Регуляция активности ферментов. Активаторы ферментов

1.

1
РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ

2.

2
Активаторы ферментов
Активаторы ферментов – вещества, которые
увеличивают активность ферментов
Активируют ферментативные реакции обычно
катионы (в таблице Менделеева с 19 по 30),
анионы (анионы хлора и других галогенов
активируют пепсин, амилазу, аденилатциклазу,
белки (апопротеин А-I активирует ЛХАТ,
апопротеин С-II – липопротеинлипазу),
вторичные внутриклеточные посредники
(циклические нуклеотиды – цАМФ, цГМФ)

3.

3
Механизм действия активаторов
1) Формируют активный центр фермента (Co2+,
Mg2+, Zn2+, Fe2+, Са2+);
2) Облегчают образование ферментсубстратного комплекса (Мg2+);
3) Восстанавливают SH-группы (глутатион,
цистеин, меркаптоэтанол);
4) Стабилизируют нативную структуру белкафермента.

4.

4
Ингибиторы ферментов
Ингибиторы ферментов – это
соединения, которые взаимодействуя с
ферментом, препятствуют
образованию нормального ферментсубстратного комплекса, уменьшая
скорость реакции или прекращая ее.

5.

5
ИНГИБИТОРЫ
Неспецифические
Специфические
Необратимые
Обратимые
Неконкурентные Конкурентные

6.

6
Неспецифические и специфические
ингибиторы
Ингибиторы делят на две группы -
неспецифические и специфические.
Неспецифические ингибиторы вызывают
денатурацию белка-фермента (соли тяжелых
металлов, кислоты, щелочи и др.) и их действие не
связано с механизмами ферментативного катализа.
Действие специфических ингибиторов связано
с механизмами ферментативного катализа.
Специфические ингибиторы делятся на 2 группы:
необратимые и обратимые.

7.

7
Необратимые ингибиторы
При необратимом ингибировании происходит
непрерывная модификация молекул
фермента, в результате чего фермент
частично или полностью теряет свою
активность.
Такое действие оказывают вещества,
которые прочно и необратимо связывают
функциональные группы активного центра
или препятствуют изменению валентности
металла активного центра.

8.

8
Группы необратимых ингибиторов
1) ингибиторы металлосодержащих ферментов (HCN,
RCN, HF, CO и др.). Эти соединения связываются с
металлами с переменной валентностью (Cu или Fe), в
результате чего нарушается процесс переноса
электронов по дыхательной цепи ферментов. Поэтому
эти ингибиторы называются дыхательными ядами.
2) ингибиторы ферментов, содержащих SH-группы в
активном центре (монойодацетат, дийодацетат,
йодацетамид, соединения мышьяка и ртути).
3) ингибиторы ферментов, содержащих ОН-группу в
активном центре (фосфороорганические соединения,
инсектициды). Эти ингибиторы тормозят, прежде всего,
активность холинэстеразы – фермента, играющего
основную роль в деятельности нервной системы.

9.

9
Ингибирование SH-содержащего фермента ацетатом йода

10.

10
Ингибирование химотрипсина диизопропилфторфосфатом

11.

11
Обратимое ингибирование
Обратимое ингибирование поддается
количественному изучению на основе уравнения
Михаэлиса-Ментен.
Обратимые ингибиторы делятся на
конкурентные и неконкурентные ингибиторы
Конкурентные ингибиторы – это молекулы,
настолько похожие на молекулы субстратов реакций,
что ферменты «не могут их различить».
В результате связывания конкурентного ингибитора с
активным центром фермента уменьшается
количество истинных фермент-субстратных
комплексов и падает скорость катализируемой
реакции.

12.

12
Конкурентное ингибирование
Классическим примером конкурентного
ингибирования является торможение
сукцинатдегидрогеназы малоновой кислотой.
Сукцинатдегидрогеназа катализирует окисление
янтарной кислоты (сукцината) путем
дегидрирования в фумаровую кислоту.
Если в среду добавить малоновую кислоту
(ингибитор), то в результате структурного сходства с
истинным субстратом - сукцинатом он будет
реагировать с активным центром и образовывать
фермент-ингибиторный комплекс, который не
может подвергаться дальнейшим превращениям.

