Білети з біологічної хімії (пмк 2) Введення в біохімію. Біохімічні компоненти клітин
 Скачать 0.76 Mb.
|
|
5. Коферменти: типи реакцій, які каталізують окремі класи коферментів. Коферменти (коензими) — біоорганічні сполуки небілкової природи, що є необхідними для дії ферменту, тобто перетворення субстрату в каталітичному акті. Вони можуть сполучатися з білковою частиною (апоферментом) нековалентними фізико-хімічними або ковалентними зв'язками (в останньому випадку вони є простетичними групами ферментного білка – флавінові коферменти, піридоксаль-фосфат, ліпоєва кислота тощо); інколи коферменти утворюють комплекси з апоферментом лише в ході каталітичного процесу (НАД, НАДФ). За типом реакції,яку каталізують коферменти,їх поділяють на: 1) Коферменти,що є переносниками атомів водню та електронів (НАД, НАДФ, ФМН, коензим Q, глутатіон, гемінова коферменти); 2) Коферменти,що є перенесониками різних хімічних груп (АТФ, АДФ, УТФ, УДФ, ЦТФ, ЦДФ, піридоксалеві коферменти – піридоксальфосфат, піридоксамінфосфат, коензим ацилювання (КоА, КоА-SH), тетрагідрофолієва кислота (ТГФК), ліпоєва кислота); 3) Коферменти синтезу,ізомеризації та розщеплення вуглець-вуглецевих звязків (тіаміндифосфат (ТДФ), кобамідні коферменти – метилкобаламін, 5-дезоксиаденозилкаболамін, карбоксибіотин). 6. Ізоферменти, особливості будови та функціонування, значення в діагностиці захворювань. Ізоферменти (ізоензими; ізозими) – множинні молекулярні форми одного й того ж ферменту та вони каталізують одну й ту ж біохімічну реакцію, але розрізняються за своєю первинною структурою і, відповідно, фізико-хімічними (молекулярною масою, рухомістю при електрофорезі тощо) та каталітичними (різною спорідненістю ферменту із субстратом - Кm ) властивостями. Різні ізоферменти одного й того ж ферменту можуть бути присутні в різних органах і тканинах (ізоферменти лактатдегідрогенази), субклітинних структурах (мітохондріальний та цитозольний ізоферменти ізоцитратдегідрогенази). В разі, якщо фермент, що представлений ізоферментними формами, має олігомерну будову, його ізоферменти формуються за рахунок різних комбінацій неідентичних протомерів. Прикладом такого ізоферментного сімейства можуть бути ізоферменти лактатдегідрогенази (ЛДГ) – ферменту, що каталізує оборотну реакцію перетворення піровиноградної кислоти в молочну. За своєю молекулярною будовою ЛДГ є тетрамером, що побудований із протомерів двох типів: Н (серцевого - heart, англ.) та М (м'язового - muscle). В організмі людини присутні п'ять комбінацій зазначених протомерів, які створюють різні ізоферменти ЛДГ: ЛДГ1 (Н4), ЛДГ2 (Н3М1), ЛДГ3 (Н2М2), ЛДГ4 (Н1М3) та ЛДГ5 (М4). Вони розподілені переважно в різних органах (міокарді, печінці, скелетних м'язах, нирках тощо). Ці ізоферменти розрізняються за своєю електрофоретичною рухомістю і їх визначення в плазмі крові має діагностичне значення для виявлення пошкоджень мембранних структур клітин, що спостерігаються при різних захворюваннях. Зокрема, при інфаркті міокарда збільшується концентрація в плазмі ізоферменту ЛДГ1, а при інфекційному та токсичному гепатиті - ізоформ ЛДГ4 та ЛДГ5, характерних для клітин печінки. 7. Механізми дії та кінетика ферментативних реакцій: залежність швидкості реакції від концентрації субстрату, рН та температури. Залежність швидкості реакції від концентрації ферменту та субстрату. Швидкість ферментативної реакції буде прямо пропорційно залежати від концентрації ферменту, а саме: V = k [E], тобто збільшення в клітині рівня певного ферментного білка повинно супроводжуватися зростанням швидкості реакції, що каталізується цим ферментом. Складнішою є залежність швидкості ферментативної реакції від концентрації субстрату. Графічно ця залежність зображується гіперболою. Як видно з ходу гіперболи, ця залежність має складний характер: при низьких