Файл: Лекция Ферменты структура, свойства, классификация. Регуляция активности ферментов.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.11.2023
Просмотров: 165
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Зависимость активности ферментов от рНДля каждого фермента характерно оптимальное значение рН среды, так как рН влияет настепень диссоциации и ионизации функциональных групп аминокислот, составляющихактивный центр фермента. У одних ферментов в активном центре больше групп –NH3+ , истепень ионизации их высока при кислой реакции среды (например, для пепсина оптимальныйрН 1,5), у других ферментов, наоборот, оптимум рН лежит в щелочной среде.Таким образом, реакция среды влияет на степень диссоциации и ионизациифункциональных групп активного центра, а, значит, и на активность фермента.Специфичность ферментовОстановимся на характеристике специфичности ферментов. Она обусловлена комплементарностью структуры АЦ фермента структуре субстрата.Различают специфичность ферментов по отношению к субстрату реакции и по отношению к типу катализируемой реакции. Последний вид специфичности лежит в основе классификации, или номенклатуры, ферментов.Рассмотрим специфичность ферментов по отношению к субстрату реакции. Она бывает трех типов:1) абсолютная специфичность: один фермент – один субстрат. Примеры: уреаза, аргиназа, аспартаза;2) относительная (групповая) специфичность: фермент специфичен по отношению к типу химической связи у сходных по структурной организации веществ. Примеры: протеолитические ферменты желудочно-кишечного тракта (пепсин, трипсин, химотрипсин) расщепляют пептидные связи, образованные определенными аминокислотами.3) стереохимическая (оптическая) специфичность: фермент действует только на один из пространственных изомеров данного вещества. Например, оксидазы D- и L-аминокислот.Регуляция активности ферментов: активация и ингибированиеФерментативные эффекторы – это химические соединения, которые ускоряют (активаторы) или замедляют (ингибиторы) скорость ферментативной реакции. Эти соединения являются регуляторами обмена веществ в организме.Активаторы ферментов
Активаторы ферментов – это вещества, повышающие активность фермента или переводящие фермент из неактивного состояния (профермент, зимоген) в активное (фермент, энзим).Виды активации ферментовЧастичный протеолиз: отщепление от неактивных ферментов пептидных фрагментов.Многие ферменты, особенно протеолитические ферменты желудочно-кишечного тракта, синтезируются в органах в неактивном виде (проферменты, зимогены) для того, чтобы не повредить ткани. Их активация происходят в полостях желудка, кишечника и заключается в гидролитическом отщеплении пептидного фрагмента, что приводит к изменению пространственной конфигурации фермента и формированию активного цента фермента.Активаторы могут быть разными: соляная кислота (для образования пепсина из пепсиногена); желчные кислоты для панкреатической липазы, ферменты(энтерокиназа для образования трипсина из трипсиногена, трипсин для превращения химотрипсиногена в химотрипсин).Активация ионамиОна осуществляется несколькими путями:А) ион образует комплекс с субстратом, способный связываться с активным центром фермента. Например, с киназами связывается комплекс АТФ-Mg2+, а не АТФ.Б) ионы могут взаимодействовать и с ферментом, входя в их активные центры и тем самым обусловливая определенную конформацию фермента, наиболее оптимальную для формирования фермент-субстратного комплекса.Примерами ионов являются ионы K, Na, Mg, Ca, Fe, Zn, Mn, Cu.Иногда активация может быть вызвана несколькими ионами: пептидогидролазы → Mn, Co, Ni, Zn.Кроме того, одни и те же ионы, но в разных концентрациях, могут быть либо активаторами, либо ингибиторами для одних и тех же или разных ферментов. Так, Zn является активатором глициллейцинопептидазы, но ингибитором КФК (креатинфосфокиназы).Ковалентная модификация (фосфорилирование – дефосфорилирование)Активность некоторых ферментов может отличаться в фосфорилированной либо в дефосфорилированной формах. Так, липаза жировой ткани активна в дефосфорилированной форме, но неактивна в фосфорилированной.
