1.Біохімічні компоненти клітини, їх біохімічні функції. Класи біомолекул. Ієрархія біомолекул, їх походження.
Біомолекули – біоорганічні сполуки, що входять до складу живих організмів та приймають участь в утворенні клітинних структур і беруть участь в біохімічних реакціях.
Функції біомолекул у живих організмах:
а) участь у біохімічних реакціях обміну речовин в ролі субстратів та проміжних продуктів (метаболітів). Прикладами є моносахариди, жирні кислоти та продукти їх окислення, амінокислоти, кетокислоти, дикарбонові кислоти, пуринові та піримідинові основи;
б) участь в утворенні інших, більш складних молекул – білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів, ліпідів або біологічних структур
в) участь у регуляції біохімічних процесів та фізіологічних функцій окремих клітин та цілісного організму. Біомолекулами-регуляторами є вітаміни, гормони та гормоноподібні сполуки, внутрішньоклітинні регулятори – циклічні нуклеотиди цАМФ, цГМФ тощо.
Класи біомолекул: білки та амінокислоти,нуклеїнові кислоти та нуклеотиди, вуглеводи та їх похідні, ліпіди та їх похідні.
2.Ферменти: визначення, властивості ферментів як біологічних каталізаторів.
Ферме́нти або ензи́ми — органічні каталізатори білкової або РНК природи, які утворюються в живих організмах. Вони можуть мати від одного до кількох поліпептидних ланцюгів — субодиниць. Кожен із ферментів має один або більше активних центрів, які визначають специфічність хімічної реакції, що каталізується даним ферментом. Крім активного центру деякі ферменти мають алостеричний центр, який регулює роботу активного центру.
Ферменти є біологічними каталізаторами
1.наявні в усіх живих клітинах і сприяють перетворенню одних речовин (субстратів) на інші (продукти).
2. виступають в ролі каталізаторів практично в усіх біохімічних реакціях, що відбуваються в живих організмах.
3. скеровують та регулюють обмін речовин організму.
4. їх синтез та каталітична активність контролюється на генетичному рівні.
5. прискорюють як пряму, так і зворотну реакцію, знижуючи енергію активації процесу. Хімічна рівновага при цьому не зсувається ні в прямий, ні в зворотний бік.
6.високій специфічності
Ферменти широко використовуються і в народному господарстві — у харчовій, текстильній промисловості, у фармакології.
3. Класифікація та номенклатура ферментів. Характеристика окремих класів ферментів.
За типом реакцій, що каталізують, ферменти підрозділяються на 6 класів. Кожен клас містить підкласи, так що фермент описується сукупністю чотирьох чисел, розділених крапками. Наприклад, пепсин має код КФ 3.4.23.1. Перше число описує клас реакцій, що каталізує фермент:
КФ 1: Оксидоредуктази — ферменти, що каталізують окислення або відновлення. Приклад: каталаза, алкогольдегідрогеназа
КФ 2: Трансферази — ферменти, що каталізують перенесення хімічних груп з однієї молекули субстрата на іншу. Серед трансфераз особливо виділяють кінази, що переносять фосфатну групу, як правило, з молекули АТФ.
КФ 3: Гідролази — ферменти, що каталізують гідроліз хімічних зв'язків. Приклад: естерази, пепсин, трипсин, амілаза, ліпопротеїнліпаза
КФ 4: Ліази — ферменти, що каталізують розрив хімічних зв'язків без гідролізу з утворенням подвійного зв'язку в одному з продуктів.
КФ 5: Ізомерази — ферменти, що каталізують структурні або геометричні зміни в молекулі субстрата.
КФ 6: Лігази — ферменти, що каталізують утворення хімічних зв'язків між субстратами за рахунок гідролізу АТФ. Приклад: ДНК-полімераза
4. Будова та механізми дії ферментів. Активний та алостеричний центри.
Ферменти каталізують більшість хімічних реакцій, які відбуваються у живих організмах. Вони можуть мати від одного до кількох поліпептидних ланцюгів — субодиниць. Кожен із ферментів має один або більше активних центрів (має вигляд маленької «кишені» на поверхні ферменту, яка містить залишки, що відповідають за специфічність до субстрату), які визначають специфічність хімічної реакції, що каталізується даним ферментом. Крім активного центру деякі ферменти мають алостеричний центр, який регулює роботу активного центру.
