Добавил:
krasanya
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биохимия-экзамен-1-курс-пед
.pdf
16. Кофакторы ферментов: ионы металлов их роль в ферментативном катализе.
Коферменты как производные витаминов. Ингибирование ферментов: обратимое и
необратимое; конкурентное и неконкурентное. Лекарственные препараты как
ингибиторы ферментов.
Кофакторы — это небелковые молекулы, которые необходимы для активности ферментов. Они
могут быть прочно связаны с ферментом (простетическая группа) или слабо связаны
(коферменты).
Ионы металлов являются распространенными кофакторами, участвующими в ферментативном
катализе. Они могут выполнять различные роли:
1) Ионы металлов могут связываться с аминокислотными остатками и помогать
стабилизировать третичную и четвертичную структуры фермента. 2) Ионы металлов
могут непосредственно участвовать в химических реакциях, катализируемых
ферментами. Например, ион цинка в карбоангидразе участвует в гидратации углекислого
газа.
3) В некоторых случаях ионы металла служат "мостиком" между ферментом и субстратом.
Они выполняют функцию стабилизаторов активного центра, облегчая присоединение к нему
субстрата и протекание химической реакции. Перечисленные выше функции выполняют такие
металлы, как Mg
2+
, Mn
2+
, Zn
2+
, Co
2+
, Мо
2+
. В отсутствие металла эти ферменты активностью не
обладают. Такие ферменты получили название "металлоэнзимы".
Многие коферменты являются производными витаминов.
- тиамин, или витамин В1, (ТПФ) - кофермент пируватдекарбоксилазы участвует в
брожении
- рибофлавин, или витамин В2 (ФАД) - переносчик электронов
- ниацин, или витамин РР (НАД) - переносчик электронов
- пантотеновая кислота, или витамин В5 - кофермент А имеет активную тиольную
группу (- SH), которая имеет значение для функционирования КоА в качестве
Ферментативный ингибитор - вещество, замедляющее протекание ферментативной реакции.
Различают обратимые и необратимые ингибиторы. 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.
По прочности связывания:
1. 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.
2. Необратимое ингибирование
При необратимом ингибировании происходит связывание или разрушение функциональных групп
фермента, необходимых для проявления его активности. Формирование стабильного комплекса
ингибитора с ферментом, ведущее к его необратимой инактивации. Аллостерические ингибиторы
связываются с отдельными участками фермента вне активного центра. Такое связывание влечет за
собой конформационные изменения в молекуле фермента, которые приводят к уменьшению его
активности. Аллостерические эффекты встречаются практически только в случае олигомерных
ферментов.
По отношению ингибитора к активному центру:
1. Конкурентное ингибирование в этом случае ингибитор связывается в активном центре
фермента и конкурирует за него с субстратом. Таким образом, конкурентный ингибитор не
связывается с фермент-субстратным комплексом. Конкурентный ингибитор обычно структурно
схож с субстратом, однако фермент не способен катализировать реакцию в присутствии
ингибитора из-за отсутствия у последнего необходимых функциональных групп.
2. Неконкурентный ингибитор не мешает связыванию субстрата с ферментом. Он способен
присоединяться как к свободному ферменту, так и к фермент-субстратому комплексу с одинаковой
эффективностью. Ингибитор вызывает такие конформационные изменения, которые не позволяют
ферменту превращать субстрат в продукт, но не влияют на сродство фермента к субстрату.
Ингиби
торы АПФ (ингибиторы ангиотензинпревращающего фермента, иАПФ) — группа
природных и синтетических химических соединений, применяющихся для лечения и
профилактики сердечной и почечной недостаточности, для снижения артериального давления, в
пластической хирургии, для защиты от ионизирующих излучений
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.
17. Регуляция активности ферментов путём белок-белковых взаимодействий.
Аденилатциклазный механизм передачи гормонального сигнала. Роль цАМФ.