Регуляция с помощью белков-модуляторов или путем ассоциации и диссоциации субъединицРассмотрим данный вид регуляции на примере фермента протеинкиназы А.В активной форме этот фермент состоит из одной субъединицы – субъединицы С (каталитической). В неактивном виде фермент представляет собой тетрамер, состоящий их двух субъединиц С и двух субъединиц R (регуляторных или белков-модуляторов) - C2R2, в котором регуляторные субъединицы экранируют активный центр фермента.Активация фермента происходит с помощью низкомолекулярного эффектора цАМФ, образование которого находится под контролем соответствующих гормонов.После связывания цАМФ с белком R конформация фермента изменяется таким образом, что теряется сродство субъединицы R к субъединице С, что вызывает диссоциацию тетрамера и образование активной протеинкиназы А:C2R2 + 4 цАМФ ↔ 2 С + 2 (R-2цАМФ)Реакция является обратимой, и ее направление зависит от концентрации цАМФ.Ингибирование ферментовИнгибиторы – это вещества, специфически и обычно в небольших количествах взаимодействующие с ферментами и, таким образом, уменьшающие скорость ферментативных реакций.В зависимости от механизма торможения их можно разделить на необратимые и обратимые.Необратимое ингибированиеНеобратимые ингибиторы связываются с активным центром фермента, при этом образуется комплекс фермент-ингибитор: E + I → EIНеобратимое ингибирование характеризуется образованием прочного фермент-ингибиторного комплекса за счет формирования ковалентных связей с функциональными группами ферментов, участвующими в катализе. Комплекс фермент – ингибитор не распадается на фермент и продукт и не диссоциирует на фермент и ингибитор. Обратимое ингибированиеОбратимое ингибирование описывается уравнением: E + I ↔ EIОно бывает двух типов:а) конкурентнымб) неконкурентнымВ случае конкурентного ингибирования ингибитор взаимодействует с теми же функциональными группами фермента, что и субстрат.При неконкурентном ингибировании ингибитор взаимодействует с другими, по сравнению с субстратом, функциональными группами фермента.
Конкурентное ингибированиеСтруктура конкурентного ингибитора похожа на структуру субстрата.Это позволяет ингибитору связываться с АЦ фермента. В присутствии конкурентного ингибитора ферментативная реакция протекает следующим образом:В присутствии конкурентного ингибитора константа Михаэлиса для фермента повышается, то есть сродство фермента к субстрату падает, так как конкурентный ингибитор связывается с теми же участками АЦ, что и сам фермент. Максимальная скорость реакции достигнута может быть, но при более высокой концентрации субстрата.Неконкурентное ингибированиеЭто разновидность обратимого торможения, при котором ингибитор связывается с ферментом не в его АЦ, то есть ингибитор связывается не с теми же функциональными группами фермента, с которыми связывается субстрат. В итоге изменяется конформация фермента, и нарушается обычное взаимодействие активного центра фермента с субстратом. При этом сродство фермента к субстрату, или константа Михаэлиса фермента, не меняется.Ингибитор может реагировать и со свободным ферментом, и с фермент-субстратным комплексомВ отличие от конкурентных, действие неконкурентных ингибиторов не снимается добавлением субстрата.Неконкурентные ингибиторы удаляют с помощью диализа, гель-фильтрации или добавлением реактиваторов – веществ, которые вытесняют данный ингибитор из фермент-ингибиторного комплекса.Аллостерическая регуляцияАллостерическая регуляцияВиды аллостерической регуляции1. Аллостерическое ингибирование по принципу обратной связи (ретроингибирование)3. Аллостерическая активация предшественником2. Аллостерическая перекрестная регуляция (сочетание ингибирования и активации) Примером аллостерического ингибирования является физиологическая регуляция метаболических процессов по принципу отрицательной обратной связи, благодаря чему предотвращается избыточное накопление продуктов реакции.ИзоферментыИзоферменты – это ферменты, катализирующие одну и ту же химическую реакцию, но незначительно отличающиеся друг от друга по структуре и физико-химическим свойствам. Различия задаются на генетическом уровне.