Щоб каталізувати реакцію, фермент повинен зв'язатися з одним або кількома субстратами. Білковий ланцюжок ферменту згортається таким чином, що на поверхні глобули утворюється щілина або западина, до якої приєднуються молекули субстрату. Ця область називається ділянкою (сайтом) зв'язування субстрата. Зазвичай вона збігається з активним центром ферменту або знаходиться поблизу від нього. Деякі ферменти містять також ділянки зв'язування кофакторів або іонів металів.
У деяких ферментів присутні також ділянки зв'язування малих молекул, що не беруть безпосередньої участі в реакції і часто є субстратами або продуктами метаболічного шляху, в який входить фермент. Вони зменшують або збільшують активність ферменту, що створює можливість для зворотного зв'язку або регуляції роботи ферменту.
5. Кофактори та коферменти. Будова та властивості коферментів, вітаміни як попередники в біосинтезі коферментів.
Кофактор — небілкова хімічна сполука, органічна або неорганічна, що зв'язується з білками (найчастіше ферментами) і потрібна для виконання білком своєї біологічної функції. Кофактори зазвичай поділяють на дві великі групи: коферменти і простетичні групи.
Коферменти дуже вільно зв'язуються з ферментами та іншими білками та легко вивільняються в процесі нормального каталітичного циклу. Їхньою головною роллю є перенесення хімічних групи між білками. На відміну від них, простетичні групи зв'язуються дуже щільно і формують постійну частину структури білка.Білок без зв'язаного кофактору називається апопротеїном (апоферментом у випадку ферментів), а повний активний білок разом із приєднаним кофактором або кількома кофакторами — голопротеїном (голоферментом).
6.Коферменти: типе реакцій, які каталізують окремі класи коферментів.
За типом реакції, яку вони каталізують, коферменти поділяють на:
1. Переносники водню та електронів:
НАД -Перенос гідрид-іону(:Н- )
НАДФ та ФАД- Перенос атомів водню (2Н+ + 2е– )
ФМН та Коензим Q У- Перенос атомів водню (2Н+ + 2е– )
2. Переносники інших хімічних груп:
Нуклеозидфосфати:
АТФ -Перенос фосфатних, пірофосфатних, аденозильних радикалів
АДФ та УТФ - Перенос моносахаридних радикалів
УДФ та ЦТФ -Перенос холіну та етаноламіну
ЦДФ -сПеренос аміногруп; декарбоксилювання
Піридоксальфосфат-Перенос ацильних радикалів
3. Коферменти синтезу, ізомеризації та розщеплення вуглець-вуглецевих зв'язків:
Тіаміндифосфат (ТДФ) -Окисне декарбоксилювання оксо(α-кето)- кислот; перенос кето-фрагментів
Метилкобаламін- Реакції трансметилювання
Карбоксибіотин- Реакції карбоксилювання за участю СО2
7. Вітамін В1(тіамін): будова, біологічні властивості, механізм дії.
За хімічною будовою є продуктом конденсації двох гетероциклічних сполук — похідного піримідину та тіазолу:
Біологічна активність вітаміну В1 полягає в участі в енергетичному, зокрема вуглеводному, обміні. Біохімічній механізм дії вітаміну зумовлений його коферментною формою — тіаміндифосфатом (ТДФ) який утворюється в результаті фосфорилювання вільного тіаміну за участю ферменту тіамінфосфокінази:
тіамін + АТФ =тіаміндифосфат + АМФ.
Коферментні функції ТДФ пов’язані з каталізом таких біохімічних реакцій:
– окислювальне декарбоксилювання пірувату (як компонент мультиензимного піруватдегідрогеназного комплексу);
– окислювальне декарбоксилювання α-кетоглутарату в циклі Кребса
– транскетолазні реакції пентозофосфатного шляху окислення глюкози Біохімічним проявом недостатності вітаміну В1є накопичення в крові та внутрішніх тканинах надлишкового пірувату. Клінічно недостатність тіаміну проявляється розвитком уражень периферичної нервової системи (поліневропатії, поліневриту), виражених порушень з боку міокарда, секреторної та моторної функцій шлунка. Класична форма авітамінозу В1 — захворювання бери-бері.
