещества, которые повышают скорость ферментативных реакций, увеличивают активность ферментов. Они бывают органической и неорганической природы.
Активаторы органической природы: желчные кислоты (активируют поджелудочную ли пазу), энтерокиназа (активирует трипсиноген), глутатион, цистеин, витамин С (повышают активность оскидоредуктаз).
Активаторы неорганической природы: например, HCl активирует пепсиноген, ионы ме таллов (Na, Cl, K, Mg, Mn, Zn) активируют очень многие ферменты. Ионы металлов: а) спо собствуют образованию ферментсубстратного комплекса; б) служат донорами и акцептора ми электронов; в) принимают участие в образовании активного центра ферментов (Zn в со ставе карбангидразы, Fe – в составе цитохромов, каталазы, пероксидазы); г) выступают в ро ли аллостерических регуляторов.
2. Ингибиторы – вещества, которые уменьшают активность ферментов и замедляют хими ческие реакции. Различают обратимое и необратимое ингибирование:
Если ингибитор связывается с молекулой фермента слабыми связями (Е+И ↔ ЕИ) то такой ингибитор легко удаляется и активность фермента восстанавливается;
Если ингибитор связывается с молекулой фермента прочными ковалентными связями (Е+И→ ЕИ), то наступает необратимое подавление активности фермента
Необратимое ингибирование происходит при денатурация ферментовбелков под дей ствием концентрированных кислот и щелочей, солей тяжелых металлов, ультрафиолетовом облучении. Некоторые ингибиторы образуют прочные недиссоциируемые связи с функцио нальными группами в активных центрах ферментов. Например, цианиды связываются с же лезом в ферментахгемопротеинах. Фосфорорганические яды (табун, зарин, Vгазы) образу ют прочные связи с остатками серина и треонина входящими в состав многих ферментов. Обратимое ингибирование делится на конкурентное и неконкурентное. Конкурентное ин гибирование вызывается веществами, структурно сходными с субстратом и взаимодейст вующими с активным центром фермента. Например, малоновая кислота, является конку рентным ингибитором сукцинатдегидрогеназы, посколььку похожа на янтарную кислоту (также имеет 2 карбоксильных группы). Поэтому, малоновая кислота легко связывается с ак тивным центром сукцинатдегидрогеназы, вытесняя оттуда субстрат – янтарную кислоту. Од нако, фермент неспособен это сделать с малоновой кислотой, которая короче на 1 атом углерода. Поэто му если прибавить ма лоновую кислоту в концентрации, превышающей концентрацию янтарной кислоты, то реакция прекратится, поскольку малонат за блокирует активный центр сукцинатдегидрогеназы
Конкурентные ингибиторы нередко используются в качестве лекарственных средств. Например, антимикробные препараты сульфаниламиды являются структурными аналогами парааминобензойной кислоты из которой микроорганизмы синтезируют необходимый им для размножение витамин В9 (фолиевую кислоту). Многие антибиотики конкурентно тормо зят синтез белка микроорганизмами или репликацию ДНК. Потивоопухолевые препараты (метотрексат, антагонист витамина В9) блокирует репликацию ДНК в опухолевых клетках.
Неконкурентныеингибиторы не имеют структурного сходства к субстрату и при соединяются не к активному центру, а к другим участкам, в том числе и к аллостерическому центру. Ингибирование происходит вследствие разрушения или необратимой химической модификации функциональных групп ферментов. Примеры:
а) алкилирующие агенты (йодацетамид) необратимо реагируют с SН–группами ферментов
Е–SH + ICH2CОNH2 → E–SCH2 –CОNH2 + HI (фермент) (йодацетамид) комплекс ферментингибитор
б) препараты ФОС (фосфорорганических соединений) это высокотоксичные яды для насеко мых и теплокровных животных. Они взаимодействуют с гидроксигруппой серина в активном центре фермента ацетилхолинэстеразы:
в) тетурам – ингибитор ацетальдегиддегидрогеназы (используют при лечении алкоголизма).
Дата публикования: 2015-11-01 ; Прочитано: 9258 | Нарушение авторского права страницы | Заказать написание работы
сайт - Студопедия.Орг - 2014-2019 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.005 с) ...Отключите adBlock!