концентраціях субстрату швидкість реакції прямо пропорційна його концентрації (реакція першого порядку), а при високих концентраціях досягається ефект насичення, тобто незалежність V від [S]. Рівняння залежності V від [S], або рівняння Міхаеліса - Ментен: залежність швидкості реакції від рН та температури. Кожен фермент має свій рН-оптимум, тобто значення рН середовища, при якому його каталітична активність максимальна. "Дзвоноподібна" залежність активностей ферментів від змін рН визначається їх білковою природою, зсувами в дисоціації іоногенних груп та (при екстремальних значеннях рН) розвитком конформаційних змін молекул. Більшість внутрішньоклітинних та тканинних ферментів організму людини найактивніші в нейтральному, слаболужному або слабокислому середовищі (зазвичай у межах рН між 5,0 та 9,0). Ферментами з оптимумами при екстремальних значеннях рН є пепсин (рН = 1-2) і аргіназа (рН = 10-11). Вплив температури на активність ферментів. Ферменти, відповідно до своєї білкової природи, є термочутливими та термолабільними утвореннями: - зростання температури до оптимальних значень (для більшості ферментів - у межах 37-40 °С) супроводжується збільшенням швидкості ферментативної реакції відповідно за рівнянням Арреніуса (за рахунок частіших ефективних зіткнень між молекулами); ступінь збільшення швидкості реакції при зростанні t на 10 °С позначають як температурний коефіцієнт Q10; - при збільшенні температури вище оптимального значення швидкість ферментативної реакції різко зменшується за рахунок конформаційних (денатураційних) змін у структурі ферментного білка. 8. Активатори та інгібітори ферментів: приклади та механізми дії. Активатори ферментів – речовини, які підвищують активність ферментів, їхня присутність вкрай важлива для ферменту. До активаторів належать кофактори, іони металів, різноманітні модифікатори тощо. Субстрат у певних межах концентрацій є активатором - після досягнення насичених концентрацій субстрату активність ферменту не зростає. Субстрат полегшує формування потрібної конформації активного центру ферменту (індукція), підвищує його стабільність. Досить часто роль активаторів виконують іони металів: вони можуть входити до складу каталітичної ділянки активного центру ферменту; сприяти зв'язуванню субстрату з посадочною ділянкою ферменту (зв'язуючий місток); іноді метали можуть сполучатися не з ферментом, а із субстратом, утворюючи металосубстратний комплекс, на який краще діє фермент; вони можуть діяти непрямим шляхом, зв'язуючи присутній інгібітор тощо. Активація деяких ферментів може здійснюватися шляхом приєднання до алостеричного центру ферменту якої-небудь специфічної модифікуючої групи, що сприяє змінюванню конформації ферменту і його активного центру. Прикладами можуть бути іони хлору, які є активаторами амілази слини; іони водню, які підвищують активність пепсину; жовчні кислоти, які посилюють дію ліпази підшлункової залози; лужна фосфатаза може активуватися катіонами. Активація деяких ферментів (особливо тих, що виробляються в шлунково-кишковому тракті) може відбуватися протеолітичним шляхом. Спочатку ферменти виробляються в неактивній формі у вигляді проферментів або зимогенів (попередників ферментів), у яких активний центр замаскований додатковою ділянкою пептидного ланцюга. Внаслідок цього субстрат не може з'єднатися з активним центром. Видалення такої додаткової ділянки може відбуватися різними шляхами і сприяє звільненню активного центру та можливості утворення фермент-субстратного комплексу. Наприклад, проферментом пепсину є пепсиноген, який виробляється в стінках шлунка. Відщеплення від його молекули невеликого пептидного ланцюга за участю соляної кислоти в шлунку призводить до утворення пепсину і формування його активного центру. Профермент трипсиноген утворюється в підшлунковій