8. Вітамін В2(рибофлавін)
За хімічною будовою є похідним трициклічної сполуки ізоалок-
сазину та спирту рибітолу. Біологічні функції вітаміну В2 полягають у
його участі в окислювально-відновлювальних реакціях. Коферментними формами рибофлавіну є ФАД (флавінаденіндинуклеотид) та ФМН (флавінмононуклеотид) — простетичні групи багатьох анаеробних та
аеробних дегідрогеназ та оксидаз, що беруть участь в окисленні численних інтермедіатів вуглеводного, ліпідного та амінокислотного обміну.
9. Вітамін РР, ( нікотинова кислота)
Властивості вітаміну РР (ніацину, В5) мають нікотинова кислота та її амід
Вітамін РР є необхідним фактором для перебігу багатьох біохімічних реакцій, пов’язаних із окисленням субстратів вуглеводного, ліпідного, амінокислотного та інших видів метаболізму.Коферментними формами вітаміну РР є коферменти анаеробних дегідрогеназ НАД (нікотинамідаденіндинуклеотид) та НАДФ (нікотинамідаденіндинуклео-
тидфосфат), до складу яких входить амід нікотинової кислоти.
Недостатність вітаміну РР проявляється характерними патологічними змінами шкіри, особливо вираженими в умовах її сонячного опромінення. Дерматит, специфічний для цього гіпо- (а-) вітамінозу, отримав назву “пелагри”; для пелагри властиві також патологічні зміни слизової оболонки ротової порожнини та кишечника з наявністю важкої діареї. Симптомокомнлекс: специфічний пігментований дерматит, діарея, деменцція- зниження інтелекту внаслідок зменшення швидкості окиснно-відновних реакцій та дефіциту енергії в нервовій тканині.
10. Вітамін В6( піридоксин)
Терміном піридоксин об’єднують три близькі за дією та взаємно перетворювані в біологічних тканинах сполуки: піридоксол, піридоксаль та піридоксамін:
Біологічна дія вітаміну В6 пов’язана з участю в реакціях амінокислотного обміну. Його коферментними формами є піридоксальфосфат (ПАЛФ) та піридоксамінфосфат (ПАМФ), що беруть участь у каталітичних циклах таких ферментних реакцій:
– реакцій трансамінування у складі ферментів амінотрансфераз
– реакцій декарбоксилювання у складі ферментів декарбоксилаз амінокислот
– перетворення триптофану кінуреніновим шляхом з утворенням нікотинаміду НАД
– біосинтезі гему
Прояви недостатності піридоксину найчастіше спостерігаються в дитячому віці за умов харчування синтетичними сумішами, не збалансованими за вмістом цього вітаміну, і проявлятися пелагроподібним дерматитом, судомами, анемією.
11. Вітамін В12( кобаламін)
За хімічною будовою належить до класу кориноїдів; його молекула складається з двох частин — кобальтвмісної порфіриноподібної та нуклеотидної структур. в людини синтезуються коферментні форми вітаміну — метилкобаламін (міститься в цитоплазмі) і 5-дезоксиаденозилкобаламін (мітохондріальна форма коферменту).
Коферментні форми вітаміну В12 беруть участь в каталізі біохімічних реакцій такими ферментами:
– метилмалоніл-КоА-мутазою (ферментом, що каталізує реакцію перетворення
метилмалоніл-КоА на сукциніл-КоА. Реакція має значення для метаболіз-
му метилмалоніл-КоА, що утворюється при розщепленні амінокислот із розгалуженими ланцюгами.
– гомоцистеїн-метилтрансферазою (в реакції синтезу метіоніну з гомоцис-
теїну). Біохімічне значення реакції полягає в продукуванні метіоніну, який є головним донором метильних груп у реакціях синтезу фізіологічно активних сполук, метилюванні нуклеотидів нуклеїнових кислоти.
Недостатність у вітаміні В12 (хвороба Адисона-Бірмера) може розвиватися за механізмом ендогенного гіпо-(а-) вітамінозу внаслідок порушення всмоктування кобаламіну в шлунково-кишковому тракті.