очень нужно
Влияние рН на активность ферментов
Влияние температуры на скорость ферментативной реакции
КИНЕТИКА ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ
Ферментативные реакции ускоряются при повышении температуры и их кинетика согласуется с правилом Вант-Гоффа. Для биологических катализаторов, которые являются белками, этот закон действует только в строго определенном температурном интервале. Температурный оптимум для большинства ферментов человека составляет 37-38 о С. При увеличении температуры выше 40 о С происходит денатурация фермента, сопровождающаяся изменением конформации белка.
Снижение температуры замедляет движение молекул, взаимодействие фермента с субстратом, а значит, и образование продукта реакции идет с низкой скоростью. При 0 о С ферменты сохраняют слабую активность, но в процессе замораживания клеток биохимические реакции приостанавливаются. После оттаивания ферментативные процессы возобновляются.
Ионы (Н+) оказывают влияние на ферментативную активность различными путями. Они изменяют степень ионизации субстрата, продукта и самого фермента. Особое значение имеет ионизация функциональных групп активного центра фермента и фермент-субстратного комплекса, определяющих скорость реакции.
При оптимальном для каждого фермента значении рН конформация активного центра фермента комплементарна субстрата. При изменении рН относительно оптимальных значений изменяется конформация фермента, активного центра, нарушается комплементарность и снижается скорость реакции.
Ингибиторы – это природные или синтетические вешества, полностью подавляющие или снижающие активность ферментов. Выяснение строения активных центров ферментов, механизмов их действия, расшифровка многих биохимических процессов, а также понимание фармакологического действия лекарственных веществ стали возможными благодаря исследованию ингибиторов ферментов. Эти вещества могут иметь разную химическую природу.
Они взаимодействуют с ферментом в области активного центра, изменяют конформацию фермента, активного центра и снижают его активность. В зависимости от прочности взаимодействия ингибитора с ферментом различают – обратимые и необратимые ингибиторы.
Обратимые ингибиторы – связываются с ферментом посредством образования слабых нековалентных связей. Фермент восстанавливает свою нативную конформацию и активность после диссоциации ингибитора. Обратимые ингибиторы бывают двух типов: конкурентные и не конкурентные.
Обратимые конкурентные ингибиторы являются структурными аналогами субстратов. Они связываются в активном центре фермента, но не могут превращаться в продукт. Обратимые конкурентные ингибиторы конкурируют с субстратом за активный центр фермента. При повышении концентрации субстрата он вытесняет ингибитор из активного центра фермента. Например, малоновая кислота очень близкая по структуре к янтарной кислоте конкурирует с ней за активный центр фермента сукцинатдегидрогеназы, которая катализирует превращение сукцината в фумарат. Субстрат и ингибитор (малонат) взаимодействуют с одними и теми же положительно заряженными группами каталитического центра фермента, так как обе кислоты при физиологических значениях рН имеют две отрицательно заряженные карбоксильные группы.
Обратимые неконкурентные ингибиторы присоединяются к ферменту не в активном центре, а в другом месте, вызывая изменение конформаци фермента и его активного центра. Следовательно, обратимое неконкурентное ингибирование фермента не может быть устранено повышением концентрации субстрата. Неконкурентный ингибитор может связываться обратимо как со свободным ферментом, так и с фермент-субстратным комплексом.
Необратимые специфические ингибиторы ковалентно связываются или разрушают функциональную группу молекулы активного центра фермента, необходимую для проявления его каталитической активности.
Примером такого ингибирования может быть действие производных фторфосфатов. Диизопропилфторфосфат образует прочную ковалентную связь с ОН-группой серина в активном центре фермента ацетилхолинестеразы. Ацетилхолинестераза является сериновой гидролазой и катализирует расщепление ацетилхолина до ацетата и холина. При связывании с ингибитором ацетилхолинестераза не гидролизует ацетилхолин, это блокирует проведение нервного импульса через мембрану клетки.
Другой необратимый специфический ингибитор – йодацетамид – может взаимодействовать с SH-группами остатка цистеина, в активном центре фермента.