13.

13
Ингибирование сукцинатдегидрогеназы
малоновой кислотой

14.

14
Изменение кинетики ферментативной реакции
при действии конкурентных ингибиторов
Связывание конкурентного ингибитора не приводит
к повреждению структуры активного центра
фермента.
Действие такого ингибитора устраняется путем
увеличения концентрации субстрата.
Таким образом, конкурентный ингибитор дает
эффект «разбавления» субстрата.
Поэтому при конкурентном ингибировании
увеличивается значение Кm , но величина Vmax
остается постоянной.

15.

15
Изменение кинетики при конкурентном
ингибировании

16.

16
Применение конкурентных ингибиторов
Метод конкурентного ингибирования нашел
применение в медицинской практике, в виде
использования антиметаболитов.
Многие лекарственные вещества ингибируют
ферменты человека и животных по конкурентному
типу.
Примером являются сульфаниламидные
препараты, которые имеют структурное сходство с
парааминобензойной кислотой (ПАБК).

17.

17
Бактериальная клетка использует ПАБК для
синтеза фолиевой кислоты, необходимой для
образования нуклеиновых кислот.
Благодаря структурному сходству сульфаниламид
ингибирует ферменты метаболизма
парааминобензойной кислоты, что приводит к
снижению синтеза фолиевой кислоты, нуклеиновых
кислот и гибели микроорганизма.

18.

18
Неконкурентные ингибиторы
• Неконкурентные ингибиторы – вещества, не имеющие
структурного сходства с субстратами.
• Неконкурентные ингибиторы связываются не с активным
центром, а в другом месте молекулы фермента, в том
числе и в области аллостерического центра.
• Неконкурентные ингибиторы понижают Vmax за счет
уменьшения количества действующих молекул фермента.
• Ингибиторы этого типа не мешают связыванию субстрата с
активным центром сохранившихся молекул фермента, в
результате величина Km не меняется.
• Механизм ингибирования состоит в снижении скорости
реакции за счет уменьшения количества нормальных
фермент-субстратных комплексов.
• Таким образом, при неконкурентном ингибировании:
Vmax уменьшается, а Km не изменяется

19.

19
Изменение кинетики при
неконкурентном ингибировании

20.

20
Смешанный тип ингибирования и
бесконкурентное ингибирование
Чаще встречается смешанный тип ингибирования,
когда снижение Vmax сочетается с одновременным
увеличением Km.
Это означает: при соединении ингибитора с ферментом
сохраняется возможность последующего присоединения
субстрата с образованием тройного комплекса, что
обеспечивает медленное превращению в продукт реакции.
В редких случаях возможно бесконкурентное
ингибирование, обнаруживаемое при повышении
концентрации субстрата. Один из возможных механизмов
этого эффекта связан с соединением ингибитора с
фермент-субстратным комплексом, что ведет к
образованию неактивного или медленно реагирующего
тройного комплекса.

21.

21
Конкурентное и неконкурентное ингибирование

22.

22
РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ
ФЕРМЕНТОВ

23.

23
Способы регуляции активности
ферментов
1. Активация профермента
2. Химическая модификация
3. Кооперативные эффекты (мультимерные белки)
симметричная модель (Моно и др.)
последовательная модель (Кошланд и др.)
4. Аллостерическая регуляция
гомотропная
гетеротропная
5. Регуляция по типу обратной связи
ретроингибирование
форактивация

24.

24
Активация проферментов
Происходит путем отщепления части
полипептидной цепи от молекулы предшественника
с образованием активного центра фермента.
Такие ферменты функционируют, как правило, в
течение короткого времени, определяемого
временем жизни белковой молекулы.
Частичный протеолиз лежит в основе активации
пищеварительных протеолитических
ферментов (пепсин, трипсин, химотрипсин,
эластаза), пептидных гормонов (инсулин), белков
свертывающей системы крови и ряда других
белков.

25.

25
Активация пепсиногена

26.