12. Вітамін Вс( фолієва кислота)
Фолієва кислота за хімічною природою є похідним птеринів — птероїлглутаміновою кислотою, що містить у складі молекули
сполучені з похідним птеридину фрагменти п-амінобен-
зойної кислоти(ПАБК) та L-глутамату:
Коферментною формою фолієвої кислоти є її гідроване похідне 5,6,7,8-тетрагідрофолієва кислота (ТГФК). Коферментні функції ТГФК полягають у міжмолекулярному переносі одновуглецевих фрагментів (метильного, метиленового,метенільного, оксиметильного, формільного, форміміно), що використовуються в багатьох реакція обміну амінокислот, синтезі нуклеотидів, фізіологічно активних сполук .Фолієва кислота біохімічно пов’язана з обміном та функціями вітаміну В12 , а саме:
– ТГФК разом із вітаміном В12 (метилкобаламіном) беруть участь у реакції синтезу метіоніну; фізіологічне значення процесу полягає в утворенні метіоніну — донора метильних груп у метилюванні нуклеотидів нуклеїнових кислот , синтезі холіну, креатину тощо;
– хвороби недостатності обох вітамінів часто перебігають сумісно і мають близьку клінічну картину. Класичним проявом авітамінозу ФК є захворювання“спру”, що характеризується макроцитарною анемією та пінистими проносами. захворювання розвивається внаслідок споживання раціону, збідненого білками.
13. Вітамін Н ( біотин)
За будовою молекули вітамін Н (біотин) є продуктом конденсації сечовини та тіофенвалер’янової кислоти:
Коферментну функцію виконує біотин, що сполучений за типом простетичної групи з ферментами карбоксилювання. Акцептуючи СО2 з утворенням карбоксибіотину, вітамін Н бере участь у таких біохімічних реакціях:
– біосинтезі жирних кислот (карбоксилювання у складі ферменту ацетил-КоА-карбоксилази ацетил-КоА до малоніл-КоА);
– перетворенні пірувату в оксалоацетат у ході реакцій глюконеогенезу
– реакціях карбоксилювання при біосинтезі ядра пуринових нуклеотидів.
Недостатність вітаміну Н у людини проявляється рідко у зв’язку з біосинтезом біотину кишковими мікроорганізмами та його наявністю у більшості продуктів харчування рослинного та тваринного походження. Прояви вітамінної недостатності можуть розвиватися за умов порушення функціонування нормальної мікрофлори кишечника (нераціональне використання сульфаніламідів та антибіотиків)і проявляються патологічними змінами шкіри за типом себореї.
14. Вітамін В3 (пантотенова кисллота)
Молекула пантотенової кислоти — це сполучення β-аланіну з похідним масляної кислоти.
В організмі пантотенова кислота використовується для синтезу коензиму А (КоА-SH) — коферменту ацилювання, що є одним із ключових коферментів у реакціях метаболізму вуглеводів (окислення піровиноградної та α-кетоглутарової кислот), окислення та синтезу жирних кислот, обміну амінокислот, використання ацильних радикалів у біосинтезі стероїдів, процесах детоксикації тощо. Ізольований авітаміноз у людини виникає рідко і може проявлятися численними
малоспецифічними порушеннями з боку різних органів та систем (шкіри, слизових оболонок, волосся, нервової системи, внутрішніх органів). Як лікувальнопрофілактичний засіб пантотенат входить до складу різних косметичних виробів, шампуней.
15.Вітамін С (аскорбінова кислота)
Аскорбінова кислота має профілактичну дію щодо цинги, або скорбуту — специфічного патологічного процесу, спричиненого екзогенною недостатністю вітаміну.
Реакціями, де участь L-АК є остаточно з’ясованою, є гідроксилювання біомолекул в ході таких біохімічних перетворень:
– біосинтезу колагену
– біосинтезу дофаміну, норадреналіну та адреналіну
– біосинтезу стероїдів
– біосинтезу серотоніну
– катаболізму тирозину.
У більшості біокаталітичних процесів, що перебігають за участю L-АК, беруть участь також іони заліза (Fe 2+ -Fe 3+ ).