залозі, до складу його поліпептидного ланцюга входить 229 амінокислотних залишків. У дванадцятипалій кишці під впливом ферменту ентерокінази розривається пептидний зв'язок між 6 і 7 амінокислотними залишками і відщеплюється гек-сапептид. Після відщеплення гексапептиду створюються умови, які сприяють утворенню активного центру ферменту, і трипсиноген перетворюється в трипсин. Цей же процес може здійснюватися аутокаталітично, тобто під впливом уже утворених трипсину і пепсину - у випадку пепсиногену. Інгібітори ферментів – хімічні сполуки, що зменшують каталітичну активність ферментів. Навідміну від речовин, які інактивують ферменти за рахунок їх денатурації (концентровані кислоти та луги, солі важких металів у високих концентраціях), дія інгібіторів є специфічною стосовно певних ферментів або груп ферментів, вони мають низьку концентрацію. За допомогою інгібіторів отримують цінну інформацію про специфічність дії ферментів, природу функціональних груп їх активних центрів, про механізм дії і т. ін. 9. Типи інгібірування ферментів: зворотнє (конкурентне, неконкурентне) та незворотнє інгібування. Інгібування ферментативної активності – це зниження каталітичної активності в присутності певних речовин – інгібіторів. До інгібіторів відносять речовини, що викликають зниження активності ферменту. Потрібно зазначити, що всі денатуруючі агенти також викликають зменшення швидкості будь-якої ферментативної реакції, внаслідок неспецифічної денатурації білкової молекули, тому денатуруючі агенти до інгібіторів не відносять. Інгібітори здатні взаємодіяти з ферментами з різним ступенем міцності. На основі цього розрізняють зворотне і незворотне інгібування. За механізмом дії інгібітори поділяють на конкурентні й неконкурентні. До конкурентного інгібування відносять зворотне зниження швидкості ферментативної реакції, викликане інгібітором, що зв’язався з активним центром ферменту й перешкоджає утворенню ферментсубстратного комплексу. В результаті даного типу інгібування виникає конкуренція молекул субстрату та інгібітора за місце зв’язування в активному центрі ферменту. В такому випадку з ферментом взаємодіє або субстрат, або інгібітор, утворюючи комплекси фермент – субстрат (ES) або фермент – інгібітор (ЕІ), рівняння: E + S ↔ ES → E + P E + I ↔ EI Класичний приклад конкурентного інгібування – інгібування сукцинат-дегідрогеназної реакції малоновою кислотою , в р-ті якого відщеплення двох атомів водню від малонової кислоти є неможливим; отже, швидкість реакції знижується. Четвертинні амонієві основи інгібують ацетилхолінестеразу, що каталізує реакцію гідролізу ацетилхоліну на холін і оцтову кислоту. В якості лікарських препаратів використовують наступні антиметаболіти: сульфаніламідні препарати (аналоги параамінобензойної кислоти), що застосовується для лікування інфекційних хвороб, аналоги нуклеотидів для лікування онкологічних захворювань. Неконкурентним називають таке інгібування ферментативної реакції, при якому інгібітор взаємодіє з ферментом у ділянці, відмінній від активного центру та вони не є структурними аналогами субстратів. Приєднання неконкурентного інгібітора викликає зміну конформації молекули таким чином, що порушується взаємодія субстрату з активним центром ферменту, що призводить до зниження швидкості ферментативної реакції. Незворотне інгібування спостерігають у випадку утворення ковалентних стабільних зв’язків між молекулою інгібітора й ферменту. Найчастіше модифікації зазнає активний центр ферменту. В результаті фермент не може виконувати каталітичну функцію. До незворотних інгібіторів належать іони важких металів, наприклад ртуті (Hg2+), срібла (Ag2+) і миш’яку (As3+), які в маленьких концентраціях блокують сульфгідрильні групи активного центру. Субстрат при цьому не може піддаватися хімічному перетворенню (рис. 26). За наявності реактиваторів ферментативна функція відновлюється. У великих концентраціях іони важких металів викликають денатурацію білкової молекули ферменту, тобто призводять до повної інактивації ферменту. 