Биохимия. Полный набор лекций. Нейромедиаторов
 Скачать 18.11 Mb.
|
|
Зависимостьскорости реакции от концентрации субстрата При увеличении концентрации субстрата скорость реакции сначала возрастает www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии соответственно подключению к реакции новых молекул фермента, затем наблюдается эффект насыщения, когда все молекулы фермента взаимодействуют с молекулами субстрата. При дальнейшем увеличении концентрации субстрата между его молекулами возникает конкуренция за активный центр фермент и скорость реакции снижается. 4. Зависимость от концентрации фермента При увеличении количества молекул фермента скорость реакции возрастает непрерывно и прямо пропорционально количеству фермента, т.к. большее количество молекул фермента производит большее число молекул продукта. СПЕЦИФИЧНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ Специфичность основана на комплементарности структуры субстрата и активного центра фермента. 1. Стереоспецифичность – катализ только одного из стереоизомеров, например специфичность кили аминокислотам – например, почти все ферменты человека взаимодействуют с аминокислотами, специфичность к цис- и транс-изомерам. Например, аспартаза реагирует только с транс-изомером – фумаровой кислотой, ноне с малеатом (цис-изомер), 2. Абсолютная специфичность – фермент производит катализ только одного вещества. Например, расщепление мочевины уреазой. 3. Групповаяспецифичность – катализ субстратов с общими структурными особенностями, те. при наличии определенной связи или химической группы наличие пептидной связи, например, • бактериальный фермент субтилизин специфичен к пептидной связи независимо от строения образующих ее аминокислот, • пепсин катализирует разрыв пептидной свя- Ферменты, свойства, классификация, регуляция активности 56 зи, образованной карбоксильными группами ароматических аминокислот (см "Внешний обмен белков, • тромбин расщепляет пептидную связь только между аргинином и глицином. наличие ОН-группы, например алкогольдегидрогеназа окисляет до альдегидов одноатомные спирты (этанол, метанол, пропанол. 4. Относительная групповаяспецифичность – превращение субстратов с некоторыми общими признаками. Например, цитохром Р окисляет только гидрофобные вещества, которых насчитывается около 7000. МЕХАНИЗМЫ СПЕЦИФИЧНОСТИ В общем виде все сводится к комплементарному взаимодействию фермента и субстрата. При этом функциональные группы субстрата взаимодействуют с соответствующими им функциональными группами фермента. Наличие субстратной специфичности объясняют две гипотезы 1. Гипотеза Фишера (модель "жесткой матрицы, "ключ-замок") – активный центр фермента строго соответствует конфигурации субстрата и не изменяется при его присоединении. Эта модель хорошо объясняет абсолютную специфичность, ноне групповую. 2. Гипотеза Кошланда (модель "индуцированного соответствия, "рука-перчатка") – подразумевает гибкость активного центра. Присоединение субстрата к якорному участку фермента вызывает изменение конфигурации каталитического центра таким образом, чтобы его форма соответствовала форме субстрата. РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ Активность ферментов в клетке непостоянна во времени. Она чутко реагирует на ситуацию, в которой оказывается клетка, на факторы, воздействующие на клетку как снаружи, таки изнутри. Главная цель этой реакции – отреагировать на изменение окружающей среды, приспособить клетку к новым условиям, дать должный ответ на гормональные и иные стимулы, а в некоторых ситуациях – получить шанс выжить. www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии 57 1. Доступность субстрата или кофермента. Здесь работает закон действия масс – фундаментальный закон химической кинетики при постоянной температуре скорость химической реакции пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ. Или упрощенно скорость, с которой вещества реагируют друг с другом, зависит от их концентрации. Таким образом, изменение количества хотя бы одного из субстратов прекращает или начинает реакцию. Например, для цикла трикарбоновых кислот таким субстратом является оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота. 2. Компартментализация. Компартментализация – это сосредоточение ферментов и их субстратов водном компар- тменте (одной органелле) – в эндоплазматическом ретикулуме, митохондриях, лизосомах. Например, окисление жирных кислот протекает в митохондриях, синтез белка – в рибосомах. Изменение количества фермента. Изменение количества фермента может происходить в результате увеличения или