16. Вітамін Р (флавоноїди)
Властивості вітаміну Р мають рослинні сполуки фенольної природи,
більшість із яких належать до похідних флавону
Представниками флавоноїдів, що мають найбільшу Р-вітамінну ак-
тивність, є кверцетин, рутин:
Основною біологічною ознакою вітаміну Р є здатність до зміцнення судинної стінки та зменшення її проникності. Недостатність вітаміну Р може розвиватися за умов відсутності в харчуванні рослинних продуктів і звичайно супроводжує недостатність L-аскорбінової кислоти, тому цингу (скорбут) можна вважати певною мірою проявом недостатності цих двох вітамінів. Механізм дії вітаміну Р пов’язують з участю у відновленні аскорбінової кислоти і збереженні її тканинних резервів.
17. Ізоферменти, особливості будови та функціонування, значення в діагностиці захворювань.
ІЗОФЕРМЕНТИ — множинні молекулярні форми одного й того самого ферменту, які характеризуються генетично зумовленими відмінностями первинної структури, набором і співвідношенням субодиниць та різною каталітичною активністю.каталізують одну й ту саму біохімічну реакцію.
Лише ферменти з четвертинною структурою можуть мати ізоферментні форми, які формуються в результаті комбінацій різних субодиниць.
Наявність та вміст ізоферментів у тканинах залежать від особливостей метаболізму в ній. Тому визначення активності ізоферментів в крові успішно використовується для діагностики захворювань внутрішніх органів.
Класичним прикладом ізоферментів є ізоферменти лактатдегідрогенази (ЛДГ або LDH).
Цей фермент каталізує реакцію зворотного перетворення лактату в піруват
Молекула ЛДГ містить чотири субодиниці двох видів: М (від англ. muscle – м’яз) та Н (від англ. heart – серце). Комбінація цих ланцюгів дає п’ять ізоферментів:
Назва ізоферменту
Структура
Переважна локалізація
ЛДГ1 -НННН (Н4) Серце, нирки, еритроцити
ЛДГ2 -НННМ (Н3М) Серце, нирки, еритроцити
ЛДГ3 -ННММ (Н2М2) Легені
ЛДГ4 - НМММ (НМ3) М’язи, печінка
ЛДГ5- ММММ (М4) М’язи, печінка
Залежно від типу обміну в різних тканинах спостеріга-ється різна активність ізоферментів ЛДГ. Відомо, що в тканинах з аеробним типом обміну переважає активність ЛДГ1 та ЛДГ2, які зміщують хімічну рівновагу в напрямку перетворення лактату в піруват (наприклад, у серці). При анаеробному типі метаболізму в тканині зростає активність ЛДГ4 та ЛДГ5, які каталізують перетворення пірувату в лактат (наприклад, скелетні м’язи, мозкова частина нирок). Але не завжди можливо зв’язати тип обміну та ізоферментний спектр ЛДГ. Так, наприклад, в еритроцитах, тромбоцитах, кришталику ока основним є анаеробний тип обміну, але найбільш активні - ЛДГ1 і ЛДГ2. Це може бути пов’язано з тим, що субодиниці ЛДГ беруть участь не лише в реакціях на тип обміну.
КФК(М,В) креатинфосфокіназа, димерний білок.
ВВ - гголовний мозок
МВ - серцевий мяз
ММ - скелетні мязи
При інфаккті міокарда пізвизується друга ізоформа через 2 години після захворювання.
18. Механізми дії та кінетика ферментативних реакцій: залежність швидкості реакцій від концентрації субстрату, рН та температури.
Ферментативна кінетика є розділом хімічної кінетики, що займається вивченням впливу різних хімічних та фізико-хімічних факторів на швидкість реакцій. Вона вивчає, зокрема, залежність швидкостей ферментативних реакцій від концентрацій ферменту, субстрату, рН та температури середовища, дії активаторів та інгібіторів.
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.
При низьких концентраціях субстрату швидкість реакції прямо пропорційна його концентрації (реакція 1-го порядку), а при високих концентраціях досягається ефект насичення, тобто незалежність V від [S].
