РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ
Большинство ферментов синтезируется в неактивном состоянии в виде проферментов (зимогенов), в этой форме ферменты существуют часть своей жизни. Активность фермента проявляется только при выполнении определенных условий в клетке:
1. наличие кофакторов (ионов металлов, синтезированных коферментов, простетических групп);
2. наличие субстратов фермента;
3. наличие эффекторов фермента: аллостерические активаторы, ферменты фосфорилирования (протеинкиназы), дефосфорилирования (протеинфосфатазы);
4. отсутствие ингибиторов активной формы фермента;
5. наличие энергоисточников, либо доноров фосфатной группы (эту функцию, большей частью, берет на себя АТФ);
6. создание оптимальных условий по температуре и рН среды;
7. постоянное удаление продуктов ферментативной реакции из окружающей фермент среды, если реакция обратимая.
В конформации белковой молекулы зимогена (профермент; неактивная форма фермента) активные центры отсутствуют, их образование может происходить через механизмы активации:
1. отщепление олигопептида от профермента (ограниченный протеолиз; примеры: образование пепсина, трипсина);
2. образование дополнительных -S-S- связей, делающее доступным активный центр;
3. образование комплекса с ионами металлов;
4. ковалентная модификация зимогена путем фосфорилирования (функция протеинкиназы) или дефосфорилирования (функция протеинфосфатазы) - активно используется для регуляции ключевых ферментов процессов в клетке (примеры: гликогенсинтаза и гликогенфосфорилаза в обмене гликогена, пируватдегидрогеназа митохондрий, бета-гидрокси-бета-метилглутарил-КоА-редуктаза в синтезе холестерина);
5. аллостерическая активация зимогена.
Последний тип механизма активации наиболее распространен у живых организмов и позволяет регулировать активность ключевых (главных) ферментов процессов обмена веществ. Эти ферменты наряду с активными центрами имеют также аллостерические (один или больше по количеству) центры.
Аллостерический центр – это структурный фрагмент белковой молекулы регуляторного фермента, который пространственно разделен с активным центром и выполняет задачу контакта с веществами-ингибиторами или –активаторами (их ещё называют аллостерическими эффекторами). В результате такого контакта происходят конформационные изменения в молекуле белка-фермента. Суть аллостерического ингибирования или активирования изложена на рисунке 26.
Роль аллостерического ингибитора иногда может выполнять субстрат при его концентрации большей концентрации полного насыщения активных центров фермента. В качестве примера рассмотрим главный регуляторный фермент гликолиза - фосфофруктокиназу I (ФФК I), катализирующую реакцию:
Фруктозо-6-Ф + АТФ → фруктозо-1,6-ди-Ф + АДФ, где Ф - фосфат
Фосфофруктокиназа I является фосфотрансферазой, переносящей остаток фосфорной кислоты с АТФ на фруктозо-6-фосфат: при малой концентрации АТФ в цитоплазме АТФ является субстратом, присоединяющимся к активному центру фермента. При увеличении концентрации АТФ происходит полное насыщение активных центров фермента молекулами субстратов, и поэтому АТФ начинает присоединяться к аллостерическому центру ФФК I, останавливая действие фермента и весь процесс гликолиза.
Аналогичную функцию может выполнять восстановленная форма кофермента дегидрогеназы: в качестве примера рассмотрим изоцитратдегидрогеназу цикла Кребса. Данный фермент имеет несколько аллостерических центров:
· для активаторов - катионов Mg2+, Mn2+ и АДФ
· для ингибиторов - АТФ и НАДН.
Последние вещества выполняют функцию аллостерического ингибитора изоцитратдегидрогеназы только при условии их накопления в матриксе митохондрий, где локализован фермент.