снижения его синтеза. Изменение скорости синтеза фермента обычно зависит от количества определенных гормонов или субстратов реакции, например исчезновение пищеварительных ферментов при длительном голодании и их появление в восстановительный период (в результате изменения секреции кишечных гормонов, при беременности и после родов в молочной железе активно идет синтез фермента лактозосинтазы под воздействием лактотропного гормона, гормоны глюкокортикоиды стимулируют синтез ферментов глюконеогенеза, что обеспечивает стабильность концентрации глюкозы в крови и устойчивость ЦНС к стрессу, этанол, барбитураты стимулируют синтез "своего" изофермента цитохрома Р в печени, который обезвреживает спирт. 4. Ограниченный (частичный) протеолиз проферментов Т.к. синтез некоторых ферментов осуществляется в виде более крупного предшественника (трипсиноген, пепсиноген, прокарбоксипептидазы, факторы свертывания крови, то при поступлении в нужное место этот фермент активируется через отщепление от него одного или нескольких пептидных фрагментов. Ферменты, свойства, классификация, регуляция активности. Аллостерическая регуляция. Аллостерические ферменты построены из двух и более субъединиц одни субъединицы содержат каталитический центр, другие являются регуляторными. Присоединение эффектора к аллостерической (регуляторной) субъединице изменяет конформацию белка и активность каталитической субъединицы. Аллостерические ферменты обычно стоят вначале метаболических путей, и от их активности зависит течение многих последующих реакций. Поэтому они часто называются ключевыми ферментами. В качестве отрицательного регулятора может выступать конечный метаболит биохимического процесса, продукт данной реакции, те работать механизм обратной отрицательной связи. Если регуляторами являются начальный метаболит или субстрат реакции, то говорят о прямой положительной регуляции. Также регулятором могут быть метаболиты взаимосвязанного пути. Например, фермент энергетического распада глюкозы, фосфофруктокиназа, регулируется промежуточными и конечными продуктами этого распада. При этом АТФ, лимонная кислота, фруктозо-1,6-дифосфат являются ингибиторами, а фруктозо-6- фосфат и АМФ – активаторами фермента. 6. Белок-белковое взаимодействие. Термин белок-белковое взаимодействие обозначает ситуацию, когда в качестве регулятора выступают не метаболиты биохимических процессов, а специфичные белки. Влияние каких-либо факторов на эти белки изменяет их активность, и они, в свою очередь, воздействуют на нужный фермент. К примеру, мембранный фермент аденилатциклаза является чувствительным к воздействию мембранного белка, который сам активируется при действии на клетку некоторых гормонов (например, адреналина и глюкагона). www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии Другим примером белок-белкового взаимодействия может быть регуляция активности протеинкиназы А. Протеинкиназа А является тетрамерным ферментом, состоящим из 2 каталитических Си регуляторных (R) субъединиц. Активатором для протеинкиназы А является цАМФ. Присоединение цАМФ к регуляторным субъединицам фермента вызывает их отхождение от каталитических субъединиц. Каталитические субъединицы при этом активируются. Ковалентная (химическая) модификация. Ковалентная модификация заключается в обратимом присоединении или отщеплении определенной группы, благодаря чему изменяется активность фермента. Чаще всего такой группой является фосфорная кислота, реже метильные и ацетильные группы. Фосфорилирование фермента происходит по остаткам серина, треонина, тирозина. Присоединение фосфорной кислоты к белку осуществляют ферменты протеинкиназы, отщепление – протеин- фосфатазы. Ферменты, свойства, классификация, регуляция активности 60 Ферменты могут быть активны как в фосфорилированном, таки в дефосфорилирован- ном состоянии. Например, ферменты гликогенфосфорилаза и гликогенсинтаза при потребности организма в глюкозе фосфорилируются, при этом фосфорилаза гликогена становится активной и начинает расщепление гликогена, а гликогенсинтаза неактивна. При необходимости синтеза гликогена оба фермента дефосфорилируются, синтаза при этом становится активной, фосфорилаза – неактивной. ИНГИБИРОВАНИЕ ФЕРМЕНТОВ В медицине активно разрабатываются и используются соединения, изменяющие активность ферментов с целью регуляции скорости метаболических реакций и уменьшения синтеза определенных веществ в организме. Подавление активности ферментов обычно называют ингибированием, однако это не всегда корректно. Ингибитор – это вещество, вызывающее специфичное снижение активности фермента. Таким образом, неорганические кислоты и тяжелые металлы ингибиторами не являются, а являются инактиваторами, т.