Термин белок-белковое взаимодействие обозначает
ситуацию, когда в качестве регулятора выступают не
метаболиты биохимических процессов, а специфичные
белки. В целом ситуация схожа с аллостерическим
механизмом: после влияния каких-либо факторов на
специфичные белки изменяется активность этих
белков, и они, в свою очередь, воздействуют на
нужный фермент.
Мембранный фермент аденилатциклаза является
чувствительным к воздействию мембранного G-белка,
который сам активируется при действии на клетку
некоторых гормонов (например, адреналина и глюкагона).
Циклический АМФ (циклоАМФ, цАМФ) – вторичный
мессенджер – в свою очередь связывается с
регуляторными (R) субъединицами протеинкиназы А и
вызывает их диссоциацию от каталитических. В
результате каталитические (C) субъединицы становятся
активными.
18. Инозитолфосфатный путь трансдукции сигнала, основные этапы, вторичные
посредники. Ионы кальция как вторичные посредники, кальмодулин.
По этому механизму, который получил название кальций-фосфолипидный механизм,
действуют вазопрессин (через V
1
-рецепторы), адреналин (через α
1
-
адренорецепторы), ангиотензин II.
Принцип работы этого механизма совпадает с аденилатциклазным, но мишеневым ферментом
для α-субъединицы G-белка служит фосфолипаза С (ФЛ С). Фосфолипаза С расщепляет
мембранный фосфолипид фосфатидилинозитолдифосфат (ФИФ
2
) до вторичных
мессенджеров инозитолтрифосфата (ИФ
3
) и диацилглицерола (ДАГ).
Инозитолтрифосфат открывает кальциевые каналы в эндоплазматическом ретикулуме, что
вызывает увеличение концентрации ионов Cа2+. Диацилглицерол совместно с ионами Са2+
активирует протеинкиназу С. ДАГ может распадаться на 1-моноацил глицерол и полиеновую
жирную кислоту (например, арахидоновую), из которой образуются эйкозаноиды.
Са2+ как вторичный посредник
Действие Ca2+ опосредовано специальными кальций-связывающими белками («кальциевыми
сенсорами»), например кальмодулином. При связывании четырёх ионов Ca2+ кальмодулин
переходит в активную форму, которая взаимодействует с многочисленными белками. Это
влияет на активность ферментов, ионных насосов и компонентов цитоскелета.
Кальмодулин
Ca2+-связывающий белок; связывание с Ca2+ в цитоплазме клеток изменяет его конформацию и
превращает его в активатор ферментов (например, протеинкиназ. фосфодиэстераз или киназы
лёгкой цепи миозина в ГМК); регулятор процесса сокращения ГМК и многих внутриклеточных
событий.
19. Аллостерическая регуляция активности ферментов. Роль аллостерических ферментов
в метаболизме клетки. Аллостерические эффекторы и ингибиторы. Особенности строения
и функционирования аллостерических ферментов и их локализация в метаболических
путях.
Аллостерические ферменты - ферменты, активность которых может регулироваться с
помощью веществ-эффекторов.
Аллостерические ферменты построены из двух и более субъединиц: одни субъединицы
содержат каталитический центр, другие имеют аллостерический центр и являются
регуляторными. Присоединение эффектора к аллостерической (регуляторной) субъединице
изменяет конформацию белка и, соответственно, активность каталитической субъединицы.
Аллостерические ферменты обычно стоят в начале метаболических путей, и от их активности
зависит течение многих последующих реакций. Поэтому они часто называются ключевыми
ферментами.
Эффектор, который вызывает снижение (ингибирование) активности фермента, называется
ингибитором. Эффектор, который вызывает повышение (активацию) активности ферментов,
называют активатором.
Аллостерические центры, так же как и каталитические, могут проявлять различную
специфичность по отношению к лигандам: она может быть абсолютной и групповой.
Некоторые ферменты имеют несколько аллостерических центров, одни из которых специфичны
к активаторам, другие - к ингибиторам.
Протомер, на котором находится аллостерический центр, называется регуляторным
протомером.