Примеры. Гексокиназа (полиорганная локализация) и глюкокиназа (фермент печени).Лактатдегидрогеназа (ЛДГ) – тетрамер, имеющий протомеры двух типов: Н (heart-сердце) и М (muscle-мышца). Имеется пять изоферментов ЛДГ:Н4 –(ЛДГ1) – маркер сердечной мышцы, М4 (ЛДГ5) – маркер скелетных мышц,Изоферменты Н3М1 (ЛДГ2), Н2М2 (ЛДГ3) и Н1М3 (ЛДГ4) представлены в других органах. Обозначения ЛДГ1, ЛДГ2, ЛДГ3, ЛДГ4 и ЛДГ5 отражают различную подвижность данных изоферментов под действием электрического поля: она максимальна у ЛДГ1 и минимальна у ЛДГ5.Определение активности того или иного изофермента очень важно для выявления повреждения соответствующего органа или ткани. По этой причине изоферменты являются маркерными, или индикаторными, ферментами.Применение ферментов в медицинеВ медицине ферменты используются в следующих целях:1) для диагностики заболеваний и контроля за лечением;2) в качестве лекарственных препаратов;3) в качестве аналитических реактивов.Применение ферментов в клинической лабораторной диагностикеВ норме в крови человека всегда содержится большой набор ферментов. Любые, дажемалейшие, скрытые, не проявляющиеся клинически в виде жалоб пациента, нарушениясостояния здоровья всегда будут сопровождаться изменением количественного и/иликачественного состава ферментов крови. Именно поэтому при профилактических осмотрах и впротоколах обследования больных обязательным считается анализ активности ферментовплазмы крови.План обследования, каких именно ферментов у конкретного пациента составляет лечащийврач. Он основывается на знаниях метаболизма и на своих предположениях о возможныхпричинах нарушения состояния здоровья.Следует помнить, что все ферменты плазмы крови разделяют на:а) внутриклеточные (лактатдегидрогеназа, липаза, амилаза, кислая фосфатаза,креатинфосфокиназа, аминотрансферазы);б) секреторные (образуются главным образом в печени и секретируются в кровь(сывороточная холинэстераза, ферменты свертывающей системы крови);в) экскреторные (лейцинаминопептидаза и щелочная фосфатаза
Активаторы ферментов – это вещества, повышающие активность фермента или переводящие фермент из неактивного состояния (профермент, зимоген) в активное (фермент, энзим).Виды активации ферментовЧастичный протеолиз: отщепление от неактивных ферментов пептидных фрагментов.Многие ферменты, особенно протеолитические ферменты желудочно-кишечного тракта, синтезируются в органах в неактивном виде (проферменты, зимогены) для того, чтобы не повредить ткани. Их активация происходят в полостях желудка, кишечника и заключается в гидролитическом отщеплении пептидного фрагмента, что приводит к изменению пространственной конфигурации фермента и формированию активного цента фермента.Активаторы могут быть разными: соляная кислота (для образования пепсина из пепсиногена); желчные кислоты для панкреатической липазы, ферменты(энтерокиназа для образования трипсина из трипсиногена, трипсин для превращения химотрипсиногена в химотрипсин).Активация ионамиОна осуществляется несколькими путями:А) ион образует комплекс с субстратом, способный связываться с активным центром фермента. Например, с киназами связывается комплекс АТФ-Mg2+, а не АТФ.Б) ионы могут взаимодействовать и с ферментом, входя в их активные центры и тем самым обусловливая определенную конформацию фермента, наиболее оптимальную для формирования фермент-субстратного комплекса.Примерами ионов являются ионы K, Na, Mg, Ca, Fe, Zn, Mn, Cu.Иногда активация может быть вызвана несколькими ионами: пептидогидролазы → Mn, Co, Ni, Zn.Кроме того, одни и те же ионы, но в разных концентрациях, могут быть либо активаторами, либо ингибиторами для одних и тех же или разных ферментов. Так, Zn является активатором глициллейцинопептидазы, но ингибитором КФК (креатинфосфокиназы).Ковалентная модификация (фосфорилирование – дефосфорилирование)Активность некоторых ферментов может отличаться в фосфорилированной либо в дефосфорилированной формах. Так, липаза жировой ткани активна в дефосфорилированной форме, но неактивна в фосфорилированной.
Регуляция с помощью белков-модуляторов или путем ассоциации и диссоциации субъединицРассмотрим данный вид регуляции на примере фермента протеинкиназы А.В активной форме этот фермент состоит из одной субъединицы – субъединицы С (каталитической). В неактивном виде фермент представляет собой тетрамер, состоящий их двух субъединиц С и двух субъединиц R (регуляторных или белков-модуляторов) - C2R2, в котором регуляторные субъединицы экранируют активный центр фермента.Активация фермента происходит с помощью низкомолекулярного эффектора цАМФ, образование которого находится под контролем соответствующих гормонов.После связывания цАМФ с белком R конформация фермента изменяется таким образом, что теряется сродство субъединицы R к субъединице С, что вызывает диссоциацию тетрамера и образование активной протеинкиназы А:C2R2 + 4 цАМФ ↔ 2 С + 2 (R-2цАМФ)Реакция является обратимой, и ее направление зависит от концентрации цАМФ.Ингибирование ферментовИнгибиторы – это вещества, специфически и обычно в небольших количествах взаимодействующие с ферментами и, таким образом, уменьшающие скорость ферментативных реакций.В зависимости от механизма торможения их можно разделить на необратимые и обратимые.Необратимое ингибированиеНеобратимые ингибиторы связываются с активным центром фермента, при этом образуется комплекс фермент-ингибитор: E + I → EIНеобратимое ингибирование характеризуется образованием прочного фермент-ингибиторного комплекса за счет формирования ковалентных связей с функциональными группами ферментов, участвующими в катализе. Комплекс фермент – ингибитор не распадается на фермент и продукт и не диссоциирует на фермент и ингибитор. Обратимое ингибированиеОбратимое ингибирование описывается уравнением: E + I ↔ EIОно бывает двух типов:а) конкурентнымб) неконкурентнымВ случае конкурентного ингибирования ингибитор взаимодействует с теми же функциональными группами фермента, что и субстрат.При неконкурентном ингибировании ингибитор взаимодействует с другими, по сравнению с субстратом, функциональными группами фермента.