26
Химическая (ковалентная) модификация
Заключается в присоединении к ферменту или отщеплении от него
низкомолекулярной молекулы, при котором происходит
активация или ингибирование фермента.
Быстрым и широко распространенным способом химической
модификации ферментов является их фосфорилированиедефосфорилирование.
Фосфорилирование ферментов происходит с помощью фермента
протеинкиназы.
Донором остатка фосфорной кислоты является молекула АТФ.
Фосфорилирование фермента изменяет его конформацию и
конформацию активного центра, что изменяет сродство
фермента к субстрату.
При этом некоторые ферменты при фосфорилировании
активируются, другие - ингибируются.
Обратный процесс - дефосфорилирование - вызывают ферменты
фосфопротеинфосфатазы, отщепляющие остаток фосфорной
кислоты от фермента и возвращающие фермент в исходное
состояние

27.

27
Схема регуляции активности ферментов
фосфорилированием-дефосфорилированием

28.

28
Аллостерическая регуляция
Происходит путем присоединения к
аллостерическому центру фермента эффекторов –
активаторов и ингибиторов.
Если в роли активатора выступают молекулы
субстрата – гомотропная активация, если какой-то
другой метаболит – гетеротропная.
Регуляция аллостерических ферментов обратима:
отсоединение эффектора от регуляторной
субъединицы восстанавливает исходную
каталитическую активность фермента.
Аллостерические ферменты катализируют
ключевые реакции данного метаболического пути.

29.

29

30.

30
Характеристика аллостерических
ферментов
Аллостерические ферменты имеют четвертичную
структуру.
Субъединицы фермента могут находиться в 2-х
конформациях: R и Т. Конформация R (relax –
расслабление) обладает высоким сродством к
субстрату, конформация Т (tense – напряженная) –
низким сродством. Формы R и Т могут переходить
друг в друга.

31.

31
Эффекторы связываются с T и R-конформациями
фермента. Аллостерический ингибитор
связывается преимущественно с Т-конформацией и
ее стабилизирует, что снижает сродство. фермента
к субстрату. Аллостерический активатор
связывается преимущественно с R-формой.
Субъединицы аллостерических ферментов связаны
между собой нековалентными связями.
Изменение конформации одной субъединицы
приводит к изменению конформации соседних
субъединиц (кооперативный эффект).

32.

32
Модели кооперативного эффекта
Предложено 2 модели кооперативного эффекта.
Симметричная модель: субъединицы должны находится
в одном и том же конформационном состоянии, т.е.
возможны состояния RR и ТТ и невозможно состояние RT.
В отсутствие субстрата почти все молекулы фермента
находятся в Т-форме. Добавление субстрата приводит к
переходу T-формы в R-формы одновременно всех
субъединиц.
Последовательная модель. Согласно этой модели
каждая субъединица может существовать в одном из
возможных конформационных состояний (R или Т).
Связывание субстрата с одной субъединицей может
вызвать последовательное изменение конформации
соседней субъединицы или соседних субъединиц и в
результате увеличивать или их сродство к субстрату

33.

33
Регуляция по принципу обратной связи
Характерен для многих многоступенчатых
биосинтетических процессов.
При данном способе регуляции конечный продукт
связывается с активным центром фермента и
ингибирует его.
Такие ферменты называются ключевыми, находятся
на первых этапах метаболического пути и
определяют скорость всего процесса.

34.

34
Активация предшественником
При активации предшественником (форактивации)
– первый метаболит в многоступенчатом процессе
активирует фермент, катализирующий первую
или последнюю стадию.

35.

35
Единицы измерения активности ферментов
Для выражения концентрации фермента используют
стандартную международную единицу и катал.
Стандартная международная единица (Е или U) –
количество фермента, которое в оптимальных
условиях катализирует превращение 1 мкмоль
субстрата в минуту (мкмоль/мин).
Катал - количество фермента, которое в
оптимальных условиях катализирует превращение 1
моль субстрата в секунду (моль/сек). 1 Е фермента
соответствует 16,67 нкат; 1 кат = 6×107 Е

36.

36
Для выражения активности фермента используют
удельную и молярную активности.
Удельная активность – число единиц
ферментативной активности на 1 мг ферментативного
белка.
Молярная активность (число оборотов) – число
молекул субстрата, подвергающихся превращению
одной молекулой фермента в секунду