к. снижают активность любых ферментов, те. неспецифично 1. По прочности связывания фермента с ингибитором ингибирование бывает обратимыми необратимым. 2. По отношению ингибитора к активному центру фермента ингибирование делят на конкурентное и неконкурентное. НЕОБРАТИМОЕ ИНГИБИРОВАНИЕ bПри необратимом ингибировании происходит связывание или разрушение функциональных групп фермента, необходимых для проявления его активности. Например, вещество диизопропилфторфосфат прочно и необратимо связывается с гидроксигруппой серина в активном центре ацетилхолинэстеразы, гидролизующей ацетилхолин в нервных синапсах. Ингибирование этого фермента предотвращает распад ацетилхолина в синаптической щели, в результате чего отсутствует дальнейшая передача сигнала по нерву. www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии Еще один пример связан с ингибированием ацетилсалициловой кислотой (аспирином) ключевого фермента синтеза простагландинов – циклооксигеназы. Эта кислота входит в состав противовоспалительных средств и используется при воспалительных заболеваниях и лихорадочных состояниях. Присоединение ацетильной группы к аминогруппе в активном центре фермента вызывает инактивацию последнего и прекращение синтеза простагландинов. КОНКУРЕНТНОЕ ИНГИБИРОВАНИЕ bПри таком виде ингибирования ингибитор по своей структуре похож на субстрат фермента. Поэтому он соперничает с субстратом за активный центр, что приводит к уменьшению связывания субстрата с ферментом и нарушению катализа. В этом состоит особенность конкурентного ингибирования – возможность усилить или ослабить ингибирование через изменение концентрации субстрата. Например 1. Конкурентное взаимодействие этанола и метанола за активный центр алкогольде- гидрогеназы 2. Ингибирование сукцинатдегидрогеназы малоновой кислотой, структура которой схожа со структурой субстрата этого фермента – янтарной кислоты (сукцината). 3. Также к конкурентным ингибиторам относят антиметаболиты или псевдосубстраты, например, антибактериальные средства сульфаниламиды, схожие по структуре с п-аминобензойной кислотой, компонентом фолиевой кислоты. При лечении сульфанила- Ферменты, свойства, классификация, регуляция активности 62 мидами в бактериальной клетке конкурентно нарушается использование п-аминобензойной кислоты для синтеза дигидрофолиевой кислоты, что и вызывает лечебный эффект. НЕ КОНКУРЕНТНОЕ ИНГИБИРОВАНИЕ bДанный вид ингибирования связан с присоединением ингибитора не в активном центре, а в другом месте молекулы. Это может быть аллостерическое ингибирование, когда активность фермента снижается естественными модуляторами (см выше, или связывание с ферментом каких-либо токсинов. Например, синильная кислота (цианиды) связывается с гемовым железом ферментов дыхательной цепи и блокирует клеточное дыхание. ЭНЗИМ ОПА ТОЛ О Г И И Энзимопатологии (энзимопатии) – состояния, связанные с патологическим изменением активности ферментов. Наиболее часто встречается снижение активности и нарушение ка- ких-либо метаболических процессов. В результате энзимопатклиническое значение может иметь накопление субстрата реакции (как при фенилкетонурии) или недостаток продукта при альбинизме) или обе особенности одновременно (гликогенозы). По характеру нарушения выделяют первичные и вторичные энзимопатии. Первичные (наследственные) энзимопатии связаны с генетическим дефектом и наследственным снижением активности. Например, фенилкетонурия связана с дефектом фе- нилаланин-4-монооксигеназы , которая превращает фенилаланин в тирозин. В результате накапливаются аномальные метаболиты фенилаланина, оказывающие сильный токсический эффект (см "Обмен фенилаланина. Заболевание подагра связано с дефектом ферментов метаболизма пуриновых оснований и накоплением мочевой кислоты. Кроме указанных, распространенными первичными энзимопатиями являются галактоземия, недостаточность лактазы и сахаразы, гликогенозы, наследственные гипераммо- ниемии , различные липидозы. Вторичные (приобретенные) энзимопатии возникают как следствие заболеваний органов, вирусных инфекций и т.