Реакции, катализируемые ферментами – основной объект, на который направлено действие регуляторов процессов жизнедеятельности

Тысячи химических реакций, составляющие основу процессов жизнедеятельности формируют тесно переплетенные и связанные между собой сети метаболических путей. Быстрая ответная реакция клетки на постоянно меняющиеся условия внешней среды требует тонкой и согласованной регуляции скоростей химических реакций. Это достигается благодаря развившимся в течении эволюции механизмам регуляции, объектом действия которых являются ферменты. Можно выделить две основные группы механизмов регуляции, одна из которых обеспечивает долговременную регуляцию, а вторая – быстрый ответ. Первая группа включает механизмы регуляции количества фермента в клетке. Изменение количества фермента обеспечивается как влиянием на их синтез (регуляция транскрипции, трансляции и посттрасляционной модификации белковой молекулы), так и на механизмы распада молекул ферментов (в цитозоле и лизосомах). Эти механизмы для своего проявления требуют довольно много времени, и не могут поддерживать гомеостаз при быстрых изменениях уровней метаболитов в клетке. Быстрый ответ клетки обеспечивается другой группой механизмов, оказывающих влияние на активность ферментов. Эта группа включает действие ингибиторов, протеолитическое активирование, влияние белковых ингибиторов, ковалентную модификацию структуры фермента и аллостерическую регуляцию.

Активность ферментов можно тормозить (ингибировать)

Кинетический анализ ферментативных реакций позволил выявить группу веществ, способных оказывать влияние на ход химической реакции, замедляя ее скорость. Такие вещества получили название ингибиторов. Ингибиторы – соединения, которые могут взаимодействовать с ферментами и тормозить их активность. Ингибиторами могут быть нормальные метаболиты, образующиеся в клетках в процессах жизнедеятельности или искусственно синтезированные молекулы, используемые для исследования механизмов ферментативнго катализа. Многие токсические вещества являются ингибиторами ферментов и их токсичность связана с тем, что они тормозят активность ферментов, ответственных за жизненные реакции. Некоторые из этих токсических ингибиторов специфичны для отдельных организмов, или групп организмов, и могут использоваться как антибиотики, пестициды, гербициды и так далее. Ингибиторы могут взаимодействовать с ферментами различными способами, и кинетика фермента - главный инструмент для исследования различий между этими механизмами.

Ингибиторы бывают разные: обратимые и необратимые

Вещества со свойствами ингибиторов ферментов можно грубо разделить на обратимые и необратимые. Обратимые ингибиторы связываются с ферментом, используя слабые связи, подобные тем, которые используются ферментом в связывании субстрата. Эти связи формируются быстро, но также быстро и легко разрушаются. Следствием такого связывания обратимого ингибитора является эффективное мгновенное действие, но после удаления ингибитора фермент сохраняет свою активность. Ингибитор находится в равновесии с ферментом, формируя комплекс ингибитора фермента:

Степень торможения зависит от количества фермента, связавшегося с ингибитором, т.е. от позиции равновесия.

Необратимые ингибиторы известны также как инактиваторы фермента. Они связываются с ферментом, формируя прочные, обычно ковалентные связи:

Реакция практически необратима и фермент теряет свою активность. Учитывая, что ковалентные связи образуются медленнее, для проявления действия необратимого ингибитора требуется некоторое время для взаимодействия с ферментом. Следовательно, действие необратимого ингибитора обычно зависит от времени и степень торможения увеличивается со временем контакта его с ферментом.

Многие необратимые ингибиторы нашли применение в исследовании ферментов и медицине.

Среди примеров необратимо действующих ингибиторов можно назвать диизопропилфторфосфат (ДИПФФ). Это соединение вошло в историю энзимологии как соединение использовавшееся для исследования роли химических групп в в структуре активного центра. ДИПФФ ковалентно связывается с гидроксильной группой серина и если эта группа важна в катализе реакции, фермент терял свою активность. Эти исследования позволило выявить группу ферментов, в активном центре которых активную роль играет серин (сериновые протеазы)

Другое соединение иодацетамид, образует ковалентную связь с SH–группами цистеина и если эта аминокислота важна для активности фермента, такой фермент утрачивает активность.

Ацетилсалициловая кислота (известный всем аспирин) является необратимым ингибитором циклооксигеназы- фермента участвующего в синтезе простагландинов. Ингибитором синтеза протеогликанов стенки бактерий является пенилиллин, структура которого напоминает D-аланин, встраиваемый в структуру протеогликанов. Связываясь с активным центром фермента бактерии благодаря своей схожести с переходным состоянием промежуточного продукта в активном центре, пенициллин образует ковалентную связь и тормозит работу фермента.