При оптимальных условиях активность фермента зависит от:
· количества субстрата
· количества продукта
· количества фермента
· концентрации кофактора
· присутствия активаторов или ингибиторов
Под термином "ингибирование ферментативной активности" понимают снижение каталитической активности в присутствии определённых веществ - ингибиторов. К ингибиторам следует относить вещества, вызывающие снижение активности фермента. Следует отметить, что все денатурирующие агенты также вызывают уменьшение скорости любой ферментативной реакции, вследствие неспецифической денатурации белковой молекулы, поэтому денатурирующие агенты к ингибиторам не относят.
Ингибиторы вызывают большой интерес для выяснения механизмов ферментативного катализа, помогают установить роль отдельных ферментов в метаболических путях организма. В основе действия многих лекарственных препаратов и ядов лежит ингибирование активности ферментов, поэтому знание механизмов этого процесса крайне важно для молекулярной фармакологии и токсикологии.
Ингибиторы способны взаимодействовать с ферментами с разной степенью прочности. На основании этого различают обратимое и необратимое ингибирование. По механизму действия ингибиторы подразделяют на конкурентные и неконкурентные.
А. Обратимое ингибирование
Обратимые ингибиторы связываются с ферментом слабыми нековалентными связями и при определённых условиях легко отделяются от фермента. Обратимые ингибиторы бывают конкурентными и неконкурентными.
Конкурентное ингибирование
К конкурентному ингибированию относят обратимое снижение скорости ферментативной реакции, вызванное ингибитором, связывающимся с активным центром фермента и препятствующим образованию фермент-субстратного комплекса. Такой тип ингибирования наблюдают, когда ингибитор - структурный аналог субстрата, в результате возникает конкуренция молекул субстрата и ингибитора за место в активном центре фермента. В этом случае с ферментом взаимодействует либо субстрат, либо ингибитор, образуя комплексы фермент-субстрат (ES) или фермент-ингибитор (EI). При формировании комплекса фермента и ингибитора (EI) продукт реакции не образуется
Для конкурентного типа ингибирования справедливы следующие уравнения:
Е + S ⇔ ES → E + P,
Кинетические зависимости
Конкурентные ингибиторы уменьшают скорость химической реакции. Конкурентный ингибитор повышает К m для данного субстрата (уменьшает сродство субстрата к ферменту). Это означает, что в присутствии конкурентного ингибитора необходима большая концентрация субстрата для достижения 1/2 V max .
Увеличение соотношения концентрации субстрата и ингибитора снижает степень ингибирования. При значительно более высоких концентрациях субстрата ингибирование полностью
В качестве лекарственных препаратов используют следующие антиметаболиты: сульфаниламидные препараты (аналоги парааминобензойной кислоты), применяемые для лечения инфекционных заболеваний, аналоги нуклеотидов для лечения онкологических заболеваний.
Неконкурентное ингибирование
Неконкурентным называют такое ингибирование ферментативной реакции, при котором ингибитор взаимодействует с ферментом в участке, отличном от активного центра. Неконкурентные ингибиторы не являются структурными аналогами субстрата.
Неконкурентный ингибитор может связываться либо с ферментом, либо с фермент-субстратным комплексом, образуя неактивный комплекс. Присоединение неконкурентного ингибитора вызывает изменение конформации молекулы фермента таким образом, что нарушается взаимодействие субстрата с активным центром фермента, что приводит к снижению скорости ферментативной реакции.
Кинетические зависимости
Этот тип ингибирования характеризуется снижением V max ферментативной реакции и уменьшением сродства субстрата к ферменту, т.е. увеличением К m .
Б. Необратимое ингибирование
Необратимое ингибирование наблюдают в случае образования ковалентных стабильных связей между молекулой ингибитора и фермента. Чаще всего модификации подвергается активный центр фермента, В результате фермент не может выполнять каталитическую функцию.
К необратимым ингибиторам относят ионы тяжёлых металлов, например ртути (Hg 2+), серебра (Ag +) и мышьяка (As 3+), которые в малых концентрациях блокируют сульфгидрильные группы активного центра. Субстрат при этом не может подвергаться химическому превращению. При наличии реактиваторов ферментативная функция восстанавливается. В больших концентрациях ионы тяжёлых металлов вызывают денатурацию белковой молекулы фермента, т.е. приводят к полной инактивации фермента.