п., что приводит к нарушению синтеза фермента или условий его работы, например, гипераммониемия при заболеваниях печени, при которых ухудшается синтез мочевины ив крови накапливается аммиак. Другим примером может служить недостаточность ферментов желудочно-кишечного тракта при заболеваниях желудка, поджелудочной железы или желчного пузыря. Недостаток витаминов и их коферментных форм также является причиной приобретенных ферментопатий. www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФЕРМЕНТОВ И ИХ ИНГИБИТОРОВ В МЕДИЦИНЕ Использование ферментов в медицине происходит потрем направлениям o энзимодиагностика, o энзимотерапия, использование ферментов в медицинских технологиях и промышленности. Также активно нашло применение использование ингибиторов ферментов. ЭНЗИМ ОД И АГНОСТИКА – это исследование активности ферментов плазмы крови, мочи, слюны с целью диагностики тех или иных заболеваний. Примером может служить фермент лактатдегидрогеназа , определение его активности в плазме крови необходимо при заболеваниях сердца, печени, скелетной мускулатуры. Увеличение активности амилазы в плазме крови и моче наблюдается при воспалительных процессах в поджелудочной и слюнных железах. Инфаркт миокарда сопровождается увеличением активности лактатдегидрогеназы, креатинкиназы , аспартатаминотрансферазы. ЭНЗИМ ОТЕР А ПИ Я Энзимотерапия – это использование ферментов в качестве лекарственных средств. Самыми распространенными ферментативными препаратами являются комплексы ферментов желудочно-кишечного тракта (Фестал, Панзинорм форте, Мезим форте, Энзи- стали т.п.), используемые для заместительной терапии при нарушениях переваривания веществ в желудочно-кишечном тракте. Тканевой фермент гиалуронидаза используется организмом для обратимого изменения проницаемости межклеточного вещества. Лекарственную форму гиалуронидазы – лида- зу – вводят для размягчения рубцов, появления подвижности в суставах, рассасывания гематом. Цитохром с – фермент, участвующий в процессах тканевого дыхания. Его используют при асфиксии новорожденных, астматических состояниях, сердечной недостаточности, различных видах гепатита и т.п. Рибонуклеаза и дезоксирибонуклеаза входят в состав глазных капель и используются при вирусных конъюнктивитах. При нанесении на рану они разжижают гной, при ингаляциях уменьшают вязкость слизи, деполимеризуя нуклеиновые кислоты в мокроте. Трипсин используют при бронхолегочных заболеваниях для разжижения густой и вязкой мокроты. Фицин используется в фармацевтической промышленности в качестве добавки к зубным пастам для удаления зубного налета. Коллагеназу применяют для ускорения отторжения некротизированных тканей, для очистки трофических язв. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФЕРМЕНТОВ В МЕДИЦИНСКИХ ТЕХНОЛОГИЯ ХА. Специфичность ферментов к определенным субстратам широко используется в настоящее время в лабораторной диагностике. многие лабораторные методы основаны на взаимодействии добавляемого извне фермента с определяемым соединением. В результате возникает специфичный продукт Ферменты, свойства, классификация, регуляция активности 64 реакции, после определения содержания последнего судят о концентрации искомого вещества (глюкозооксидазный, холестеролоксидазный методы, o иммуноферментные методы, основанные на образовании тройного комплекса фер- мент-антиген-антитело. Определяемое вещество не является субстратом фермента, но является антигеном. Фермент может присоединять этот антиген вблизи от активного центра. Если в среде есть антиген, то при добавлении антител и формировании тройного комплекса активность фермента изменяется. Активность фермента измеряют любым способом. Б. В промышленности ферменты используются в различных отраслях o глюкозооксидаза в сочетании с каталазой применяется для удаления кислорода из сухого молока, кофе, пива, майонезов, лимонных, апельсиновых и виноградных соков, лекарственных препаратов, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНГИБИТОРОВ ФЕРМЕНТОВ bВесьма широко используются в настоящее время ингибиторы протеаз (контрикал, гордокс) при панкреатитах – состояниях, когда происходит активирование пищеварительных ферментов в протоках и клетках поджелудочной железы. Ингибиторы холинэстеразы (физостигмин, прозерин) приводят к накоплению нейро- медиатора ацетилхолина в синапсах и используются при миастении, двигательных и чувствительных нарушениях при невритах, радикулитах, психогенной импотенции. Препараты, содержащие ингибиторы моноаминоксидазы (наком, мадопар), используются при снижении выработки нейромедиаторов катехоламинов в ЦНС и для лечения паркинсонизма. Подавление активности моноаминооксидазы (разрушающей катехоламины) сохраняет нормальную передачу сигналов в нервной системе. Ингибиторы ангиотензинпревращающего фермента (каптоприл, эналаприл и т.п.) используются как антигипертензивное средство и вызывают расширение периферических сосудов, уменьшение нагрузки на миокард, снижение артериального давления. |