Аллостерические ферменты обладают свойством кооперативности: взаимодействие
аллостерического эффектора с аллостерическим центром вызывает кооперативное изменение
конформации всех субъединиц, приводящее к изменению конформации активного центра и
изменению сродства фермента к субстрату, что снижает или повышает каталитическую
активность фермента. Если к аллостерическому центру присоединяется ингибитор, то в
результате происходит изменение конформации активного центра, что вызывает снижение
сродства фермента к субстрату и снижение скорости ферментативной реакции. Если к
аллостерическому центру присоединяется активатор, то
сродство фермента к субстрату увеличивается, что вызывает
повышение скорости реакции.
Регуляция аллостерических ферментов обратима:
отсоединение эффектора от регуляторной субъединицы
восстанавливает исходную каталитическую активность
фермента.
Аллостерические ферменты играют важную роль в различных метаболических путях, так как
они чрезвычайно быстро реагируют на малейшие изменения внутреннего состава клетки.
Скорость метаболических процессов зависит от концентрации веществ, как использующихся,
так и образующихся в данной цепи реакций. Исходные вещества могут быть активаторами
аллостерических ферментов метаболического пути. В то же время при накапливании конечного
продукта какого-либо метаболического пути он может действовать как аллостерический
ингибитор фермента. Такой способ регуляции распространен в организме и носит название
«отрицательная обратная связь»
20. Регуляция каталитической активности ферментов ковалентной модификацией путем
фосфорилирования и дефосфорилирования.
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.
Фосфорилированию подвергаются ОН-группы фермента, которое осуществляется ферментами
протеинкиназами (фосфорилирование) и протеинфосфатазы (дефосфорилирование).
Например, в мышцах ферменты гликогенфосфорилаза и гликогенсинтаза
при нагрузке фосфорилируются, при этом фосфорилаза гликогена становится активной и
начинает расщепление гликогена и сжигание глюкозы, а гликогенсинтаза при
этом неактивна.
во время отдыха при синтезе гликогена оба фермента дефосфорилируются, синтаза при
этом становится активной, фосфорилаза – неактивной.
21. Ассоциация и диссоциация протомеров на примере протеинкиназы А и ограниченный
протеолиз при активации протеолитических ферментов как способы регуляции
каталитической активности ферментов.
Протеинкиназы - группа ферментов, катализирующих перенос остатка фосфорной кислоты с
АТФ на специфические ОН-группы аминокислотных остатков белков (вызывают
фосфорилирование белков).
Протеинкиназа А (цАМФ-зависимая) состоит из 4 субъединиц 2 типов: 2 регуляторных (R) и 2
каталитических (С). Такой тетрамер не обладает каталитической активностью. Регуляторные
субъединицы имеют участки связывания для циклического 3',5'-АМФ (цАМФ), по 2 на
каждую субъединицу. Присоединение 4 молекул цАМФ к 2 регуляторным субъединицам
приводит к изменению конформации регуляторных протомеров и к диссоциации
тетрамерного комплекса, при этом высвобождаются 2 активные каталитические субъединицы
(рис. 2-32). Такой механизм регуляции обратим. Отщепление цАМФ от регуляторных
субъединиц приведёт к ассоциации регуляторных и каталитических субъединиц
протеинкиназы А с образованием неактивного комплекса.
Ограниченный (частичный) протеолиз проферментов подразумевает, что синтез некоторых
ферментов осуществляется в виде более крупного предшественника и при поступлении в
нужное место этот фермент активируется через отщепление от него одного или нескольких
пептидных фрагментов. Подобный механизм защищает внутриклеточные структуры от
повреждений.
Примером служит активация протеолитических ферментов желудочно-кишечного тракта
(трипсиноген, пепсиноген, прокарбоксипептидазы), факторов свертывающей системы крови).
22. Медицинская энзимология: определение и основные разделы. Принципы
использования ферментов в качестве клинико-лабораторных биомаркёров.