Следует также отметить, что часто концентрация зимогена может быть изменена на уровне регуляции таких процессов, как транскрипция и трансляция. Это связано с тем, что скорость формирования полипептидных цепей профермента (зимогена) может зависеть от многих экзогенных (внешних) факторов воздействия на живую клетку, к которым она должна быть адаптирована. Если концентрация фермента регулируется на уровне транскрипции и трансляции, его называют индуцированным ферментом.
| АЛОСТЕРИЧЕСКИЕ АКТИВАТОРЫ ИНГИБИТОРЫ | ||||
| Связывание с аллостерическим центром фермента (слабые взаимодействия!) Конформационные изменения в молекуле фермента | ||||
| Функциональные группы активного центра занимают наиболее выгодное положение по отношению к молекуле субстрата | Меняется конформация активного центра, либо происходит полное разрушение активного центра | |||
| Снижается время формирования ES и время достижения переходного состояния | Увеличивается время ориентации E и S, время их контакта (частичное ингибирование), либо субстрат не может присоединиться к активному центру. | |||
| Появление (увеличение) активности фермента | Снижение активности (частичное ингибирование), либо полное отсутствие активности | |||
Рис. 26. Механизм действия аллостерических эффекторов
Ретроингибирование. Конечный продукт реакции (или процесса) может выполнять функцию аллостерического ингибитора. Примеры:
· Синтез гема, который является небелковой частью гемоглобина, либо цитохромов, начинается с функции δ-аминолевулинатсинтетазы, синтезирующей δ-аминолевулиновую кислоту из активного ацила янтарной кислоты (сукцинил-КоА) и глицина. Из этого продукта через ряд последовательных превращений образуется гем. Избыток молекул гема связывается с аллостерическим центром выше указанного фермента, меняет его конформацию и останавливает действие δ-аминолевулинатсинтетазы.
· Холестерин – продукт синтеза холестерина при условии его накопления в клетке начинает выполнять функцию аллостерического ингибитора ключевого фермента синтеза – бета-гидрокси-бета-метил-глутарил-КоА-редуктазы.
· Продукт оксилительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты – ацетил-КоА. При его накоплении в матриксе митохондрий выполняет функцию аллостерического ингибитора пируватдегидрогеназного комплекса.
· Синтез пиримидиновых нуклеотидов останавливается при накоплении УТФ и ЦТФ, так как они начинают выполнять функцию аллостерических ингибиторов карбамоилфосфатсинтетазы II, с функции которой начинается данный синтез.
Другие типы ингибирования представлены в таблице 2. Изучение различных факторов регуляции активности ферментов является первоосновой для понимания поведения любого фермента in vivo в норме, а также при возникновении различных заболеваний. Выбор врачом путей лечения патологического процесса и приведения его к норме во многом зависит от знаний о роли, регуляции активности тех ферментов, функция которых нарушена при заболевании. Для специалистов в области фармации данный раздел является основополагающим в разработке стратегии выбора синтетических органических соединений, которые могут быть использованы в качестве потенциальных лекарственных средств. Механизм действия таких препаратов может быть направлен на:
· индукцию синтеза определенных ферментов в организме, если у пациента этот синтез снижен (пример: фенобарбитал – индукция синтеза УДФ-глюкуронилтрансферазы у новорожденных с физиологической желтухой);
· ингибирование активности фермента микроорганизма-возбудителя заболевания (сульфаниламидные препараты – конкурентные ингибиторы ферментов синтеза фолиевой кислоты из пара-аминобензойной кислоты у бактерий);
· обеспечение антивитаминной функции – (дикумарол, варфарин, тромексан – антагонисты витамина К, они снижают скорость гамма-карбоксилирования остатков глутаминовой кислоты в реакциях синтеза факторов свертывания крови II, VII, IX, X, так как фермент карбоксилирования ошибочно использует эти вещества в качестве простетической группы вместо витамина К);
· ингибирование активности фермента ткани человека с целью снижения образования продукта реакции, накопление которого ассоциируется с развитием заболевания (аллопуринол – конкурентный суицидный ингибитор ксантиноксидазы, катализирующей образование мочевой кислоты, накопление которой в тканях человека в виде солей уратов провоцирует развитие подагры).
Таблица 2
Дата добавления: 2017-09-19; просмотров: 2483;