Конкурентное ингибированиеСтруктура конкурентного ингибитора похожа на структуру субстрата.Это позволяет ингибитору связываться с АЦ фермента. В присутствии конкурентного ингибитора ферментативная реакция протекает следующим образом:В присутствии конкурентного ингибитора константа Михаэлиса для фермента повышается, то есть сродство фермента к субстрату падает, так как конкурентный ингибитор связывается с теми же участками АЦ, что и сам фермент. Максимальная скорость реакции достигнута может быть, но при более высокой концентрации субстрата.Неконкурентное ингибированиеЭто разновидность обратимого торможения, при котором ингибитор связывается с ферментом не в его АЦ, то есть ингибитор связывается не с теми же функциональными группами фермента, с которыми связывается субстрат. В итоге изменяется конформация фермента, и нарушается обычное взаимодействие активного центра фермента с субстратом. При этом сродство фермента к субстрату, или константа Михаэлиса фермента, не меняется.Ингибитор может реагировать и со свободным ферментом, и с фермент-субстратным комплексомВ отличие от конкурентных, действие неконкурентных ингибиторов не снимается добавлением субстрата.Неконкурентные ингибиторы удаляют с помощью диализа, гель-фильтрации или добавлением реактиваторов – веществ, которые вытесняют данный ингибитор из фермент-ингибиторного комплекса.Аллостерическая регуляцияАллостерическая регуляцияВиды аллостерической регуляции1. Аллостерическое ингибирование по принципу обратной связи (ретроингибирование)3. Аллостерическая активация предшественником2. Аллостерическая перекрестная регуляция (сочетание ингибирования и активации) Примером аллостерического ингибирования является физиологическая регуляция метаболических процессов по принципу отрицательной обратной связи, благодаря чему предотвращается избыточное накопление продуктов реакции.ИзоферментыИзоферменты – это ферменты, катализирующие одну и ту же химическую реакцию, но незначительно отличающиеся друг от друга по структуре и физико-химическим свойствам. Различия задаются на генетическом уровне.
Примеры. Гексокиназа (полиорганная локализация) и глюкокиназа (фермент печени).Лактатдегидрогеназа (ЛДГ) – тетрамер, имеющий протомеры двух типов: Н (heart-сердце) и М (muscle-мышца). Имеется пять изоферментов ЛДГ:Н4 –(ЛДГ1) – маркер сердечной мышцы, М4 (ЛДГ5) – маркер скелетных мышц,Изоферменты Н3М1 (ЛДГ2), Н2М2 (ЛДГ3) и Н1М3 (ЛДГ4) представлены в других органах. Обозначения ЛДГ1, ЛДГ2, ЛДГ3, ЛДГ4 и ЛДГ5 отражают различную подвижность данных изоферментов под действием электрического поля: она максимальна у ЛДГ1 и минимальна у ЛДГ5.Определение активности того или иного изофермента очень важно для выявления повреждения соответствующего органа или ткани. По этой причине изоферменты являются маркерными, или индикаторными, ферментами.Применение ферментов в медицинеВ медицине ферменты используются в следующих целях:1) для диагностики заболеваний и контроля за лечением;2) в качестве лекарственных препаратов;3) в качестве аналитических реактивов.Применение ферментов в клинической лабораторной диагностикеВ норме в крови человека всегда содержится большой набор ферментов. Любые, дажемалейшие, скрытые, не проявляющиеся клинически в виде жалоб пациента, нарушениясостояния здоровья всегда будут сопровождаться изменением количественного и/иликачественного состава ферментов крови. Именно поэтому при профилактических осмотрах и впротоколах обследования больных обязательным считается анализ активности ферментовплазмы крови.План обследования, каких именно ферментов у конкретного пациента составляет лечащийврач. Он основывается на знаниях метаболизма и на своих предположениях о возможныхпричинах нарушения состояния здоровья.Следует помнить, что все ферменты плазмы крови разделяют на:а) внутриклеточные (лактатдегидрогеназа, липаза, амилаза, кислая фосфатаза,креатинфосфокиназа, аминотрансферазы);б) секреторные (образуются главным образом в печени и секретируются в кровь(сывороточная холинэстераза, ферменты свертывающей системы крови);в) экскреторные (лейцинаминопептидаза и щелочная фосфатаза