1. Специфические и неспецифические
ингибиторы
Использование необратимых ингибиторов представляет большой интерес для выяснения механизма действия ферментов. С этой целью применяют вещества, блокирующие определённые группы активного центра ферментов. Такие ингибиторы называют специфическими. Ряд соединений легко вступает в реакции с определенными химическими группами. Если эти группы участвуют в катализе, то происходит полная инактивация фермента.
2. Необратимые ингибиторы ферментов как
лекарственные препараты
Пример лекарственного препарата, действие которого основано на необратимом ингибировании ферментов, - широко используемый препарат аспирин. Противовоспалительный нестероидный препарат аспирин обеспечивает фармакологическое действие за счёт ингибирования фермента циклооксигеназы, катализирующего реакцию образования простагландинов из арахидоновой кислоты. В результате химической реакции ацетильный остаток аспирина присоединяется к свободной концевой NH 2 -группе одной из субъединиц циклооксигеназы.
Это вызывает снижение образования продуктов реакции простагландинов, которые обладают широким спектром биологических функций, в том числе являются медиаторами воспаления.
Аллостерическая регуляция активности ферментов. Роль аллостерических ферментов в метаболизме клетки. Аллостерические эффекторы и ингибиторы. Особенности строения и функционирования аллостерических ферментов и их локализация в метаболических путях. Регуляция активности ферментов по принципу отрицательной обратной связи. Привести примеры.
Наиболее тонким и широко распространенным способом регуляции активности ферментов является аллостерическая регуляция . В этом случае регуляторный фактор связывается не с каталитическим центром фермента, а с другим его участком (регуляторным центром ), что приводит к изменению активности фермента. Ферменты, регулируемые таким образом, называются аллостерическими , они часто занимают ключевую позицию в метаболизме. Вещество, связывающееся с регуляторным центром называется эффектором , эффектор может быть ингибитором , а может быть активатором . Обычно эффекторами бывают либо конечные продукты биосинтетических путей (ингибирование по принципу обратной связи), либо вещества, концентрация которых отражает состояние клеточного метаболизма (АТФ, АМФ, НАД+ и др.). Как правило, аллостерические ферменты катализируют одну из реакций, с которой начинается процесс образования какого-то метаболита. Обычно эта стадия лимитирует скорость всего процесса в целом. В катаболических процессах, сопровождающихся синтезом АТФ из АДФ, в роли аллостерического ингибитора одной из ранних стадий катаболизма часто выступает сам конечный продукт – АТФ. Аллостерическим ингибитором одной из ранних стадий анаболизма нередко служит конечный продукт биосинтеза, например какая-нибудь аминокислота.
Активность некоторых аллостерических ферментов стимулируется специфическими активаторами. Аллостерический фермент, регулирующий одну из катаболических последовательностей реакций, может, например, подчиняться стимулирующему влиянию положительных эффекторов – АДР или АМР и ингибирующему действию отрицательного эффектора – АТР. Известны также случаи, когда аллостерический фермент какого-нибудь метаболического пути специфическим образом реагирует на промежуточные или конечные продукты других метаболических путей. Благодаря этому оказывается возможной координация скорости действия различных ферментных систем.
Различают два больших класса ингибиторов ферментативной активности - конкурентные и неконкурентные - на основании того, ослабляется (конкурентное ингибирование) или не ослабляется (неконкурентное ингибирование) их ингибирующее действие при повышении концентрации субстрата. На практике многие ингибиторы не проявляют тех свойств, которые характерны для чисто конкурентного или чисто неконкурентного ингибирования. Другой способ классификации ингибиторов основывается на характере места их связывания. Одни из них связываются с ферментом в том же месте, что и субстрат (в каталитическом центре), а другие - на значительном расстоянии от активного центра (валлостерическом центре).
