Регуляция скорости ферментативных реакций

Рис. 1. Регуляция каталитической активности ферментов ассоциацией-диссоциацией.

Фермент протеинкиназа А является тетрамерным ферментом, состоящим из 2 каталитических (С) и 2 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.

В целом ситуация схожа с аллостерическим механизмом: после влияния какихлибо факторов на специфичные белки изменяется активность этих белков, и они, в свою очередь, воздействуют на нужный фермент. Выделяют два механизма белок-белковых взаимодействий:

активация ферментов в результате присоединения регуляторных белков;

изменение каталитической активности ферментов вследствие ассоциации или диссоциации.

Активация ферментов в результате присоединения регуляторных белков.

К примеру, мембранный фермент аделилатциклаза является чувствительным к воздействию мембранного G-белка, который сам активируется при действии на клетку некоторых гормонов (например, адреналина и глюкагона).

6. Частичный протеолиз.

Синтез некоторых ферментов осуществляется в виде более крупного предшественника и при поступлении в нужное место этот фермент активируется черз отщепление от него одного или нескольких пептидных фрагментов. Подобный механизм защищает внутриклеточные структуры от повреждений.

Неактивный предшественник фермента называется проферментом или зимогеном. После отщепления пептидного фрагмента происходит сближение тех остатков аминокислот из которых формируется активный центр и фермент становится активным. Путем частичного протеолиза активируются протеолитические ферменты желудочно-кишечного тракта, факторы свертывания крови и другие.

7. Фосфорилирование-дефосфорилирование.

При данном способе регуляции (принцип включено-выключено) происходит обратимое изменение активности фермента. Ферменты, в зависимости от их природы могут быть активны либо в фосфорилированном, либо в дефосфорилированном состоянии. Фосфорилирование происходит по остаткам серина и тирозина. Присоединение фосфорной кислоты к белку осуществляют ферменты протеинкиназы, а отщепление – протеинфосфатазы

Рис. 2. Активация ферментов фосфорилированием – дефосфорилированием

Так, активности двух ферментов (Рис.3), участвующих в метаболизме гликогена — гликогенфосфорилазы и гликогенсинтазы,— регулируется с помощью фосфорилирования (переноса концевой фосфатной группы от АТФ на определенный остаток серина).

При потребности организма в глюкозе гликогенфосфорилаза и гликогенсинтаза фосфорилируются, при этом фосфорилаза гликогена становится активной и начинает расщепление гликогена, а гликогенсинтаза –неактивной. При необходимости синтеза гликогена оба фермента дефосфорилируются, синтаза при этом становится активной, фосфорилаза – неактивной.

Рис. 3. Реципрокная регуляция активности гликогенсинтазы и гликогенфосфорилазы в зависимости от функционального состояния организма

8.Энзимопатии

Вслучае если фермент не может выполнять свою функцию, говорят об энзимопатологии (энзимопатии).

Энзимопатии – состояния, связанные с патологическим изменением активности ферментов. Наиболее часто встречается снижение активности и нарушение каких-либо метаболических процессов. В результате энзимопатологии клиническое значение может иметь:

накоплениесубстрата реакции, например: фенилаланина при фенилкетонурии; свободного билирубина прижелтухах новорожденных, некоторых жиров при

болезнях лизосомального накопления (липидозы).

недостатокпродукта, например: меланина при альбинизме, катехоламинов при перкинсонизме,

обе особенности одновременно, как при гликогенозах, сопровождающихся гипогликемией при избытке гликогена в печени.

По характеру нарушения выделяют первичные и вторичны еэнзимопатии.

Первичные(наследственные) энзимопатии связаны с генетическим дефектом и наследственным снижением активности. Например, фенилкетонурия связана с дефектом фенилаланин-4-монооксигеназы, которая превращает фенилаланин в тирозин. В результате накапливаются аномальные метаболиты фенилаланина, оказывающие сильный токсический эффект. Заболевание подагра связано с дефектом ферментов метаболизма пуриновых оснований и накоплением мочевой кислоты.

Кроме перечисленных, распространенными первичными энзимопатиями являются галактоземия, недостаточность лактазы и сахаразы.

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 и в 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.

Применение ферментов в медицине.

Использование ферментов в медицине происходит по четырем направлениям:

энзимодиагностика,

энзимотерапия,

использование ферментов в медицинских технологиях и промышленности.

применение ингибиторов ферментов.

9. Энзимодиагностика.

Энзимодиагностика – это исследование активности ферментов плазмы крови, мочи, слюны с целью диагностики тех или иных заболеваний. Например, по изменению активности одного из изоферментов лактатдегидрогеназы (ЛДГ) в плазме крови определяют где произошло нарушение: сердце, печени, скелетнй мышце. Увеличение активности α- амилазы в крови и моче налюдается при воспалительных заболеваниях в поджелудочной и слюнных железах.

Изоферменты

Изоферменты, или изоэнзимы – это множественные формы фермента,

катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающиеся друг от друга по физическим и химическим свойствам, в частности по сродству к субстрату, максимальной скорости катализируемой реакции (активности), электрофоретической подвижности или регуляторным свойствам.

