Типы ингибирования
Регуляция по типу обратной связи.
Путь нековалентной модификации
В состав ферментов кроме активного центра может входить иной центр - аллостерический, к которому могут присоединяться низкомолекулярные вещества и изменять активность ферментов. Аллостерический (или регуляторный) центр - участок молекулы фермента, с которым связываются низкомолекулярные вещества-эффекторы (активаторы или ингибиторы). Их структура отлична от структуры субстрата. Присоединяясь к аллостерическому центру, эти вещества (эффекторы) могут изменять третичную или четвертичную структуры молекулы фермента и соответственно структуру активного центра, вызывая увеличение или уменьшение его активности. Таким образом, связывание фермента с эффектором в одном участке белка вызывает изменение структуры и, следовательно, активности - в другом.
Активаторы увеличивают активность ферментов, а ингибиторы уменьшают. Часто биохимический процесс состоит из нескольких стадий, которые катализируются своими ферментами. В таких системах есть хотя бы один фермент - регуляторный, который определяет скорость всей последовательности реакций. Регуляторные ферменты под действием эффекторов способны включать и выключать целые цепи реакций метаболизма. Соединения, действующие как ингибиторы этих ферментов, обычно являются конечными продуктами всей цепи реакций. Систему регуляции этого типа, когда избыток продукта одной из последовательных реакций биохимического пути ингибирует активность фермента одной из ранних стадий, блокируя эту и все последующие стадии, называют ингибированием по типу обратной связи. Таким образом, накопление избытка продукта ведет к торможению его биосинтеза.
Различают обратимое и необратимое ингибирование ферментов. Ингибирование является необратимым, если ингибитор необратимо связывается с ферментом (образованный комплекс субстрат-ингибитор не распадается). Многие ингибиторы необратимо связываются с ферментами, изменяя их структуру. Этим объясняется токсичное действие ионов металлов: Hg 2+ , Zn 2+ .
Е - SH + Ag + ® Е - S - Ag + H + ;
в противном случае наблюдается обратимое ингибирование. Обратимое ингибирование, может быть конкурентное и неконкурентное.
Конкурентное ингибирование наблюдается, когда ингибитор и субстрат имеют сходные структуры и конкурируют за связывание с активным центром фермента. Если к ферменту Е добавить конкурентный ингибитор I и субстрат S, то одновременно образуется два комплекса: фермент-ингибитор (EI) и фермент-субстратный (ES). Образование комплекса EI не приводит к образованию продуктов реакции.
Е + S ® ES ® P + Е;
Е + I ® EI ® не образуются продукты реакции
Скорость реакции уменьшается, потому что при присоединении ингибитора к активному центру субстрата уменьшается число активных центров фермента, способных взаимодействовать с природным субстратом. Поскольку конкурентный ингибитор связывается обратимо, с ферментом, то уменьшить его действие можно, увеличивая концентрацию субстрата, так как при этом увеличивается вероятность связывания фермента с субстратом.
Обычно называют ингибированием , однако это не всегда корректно. Ингибитором называется вещество, вызывающее специфичное снижение активности фермента . Таким образом, неорганические кислоты и тяжелые металлы ингибиторами не являются, а являются инактиваторами, так как снижают активность любых ферментов, то есть действуют неспецифично.
Лекарства чаще подавляют активность ферментов
В медицине активно разрабатываются и используются соединения, изменяющие активность ферментов с целью регуляции скорости метаболических реакций и уменьшения синтеза определенных веществ в организме.
Ингибирование ферментов
Можно выделить два основных направления ингибирования
- по прочности связывания фермента с ингибитором ингибирование бывает обратимым и необратимым;
- по отношению ингибитора к активному центру фермента ингибирование делят на конкурентное и неконкурентное.
Необратимое ингибирование
При необратимом ингибировании происходит связывание или разрушение функциональных групп фермента, необходимых для проявления его активности.
Механизм необратимого ингибирования ацетилхолинэстеразы.
Например, вещество диизопропилфторфосфат прочно и необратимо связывается с гидроксигруппой серина в активном центре фермента ацетилхолинэстеразы , гидролизующей ацетилхолин в нервных синапсах . Ингибирование этого фермента предотвращает распад ацетилхолина в синаптической щели, в результате чего медиатор продолжает оказывать воздействие на свои рецепторы, что бесконтрольно усиливает холинергическую регуляцию. Аналогичным образом действуют боевые фосфоорганические вещества (зарин, зоман) и инсектициды (карбофос, дихлофос).
Механизм необратимого ингибирования циклооксигеназы.
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 гидроксильной группе серина в активном центре фермента вызывает инактивацию последнего и прекращение синтеза простагландинов.
Обратимое ингибирование
При обратимом ингибировании происходит непрочное связывание ингибитора с функциональными группами фермента, вследствие чего активность фермента постепенно восстанавливается.
Примером обратимого ингибитора может служить прозерин, связывающийся с ферментом ацетилхолинэстеразой в ее активном центре. Группа ингибиторов холинэстеразы (прозерин, дистигмин, галантамин) используется при миастении, после энцефалита, менингита, травм ЦНС.
Конкурентное ингибирование
При 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 алкогольдегидрогеназы .
Конкурентное ингибирование сукцинатдегидрогеназы.
2. Ингибирование фермента цикла Кребса сукцинатдегидрогеназы малоновой кислотой, структура которой схожа со структурой субстрата этого фермента – янтарной кислоты (сукцината).