Конкурентное ингибирование аналогами субстрата
Классическое конкуретное ингибирование основано на связывании ингибитора с субстратсвязывающим (каталитическим) центром. Химическая структура аналога субстрата, действующего как ингибитор (I), обычно сходна со структурой субстрата (S). Поэтому ингибитор может обратимо связываться с ферментом, образуя вместо комплекс т.е. фермент-ингибиторный комплекс. Когда в реакционной смеси одновременно присутствуют и субстрат, и ингибитор указанного типа, они конкурируют за один и тот же связывающий центр на поверхности фермента. Один из наиболее подробно изученных примеров конкурентного ингибирования - это ингибирование сукцинатдегидрогеназы малонатом (I), конкурирующим за один и тот же центр с субстратом сукцинатом
Сукцинатдегидрогеназа катализирует образование фумарата в результате отщепления атома водорода от каждого из двух а-углеродных атомов сукцината (рис. 8.19). Малонат способен связываться с дегидрогеназой, образуя комплекс От Саагома малоната отщепления атома водорода произойти не может. Комплекс может только распадаться на свободный фермент и ингибитор. Для этой обратимой реакции
константа равновесия К, равна
Рис. 8.19. Сукцинатдегидрогеназвая реакция.
Действие конкурентных ингибиторов можно представить в виде следующих реакций:
Скорость образования продукта - обычно именно она является объектом измерения - зависит только от концентрации комплекса . Предположим, что I очень прочно связывается с ферментом мала). Тогда количество свободного фермента который мог бы присоединять S, образуя комплекс , а затем и , будет весьма мало. Таким образом, скорость реакции (образования Р) будет мала. По аналогичным причинам при той же концентрации слабо связывающегося ингибитора (Л велика) катализируемая реакция существенно не замедлится. Предположим теперь, что при фиксированной концентрации ингибитора 1 добавляется все большее количество субстрата S. Это повышает вероятность образования комплекса по сравнению с комплексом . С ростом отношения будет расти и скорость реакции. При достаточно высокой концентрации S концентрация комплекса станет исчезающе мала. Но тогда скорость катализируемой реакции будет такой же, что и в отсутствие I (рис. 8.20).
Рис. 8.20. Г рафик Лайнуивера - Бэрка для случая классического конкурентного ингибирования. Обратите внимание на полное отсутствие ингибирующего действия при высоких значениях [S] (низких значениях (1/[S]).
Графическая оценка констант конкурентного ингибирования
На рис. 8.20 приведен типичный случай конкурентного ингибирования, представленный в форме графика Лайнуивера-Бэрка. Скорость реакции измеряется при разных значениях концентрации S и при фиксированной концентрации ингибитора. Прямые, проведенные через экспериментальные точки, пересекаются в одной и той же точке на оси у. Длина отрезка, отсекаемого от оси у, равна это означает, что при бесконечно большой концентрации будет такой же, что и в отсутствие ингибитора. Однако длина отрезка, отсекаемого от оси эта величина определяет значение ), в присутствии ингибитора уменьшается Таким образом, конкурентный ингибитор повышает кажущееся значение для субстрата. Для простого конкурентного ингибирования длина отрезка, отсекаемого от оси будет равна
Определив в отсутствие I, можно найти из этого уравнения Если концентрация добавленного 1 значительно превышает концентрацию фермента, то можно считать [I] равной концентрации добавленного ингибитора.. Значения К, для ряда аналогов субстрата (конкурентных ингибиторов) показывают, какой из них наиболее эффективен. Ингибиторы с наименьшими даже при малых концентрациях могут оказывать сильное ингибирующее действие.
Многие лекарственные препараты, широко применяющиеся в клинике, действуют как конкурентные ингибиторы очень важных ферментов, функционирующих как в микробных, так и в животных клетках.
Обратимое неконкурентное ингибирование
Как следует уже из самого названия, в этом случае конкуренция между S и I отсутствует. При этом ингибитор обычно ничем не напоминает S и, как можно предположить, связывается с другим участком фермента. Обратимые неконкурентные ингибиторы понижают максимальную скорость, достижимую при данном количестве фермента (понижают но, как правило, не влияют на Поскольку I и S связываются с разными центрами, возможно образование как комплекса так и комплекса . Комплекс тоже распадается с образованием продукта, однако с меньшей скоростью, чем ; поэтому реакция будет замедляться, но не остановится. Таким образом, могут протекать
следующие конкурентные реакции:
На рис. 8.21 представлена зависимость от в присутствии и в отсутствие ингибитора (предполагается, что связывание I не приводит к существенным изменениям в работе активного центра).