Кожен фермент має свій рН-оптимум, тобто значення рН середовища, при якому його каталітична активність максимальна. Більшість внутрішньоклітинних та тканинних ферментів організму людини найактивніші в нейтральному, слаболужному або слабокислому середовищі (звичайно, в межах рН між 5,0 та 9,0). Ферментами з оптимумами при екстремальних значеннях рН є пепсин (рНопт = 1-2) іаргіназа (рНопт = 10-11).
Вплив температури на активність ферментів
Ферменти, відповідно до своєї білкової природи, є термочутливими та термола-
більними утвореннями:
– зростання температури до оптимальних значень (для більшості ферментів — у межах 37-40 °C) cупроводжується збільшенням швид-
кості ферментативної реакції відповідно за рів-нянням Арреніуса (за рахунок частіших ефективних зіткнень між молекулами);
– при збільшенні температури вище оптимального значення швидкість ферментативної реакції різко зменшується за рахунок конформаційних (денатураційних) змін у структурі ферментного білка.
19. Активатори та інгібітори ферментів: приклади та механізми дії.
Алостеричні ферменти — це різновид регуляторних ферментів, що, крім активного центру, мають додатковий регуляторний (алостеричний) центр, з яким взаємодіють алостеричні регулятори (ефектори, модулятори). Алостеричні ефектори можуть бути як позитивними, тобто такими, що збільшують каталітичну активність ферменту (алостеричні активатори), так і нега тивними, тобто такими, що її гальмують (алостеричні інгібітори). За своєю молекулярною будовою алостеричні регуляторні ферменти складаються, як правило, з декількох поліпептидних ланцюгів, тобто мають четвертинну структуру. Активний та регуляторний (алостеричний) центри локалізуються на різних білкових субодиницях — каталітичній та регуляторній, відповідно.
Модифікація каталітичної активності такого ферменту здійснюється шляхом передачі на каталітичні субодиниці конформаційних змін із регуляторних субодиниць, які відбуваються в останніх після взаємодії з лігандами — ефекторами.
20. Типи інгібування ферменті: зворотнє( конкурентне, неконкурентне) та незворотнє інгібування.
Інгібітори — хімічні сполуки, що зменшують каталітичну активність фер-
ментів. На відміну 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.
Залежно від характеру змін, що відбуваються в молекулі ферменту, розрізняють:
– зворотне інгібірування, що описується таким рівнянням взаємодії ферменту E + I =EI
– незворотне інгібірування: E + I=EI.
Зворотне інгібірування ферментів, залежно від механізму взаємодії
ферменту з інгібітором, поділяється на конкурентне та неконкурентне.
Конкурентне інгібірування спричиняють ліганди, що за своєю хімічною структурою близькі до субстрату і взаємодіють із тим самим активним центром на молекулі ферменту, що і субстрат, утворюючи комплекс EI:
Неконкурентні інгібітори не мають структурної подібності до субстрату. Вони реагують з іншими, відмінними від активних центрів, ділянками на молекулі ферменту і можуть зв’язуватися не тільки з вільним ферментом, а й із фермент-субстратним комплексом: ES + I = IES
Незворотне інгібірування ферментів — процес, що відбувається внаслідок руйнування або незворотної хімічної моди- фікації однієї чи декількох функціональних груп ферменту. Незворотні інгібітори мають властивості клітинних отрут.
21. Регуляция ферментативных процессов. Пути и механизмы регуляции:
аллостерические ферменты; ковалентная модификация ферментов.
Існують два принципових шляхи регуляції інтенсивності, або швидкості біохімічних ферментативних реакцій:
А — через зміну каталітичної активності ферменту.
Б — через зміну кількості ферменту (або ферментів), що визначають перебіг ферментативного процесу.
А. Перший шлях регуляції передбачає наявність у ферментному пулі клітини спеціальних регуляторних ферментів, які містяться звичайно на головних, ключових ланках метаболізму. Цей шлях забезпечує термінову адаптацію ферментного апарату організму і реалізується протягом декількох секунд або хвилин —механізм “швидкого реагування”. Існують чотири основних механізми регуляції каталітичної активності ферментів
1. Алостерична регуляція активності ферментів.
2. Регуляція активності ферментів за рахунок їх ковалентної модифікації.
3. Активація ферментів шляхом обмеженого протеолізу.