Удивительной особенностью таких ферментов является зависимость активности всего комплекса от способа упаковки отдельных субъединиц. Если

генетически различимые субъединицы могут существовать более чем в одной

форме, то соответственно и фермент, образованный из двух или нескольких типов субъединиц, сочетающихся в разных количественных пропорциях, может существовать в нескольких сходных, но не одинаковых формах. Подобные разновидности фермента получили название изоферментов (изоэнзимов или,

реже, изозимов).

Одним из наиболее изученных ферментов, множественность форм которого детально изучена методом гель-электрофореза, является лактатдегидрогеназа (ЛДГ), катализирующая обратимое превращение пировиноградной кислоты в молочную. Она состоит из четырех субъединиц двух разных типов: Н (сердечный) и М- (мышечный). Активный фермент представляет собой одну из следующих комбинации: НННН, НННМ, ННММ, НМММ, ММММ или Н4, Н3М, Н2М2, НМ3, М4. Они соответствуют изоферментам ЛДГ1, ЛДГ2, ЛДГ3, ЛДГ4, и ЛДГ5. При этом синтез Н- и М-типов осуществляется различными генами и в разных органах экспрессируется поразному.

Поскольку Н-протомеры при рН 7,0-9,0 несут более выраженный отрицательный заряд, чем М-протомеры, то изофермент Н4 при электрофорезе будет мигрировать с наибольшей скоростью в электрическом поле к положительному электроду (аноду). С наименьшей скоростью будет продвигаться к аноду изофермент М4, в то время как остальные изоферменты будут занимать промежуточные позиции

Рис. 4. Распределение и относительное количество изоферментов ЛДГ в различных тканях.

Для каждой ткани в норме характерно свое соотношение форм (изоферментный спектр) ЛДГ. Например, в сердечной мышце преобладает тип Н4, т. е. ЛДГ1, а в скелетных мышцах и печени – тип М4, т.е. ЛДГ5.

Эти обстоятельства широко используют в клинической практике, поскольку изучение появления изоферментов ЛДГ (и ряда других ферментов) в сыворотке крови может представлять интерес для дифференциальной, топической диагностики органических и функциональных поражений органов и тканей. По изменению содержания изоферментов в сыворотке крови можно судить как о топографии патологического процесса, так и о степени поражения органа или ткани.

Энзимотерапия

Энзимотерапия – это использование ферментов в качестве лекарственных средств. Самыми распространенными ферментативными препаратами являются комплексы ферментов желудочно-кишчного тракта (фестал, Мезим Форте…), содержащие пепсин, трипсин, амилазу…, которые используются для заместительной терапии при нарушении переваривания веществ в желудочнокишечном тракте.

Лидаза (лекарственная форма гиалуронидазы) используется для размягчения рубцов, появления подвижности всустава, рассасывании гематом.

Рибонуклеаза и дезоксирибонуклеаза входят в состав глазных капель для лечения вирусных заболеваний конъюктивитов. При нанесении на рану они разжижают гной, деполимеризуя нуклеиновые кислоты.

Тканевой фермент гиалуронидаза нужна организму для обратимого изменения проницаемости межклеточного вещества, в основе которого находится гиалуроновая килота. Лекарственную форму гиалуронидазы – лидазу - вводят для размягчения рубцов, появления подвижности в суставах, рассасывания гематом.

Цитохром С - G-– белок, участвующий в процессах тканевого дыхания. Его применяют при асфиксии новорождённых, астматических состояниях, сердечной недостаточности, различных видах гепатита и т.п.

Рибонуклеаза и дезоксирибонуклеаза входят в состав глазных капель для лечения вирусных конъюнктивитов. При нанесении на рану они разжижают гной, при ингаляциях уменьшают вязкость слизи, деполимеризуя нуклеиновые кислоты в мокроте.

Трипсин ингалируют 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 технологиях

Специфичность ферментов к определенным субстратам широко нашла применение в настоящее время в лабораторной диагностике.

многие лабораторные методы основаны на взаимодействии добавляемого из вне фермента с определяемым соединением. В результате возникает специфичный продукт реакции, после определения содержания которого судят о концентрации искомого вещества (глюкозооксидазный, холестеролоксидазный методы);

иммуноферментные методы - основаны на образовании тройного комплекса фермент-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, ее измеряют любым доступным способом.

Использование ингибиторов ферментов

Весьма широко применяются 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 нейромедиатора ацетилхолина в синапсах и показаны при миастении, двигательных и чувствительных нарушениях при невритах, радикулитах&

Препараты, содержащие ингибиторы моноаминооксидазы (наком, мадопар), повышают выработку нейромедиаторов катехоламинов в ЦНС при лечении 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.

Аллопуринол – ингибитор ксантиноксидазы, фермента катаболизма пуринов, требуется для снижения образования мочевой кислоты и подавления развития гиперурикемии и подагры.

Ингибиторы гидроксиметилглутарил-SКоА-редуктазы (ловастатин, флувастатин, аторвастатин) применяются для снижения синтеза холестерола при атеросклерозе, заболеваниях сердечно-сосудистой системы, дислипопротеинемиях.