Необратимое неконкурентное ингибирование
Ферментативная активность может уменьшаться в присутствии многих «ядов», таких, как иодацетамид, ионы тяжелых металлов окисляющие агенты и т.д. В присутствии одного или нескольких субстратов или продуктов скорость инактивации фермента может снижаться. Тот кинетический анализ, о котором здесь шла речь, может оказаться недостаточным для того, чтобы отличить действие ферментных ядов от действия неконкурентных обратимых ингибиторов. Обратимое неконкурентное ингибирование встречается сравнительно редко. К сожалению, оно не всегда выявляется, поскольку и обратимое, и необратимое неконкурентное ингибирование характеризуются сходной кинетикой.
Рис. 8.21. График Лайнуивера - Бэрка для случая обратимого неконкурентного ингибирования.
Действие ферментов можно полностью или частично подавить (ингибировать) определенными химическими веществами - ингибиторами (рис. 8).
По характеру своего действия ингибиторы подразделяются на обратимые и необратимые. В основе такого деления лежит прочность соединения ингибитора с ферментом.
Обратимые ингибиторы - это соединения, которые нековалентно взаимодействуют с ферментом и могут диссоциировать от фермента.
конкурентным. Конкурентный ингибитор конкурирует с субстратом за связывание в субстратсвязывающем участке активного центра и связывается с ферментом похожим способом, как и субстрат. Но конкурентный ингибитор, связанный с ферментом, не подвергается ферментативному превращению. Отличительная особенность конкурентного ингибирования состоит в том, что его можно ослабить или полностью устранить, повысив концентрацию субстрата. Многие лекарства являются конкурентными ингибиторами ферментов.
Пример. Сульфамидные препараты, используемые для лечения инфекционных болезней. Сульфаниламиды – это структурные аналоги парааминобензойной кислоты, из которой в клетке микроорганизма синтезируется кофермент (Н 4 - фолат), участвующий в биосинтезе нуклеиновых оснований. Нарушение синтеза нуклеиновых кислот приводит к гибели микроорганизмов.
Обратимое ингибирование может быть неконкурентным в отношении субстрата; в этом случае ингибитор не конкурирует с субстратом за одно и то же место в ферменте.
Неконкурентный ингибитор может связаться с ферментом и в присутствии, и в отсутствие субстрата, увеличение концентрации субстрата не препятствует связыванию ингибитора (рис.9). Неконкурентный ингибитор в действительности уменьшает количество активного фермента.
Связывание приводит к изменению конформации фермента и нарушению комплементарности к субстрату. Неконкурентные ингибиторы могут обратимо связываться как со свободным ферментом, так и с комплексом ES. Наиболее важными неконкурентными ингибиторами являются образующиеся в живой клетке промежуточные продукты метаболизма, способные обратимо связываться с определенными участками ферментов (аллостерические центры) и изменять их активность, что является одним из способов регуляции метаболизма.
Необратимые ингибиторы - это соединения, которые могут специфически связывать определенные функционально важные группы активного центра, образуя ковалентные, прочные связи с ферментом. При этом они необратимо, часто ковалентно, связываются с ферментом или фермент - субстратным комплексом и необратимо изменяют нативную конформацию. В основе действия некоторых токсичных веществ лежит ингибирование активности ферментов, например, соединений мышьяка, Hg 2+ , Pb 2+
Пример Диизопропилфторфосфат ингибирует ферменты, имеющие серин в активном центре. Таким ферментом является ацетилхолинэстераза, катализирующая следующую реакцию:
Реакция происходит каждый раз после проведения нервного импульса, прежде чем второй импульс будет передан через синапс. Диизопропилфторфосфат - одно из отравляющих веществ нервно-паралитического действия, так как приводит к утрате способности нейронов проводить нервные импульсы.
Пример. Терапевтическое действие аспирина как жаропонижающего и противовоспалительного средства объясняется тем, что аспирин ингибирует один из ферментов, катализирующий синтез простагландинов (ПГ). Простагландины - вещества, участвующие в развитии воспаления. Ингибирование обусловлено ковалентной модификацией одной из аминогрупп фермента - простагландинсинтетазы.