4. Активація та гальмування активностей ферментів за допомогою особливих регуляторних білків.
Алостеричні ферменти — це різновид регуляторних ферментів, що, крім активного центру, мають додатковий регуляторний (алостеричний) центр, з яким взаємодіють алостеричні регулятори (ефектори, модулятори). Алостеричні ефектори можуть бути як позитивними, тобто такими, що збільшують каталітичну активність ферменту (алостеричні активатори), так і негативними, тобто такими, що її гальмують (алостеричні інгібітори). За своєю молекулярною будовою алостеричні регуляторні ферменти складаються, як правило, з декількох поліпептидних ланцюгів, тобто мають четвертину структуру. Активний та регуляторний (алостеричний) центри локалізуються на різних білкових субодиницях — каталітичній та регуляторній, відповідно. Модифікація каталітичної активності такого ферменту здійснюється шляхом передачі на каталітичні субодиниці конформаційних змін із регуляторних субодиниць, які відбуваються в останніх після взаємодії з ліганда-
ми — ефекторами. існують два фізичних стани алостеричного ферменту, що відрізняються своєю конформацією та каталітичною активністю: каталітичний (релаксований) стан (R-стан — relaxed, англ.) та інгібірований
(напружений) стан (T-стан — tensed, англ.) Зворотний перехід між R- та T-станами залежить від взаємодії ферменту з алостеричними ефекторами (активатором або інгібітором, відповідно), які, взаємодіючи з місцями зв’язування на регуляторній субодиниці ферменту, стабілізують його молекулу в одному з конформаційних станів. Алостеричні ферменти каталізують біохімічні реакції, що знаходяться, як правило, на початку нерозгалужених або розгалужених метаболічних шляхів. При цьому модуляторами цих ферментів можуть бути як їх власні субстрати — гомотропні регуляторні ферменти, так і інші хімічні ефектори, зокрема кінцеві продукти багатоступеневого біохімічного процесу — гетеротропні регуляторні ферменти. прикладом ферменту з алостеричним механізмом регуляції є аспартаткарбамоїлтрансфераза (АКТ-аза) ЦТФ — кінцевий продукт біосинтезу — є
алостеричним інгібітором АКТ-ази, що переводить фермент у неактивну Т-форму; АТФ — продукт біосинтезу пуринів та показник високого енергетичного стану клітини — є алостеричним активатором ферменту, що переводить його в активну R-форму.
Ковалентна модифікація ферментів
Постсинтетична ковалентна модифікація ферментних білків є одним із поширених механізмів контролю за перебігом метаболічних процесів. Шляхами такої модифікації є зворотне фосфорилювання-дефосфорилювання (найбільш поширений механізм регуляції), метилування, аденілування, АДФ-рибозилювання білків-ферментів.
Фосфорилюють білки спеціальні ферменти протеїнкінази (протеїнфосфокінази), що за рахунок кінцевого (γ-) фосфату АТФ здійснюють фосфорилювання серинового чи треонінового (деякі протеїнкінази — тирозинового) радикалу відповідного білка: Зворотна реакція — дефосфорилювання білків — каталізується протеїнфос-
фатазами: Субстратами протеїнкіназ є численні ферментні білки (глікогенфосфорилаза, кіназа фосфорилази b, глікогенсинтетаза, тригліцеридліпаза, піруватдегідрогеназа, ацетил-КоА-карбоксилаза тощо), деякі білки мембранних каналів, гістони хроматину тощо Фосфорилювання багатьох білків-ферментів трансформує їх у каталітично активну форму (фосфорилювання глікогенфосфорилази, кінази фосфорилази b, тригліцеридліпази тощо); фосфорилювання інших ферментних білків (глікогенсинтетази, β-ГОМК-редуктази) є, навпаки, механізмом їх інактивації. Швидкість фосфорилювання-дефосфорилювання білків коливається, як правило, в межах від декількох секунд до декількох хвилин, відповідно до необхідності включення або виключення певної фізіологічної функції клітини. У регуляції численних біохімічних функцій та фізіологічних процесів бере участь унікальна протеїнкіназа, що активується циклічним аденозинмонофосфатом (цАМФ) — вторинним посередником у дії на клітину багатьох фізіологічно активних сполук