Сходство строения сульфаниламидов и парааминобензойной кислоты, компонента витамина В 9 .
3. Также к конкурентным ингибиторам относят антиметаболиты или псевдосубстраты, например, антибактериальные средства сульфаниламиды, схожие по структуре с п -аминобензойной кислотой, компонентом
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.
Ограниченный протеолиз.
Регуляция активности с помощью гормонов.
Гормональная регуляция осуществляется на генетическом уровне путём обратимого фосфорилирования. Например, под действием адреналина происходит активация процесса распада гликогена. В ходе этого процесса образуется небелковое соединения – у-АМФ. у-АМФ – внутриклеточный гормон (вторичный посредник) является аллостерическим регулятором большого числа протеинлипаз. у-АМФ образуется из АТФ под действием аденилатциклаз.
Регуляция активности путём химической модификации.
Химическая модификация - присоединение каких-либо функциональных групп к ферменту, с последующим изменением его активности. Химическая модификация обратима. Так например, ключевые ферменты энергетического обмена - фосфорилаза, гликогенсинтаза контролируются путём фосфорилирования и дефосфорилирования, осуществляемого специфическими ферментами - протеинилазой и фософотазой. И уровень активности ключевых ферментов будет определятся соотношением фосфорилированных и дефосфорилированных форм этих ферментов.
Все ферменты ЖКТ и поджелудочной железы синтезируются в неактивной форме в виде проферментов. Регуляция в этом случае сводится к превращению их в активную форму. Так, например, активация трипсиногена идёт под действием энтерокиназы и ведёт к отщеплению избыточной последовательности аминокислот. При этом происходит формирование активного центра и третичной структуры трипсина. Это явление получило название ограниченный протеолиз . Его биологическое значение заключается в том, что он исключает самопереваривание органа (аутокатализ), что, например, происходит при активации трипсина в самой поджелудочной железе. Во-вторых, обеспечивается более тонкая регуляция количества фермента.
Ограниченный протеолиз находится под контролем факторов среды, рН, в клетке – под контролем Са.
Скорость ферментативной реакции определяется присутствием в среде эффекторов: активаторов и ингибиторов. Активаторы повышают скорость реакции и иногда модифицируют её, а ингибиторы - тормозят её.
Активаторы: коферменты, ионы Ме, SH- реагенты. Активизирующее влияние связано с оптимизацией структуры белковой молекулы и активного центра фермента. Это улучшает взаимодействие фермента и субстрата.
Активатор панкреатической липазы – желчные кислоты.
Активатор трипсиногена – энтерокиназы.
Активатор хематрипсиногена – трипсин.
Активатор пепсина и амилазы – ионы Са.
В качестве активаторов могут выступать и Ме:
Zn – активатор угольной ангидразы.
Ингибиторами принято называть вещества, вызывающее частичное или полное торможение реакции.
Любые агенты, вызывающие денатурацию фермента, являются ингибиторами. Однако такое ингибирование неспецифично потому, что не связано с механизмом действия ферментов. Гораздо больше специфических ингибиторов, которые оказывают действия на один какой – либо фермент или на группу родственных ферментов. Такие ингибиторы могут дать ценную информацию о природе активного центра фермента. На ингибировании ферментов основан механизм действия многих токсинов и ядов на организм. Так, при отравлении синильной кислотой спазм наступает вследствие полного торможения дыхательных ферментов (цитохромоксидазы).
Типы ингибирования :
1) Обратимое
2) Необратимое
Если молекула ингибитора вызывает стойкие изменения или модификацию активного центра фермента, то такой тип ингибирования называется необратимым .
Обратимое ингибирование встречается чаще, и его делят на конкурентное и неконкурентное , в зависимости от того удаётся или не удаётся преодолеть торможение ферментативной реакции путём повышения {S}. Конкурентное ингибирование возможно при наличии структурного сходства субстрата и ингибитора. Например, торможение активности сукцинатдегидрогеназы малоновой кислотой:
НООС - 2Н НООС
СН -------- СН
СН СДГ СН
НООС НООС
сукцинат фумарат
Если в среду вместо сукцината внести малонат, то в силу его структурного сходства с сукцинатом он будет реагировать с активным центром СДГ. Однако при этом перенос 2Н от малоната не происходит, так как структуры малоната и сукцината всё же несколько отличаются и они будут конкурировать за связывание с активным центром СДГ и степень торможения будет определена соотношением концентраций малоната и сукцината. Особенность этого ингибирования – обратимость за счёт увеличения {S}.
I(+) E + I ------ EI
Часто имеет место частично неконкурентное ингибирование, при котором снижение Vmax сочетается с повышением Km. В редких случаях степень торможения активности фермента может повышаться с повышением {S}. Это так называемое бесконкурентное ингибирование . В этом случае возможно соединение ингибитора с комплексом ES, следовательно, образуется неактивный или медленно реагирующий комплекс
ES + I ------ ESI
Действие многих лекарств основано как раз на этих всех методах ингибирования. Так, например, сульфаниламидные препараты применяются для лечения некоторых инфекций, которые имеют структурное сходство с ПАБК, которую бактериальная клетка использует в каестве субстрата для синтеза фолиевой кислоты. Благодаря сходству сульфаниламид блокирует действие фермента путём вытеснения ПАБК из комплекса ES , что ведёт к снижению роста бактерий. Это конкурентное ингибирование .
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: 9259 | 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 (0.003 с) ...Отключите adBlock!
очень нужно