Диагностическое значение изоферментов. Изоферменты, их происхождение, биологическое
значение, привести примеры. Определение ферментов и изоферментного спектра плазмы
крови с целью диагностики болезней.
Медицинская энзимология — это направление энзимологии, которое изучает роль ферментов
(энзимов) в развитии патологических состояний, а также использует ферменты для диагностики
и лечения.
Использование ферментов в медицине происходит по четырем направлениям:
энзимодиагностика,
энзимотерапия,
использование ферментов в медицинских технологиях и промышленности,
применение ингибиторов ферментов.
Энзимодиагностика – это исследование активности ферментов плазмы крови, мочи, слюны с
целью диагностики тех или иных заболеваний. В основе энзимодиагностики лежат два факта:
1. Заболевание органа приводит к понижению синтеза ферментов в клетках. Если
некоторые ферменты секретируются клетками наружу, то их активность в биологической
жидкости снижается. Примером является снижение активности факторов
гемостаза, церулоплазмина и псевдохолинэстеразы в крови при заболеваниях печени.
2. При воспалении или некрозе ткани происходит разрушение клеток, в результате чего
внутриклеточные ферменты (органоспецифичные) оказываются в плазме крови или в
моче, их активность здесь повышается.
Примером для второго случая может служить фермент лактатдегидрогеназа, определение его
активности в сыворотке крови необходимо при заболеваниях сердца, печени, скелетной
мускулатуры. Увеличение активности α-амилазы в плазме крови и моче наблюдается при
воспалительных процессах в поджелудочной и слюнных железах.
В то же время заболевания тех или иных органов всегда сопровождаются специфичным
"ферментативным профилем". Например, инфаркт миокарда сопровождается увеличением
активности лактатдегидрогеназы, креатинкиназы, аспартатаминотрансферазы.
Изоферменты – это молекулярные формы одного и того же фермента, возникшие в результате
небольших генетических различий в первичной структуре фермента, но катализирующие одну
и ту же реакцию. Изоферменты отличаются сродством к субстрату, максимальной скоростью
катализируемой реакции, чувствительностью к ингибиторам и активаторам, условиями работы
(оптимум pH и температуры).
Как правило, изоферменты имеют четвертичную структуру, т.е. состоят из двух или более
субъединиц. Например, димерный фермент креатинкиназа (КК) представлен тремя
изоферментными формами, составленными из двух типов субъединиц: M (англ. muscle –
мышца) и B (англ. brain – мозг). Креатинкиназа-1 (КК-1) состоит из субъединиц типа B и
локализуется в головном мозге, креатинкиназа-2 (КК-2) – по одной М- и В-субъединице,
наиболее активна в миокарде, креатинкиназа-3 (КК-3) содержит две М-субъединицы,
специфична для скелетной мышцы. Определение активности разных изоферментов КК в
сыворотке крови имеет клинико-диагностическое значение - инфаркт миокарда сопровождается
увеличением активности лактатдегидрогеназы, креатинкиназы, аспартатаминотрансфераз.
Также существует пять изоферментов лактатдегидрогеназы – фермента, участвующего в
обмене глюкозы. Отличия между ними заключаются в разном соотношении субъединиц Н
(англ. heart – сердце) и М (англ. muscle – мышца). Лактатдегидрогеназы типов 1 (Н
4
) и 2 (H
3
M
1
)
присутствуют в тканях с аэробным обменом (миокард, мозг, корковый слой почек), обладают
высоким сродством к молочной кислоте (лактату) и превращают его в пируват. Изоферменты
ЛДГ-4 (H
1
M
3
) и ЛДГ-5 (М
4
) находятся в тканях, склонных к анаэробному обмену (печень,
скелетные мышцы, кожа, мозговой слой почек), обладают низким сродством к лактату и
катализируют превращение пирувата в лактат. В тканях с промежуточным типом обмена
(селезенка, поджелудочная железа, надпочечники, лимфатические узлы) преобладает ЛДГ-3
(H
2
M
2
)