10. Регуляція ферментативних процесів. Шляхи та механізми регуляції: алостеричні ферменти; ковалентна модифікація ферментів. Основні принципи регуляції швидкості біохімічних ферментативних реакцій: 1) через зміну каталітичної активності ферменту – передбачає наявність у ферментному пулі клітини спеціальних регуляторних ферментів, які містяться звичайно на головних, ключових ланках метаболізму. 2) через зміну кількості ферменту (або ферментів), що визначають перебіг ферментативного процесу – є механізмом довготривалої адаптації ферментного апарату. Різновиди регуляції через зміну каталітичної активності ферменту:
11. Циклічні нуклеотиди (цАМФ, цГМФ) як регулятори ферментативних реакцій та біологічних функцій клітини. Важливою та поширеною біологічною системою контролю за ферментативними реакціями, що поєднує в собі різні молекулярні механізми регуляції, є система циклічних нуклеотидів. Циклічні нуклеотиди 3',5'-АМФ (цАМФ) та 3',5' ГМФ (цГМФ) - це внутрішні 3'5' дифосфорні ефіри аденілової (АМФ) та гуанілової (ГМФ) кислот. Найбільш поширеними є цАМФ-залежні системи контролю за внутрішньоклітинними біохімічними процесами, зокрема за такими, що підлягають нейрогуморальній регуляції з боку цілісного організму, яка реалізується гормонами та нейромедіаторами. Регуляція ферментативних процесів за участю цАМФ включає декілька послідовних стадій передавання і трансформації хімічного (регуляторного) сигналу. 1. Утворення циклічних нуклеотидів у реакціях, що каталізуються ферментами циклазами: аденілатциклазою та гуанілатциклазою з нуклеозидтрифосфатів АТФ та ГТФ, відповідно: Розщеплення цАМФ та цГМФ до звичайних, нециклічних нуклеозидмонофосфатів каталізується фосфодіестеразою циклічних нуклеотидів. Фермент аденілатциклаза розміщений у плазматичних мембранах клітин і його активація відбувається в результаті взаємодії з рецепторами мембран певних фізіологічно активних сполук, зокрема гормонів адреналіну, глюкагону тощо. 2. Активація циклічним АМФ протеїнкіназ, функцією яких є фосфорилування інших ферментних білків. Ці цАМФ-залежні протеїнкінази є регуляторними ферментами, що активуються цАМФ за механізмом алостеричного контролю. 12. Ензимопатії – уроджені (спадкові) вади метаболізму вуглеводів, амінокислот, порфіринів, пуринів. Ензимопатії виникають унаслідок змін у генетичному коді синтезу ферментів. Причинами ферментативних дефектів можуть бути: аномальна структура ДНК, порушення перенесення генетичного коду від ДНК до РНК, змінена структура РНК і порушення в передачі інформації від РНК до рибосом. Крім того, причиною метаболічних розладів можуть бути генетично зумовлені порушення співвідношення природних активаторів та інгібіторів ферментів. Причиною спадкових ензимопатій є мутації, що виявляються характерними змінами в активності відповідних ферментів. При цьому ферментативна активність відсутня або знижена, або (дуже рідко) підвищена. Можуть з’являтися патологічні ферменти, які в нормі не трапляються. 1. Галактоземії (дефіцит галактозо-1-фосфатуридилтрансферази, або галактокінази). При цій патології відбувається накопичення в крові й тканинах галактозо-1-фосфату, вільної галактози та спирту дульциту продукту відновлення галактози. Високий їх уміст діє токсично, у немовлят після споживання молока спостерігають блювання й пронос, збільшується печінка, розвивається катаракта, затримується розумовий розвиток. 2. Фруктоземії (дефіцит фруктозодифосфатальдолази, або фруктокінази). Генетичний дефект альдолази фруктозо-1-фосфату зумовлює істотні порушення в обміні вуглеводів, гіпоглікемію, ураження печінки. 3. Глікогенози
|