Регуляция активности ферментов регуляция скорости ферментативных реакций 1

Регуляция активности ферментов (регуляция скорости ферментативных реакций) 1. Эффекторы. Типы. Механизмы действия. 2. Уровни регуляции активности ферментов; 3. Механизмы регуляции активности регуляторных ферментов. 4. Изоферменты

Влияние эффекторов на активность (скорость реакции) ферментов • Эффекторы – вещества, которые связываясь с молекулой фермента, ингибируют( ингибиторы) или усиливают (активаторы) активность фермента. • Эффекторы: а. метаболиты, гормоны, образующиеся в организме, регулируют метаболизм, направляя его в нужное русло. б. лекарственные препараты В. яды.

Ингибиторы. Типы. • По степени прочности связывания с ферментом делят на необратимые и обратимые. • Обратимые ингибиторы – нековалентно связываются с ферментами, образуя комплекс E I , который способен диссоциировать при определенных условиях. Активность фермента восстанавливается EI E+I

Ингибиторы. Типы. • Необратимые ингибиторы – ковалентно связываются c ферментом, образуя прочный комплекс E I , который препятствуют образованию нормального комплекса ES. EI – практически не диссоциирует. Примеры: яды !!( ДФФ- диизопропилфторфосфат) – нервнопаралитический яд. Ингибируют фермент ацетилхолинэстеразу, которая участвует в передаче нервных импульсов от нейрона к нейрону. (На его основе – синтезированы многие инсектициды) Лекарственные препараты: Аспирин – противовоспалительный нестероидный препарат. Ингибирует фермент циклооксигеназу, который катализирует образование простагландинов из арахидоновой кислоты. Ингибированные молекулы фермента разрушаются. Простагландины – медиаторы воспаления. Их синтез восстанавливается только после синтеза новых молекул фермента.

Типы обратимых ингибиторов. Конкурентные ингибиторы • Обратимые ингибиторы делят на конкурентные и неконкурентные. • К конкурентным ингибиторам (тип ингибирования конкурентный) относят эффекторы, которые обратимо ингибируют активность фермента, путем связывания с активным центром фермента. Ингибитор структурный аналог субстрата. В результате чего возникает конкуренция субстрата и ингибитора за активный центр фермента. Виды взаимодействия молекул в этой ситуации: E+S → ES→E+P; E+I→EI

Результат действия конкурентного ингибирования на графике зависимости V от [S] контроль С ингибитором Км –повышается; V max – const. При достаточно высокой [S] субстрат вытесняет ингибитор из активного центра

Конкурентные ингибиторы • Тип ингибирования распространен в организме: • Конкурентными ингибиторами могут быть: промежуточные, конечные метаболиты, образующиеся в ходе метаболизма (антиметаболиты). Примеры: А. (В метаболизме: ) Глюкоза-6 -фосфат Из гликогена, глюконеогенеза Б. (В медицине) Метиловый спирт Этанол фосфатаза глюкоза + Р При достаточном уровне глюкозы реакция замедляется, т. к. глюкоза сходна по структуре с субстратом и конкурентно тормозит фосфатазу. Регуляция уровня сахара. Ал-дегидрогеназа формальдегид Этанол вытесняет ацетоальдегид мет. из актив. центра

Неконкурентные ингибиторы • Неконкурентные ингибиторы. Тип ингибирования – неконкурентный. Неконкурентный ингибитор не обладает сходством структуры с субстратом и связывается с ферментом вне активного центра (иногда затрагивается каталитический участок). Образуется тройной неактивный комплекс: E+S+ I ESI Сродство фермента к субстрата не изменяется, т. е. Км – не меняется

Результат действия неконкурентного ингибитора на графике зависимости [S] контроль V с ингибитором 1/2 Vмах Км [S] Км – не изменяется; Vмах – снижается. При увеличении концентрации субстрата ингибирование не снижается.

Уровни регуляции скорости ферментативных реакций • Для сохранения клеточного гомеостаза в клетках скорости ферментативных реакций в клетке изменяются в зависимости от условий среды и физиологического состояния организма (гипоксия, голод, физические нагрузки, стресс). Регуляция скорости реакции в клетке осуществляется на 3 -х независимых уровнях: 1. Регуляция количества фермента в клетке; 2. Наличие и концентрация субстрата в клетке; 3. Изменение активности фермента

1. Регуляция количества молекул фермента в клетке • Количество ферментов определяется соотношением скоростей двух процессов – синтеза, фолдинга белка и распада белка в клетке (тканевой протеолиз): синтез Аминокислоты фермент (белок) распад Синтез и фолдинг регулируются на разных этапах. Наиболее изучен механизм на уровне транскрипции(индукция – активация; репрессия – угнетение). Регуляция осуществляется метаболитами, гормонами и др. Регуляция распада ( протеолиз) менее изучена, но также, вероятно, на генетическом уровне.

2. Наличие и концентрация субстрата фермента • Наличие субстрата обязательно. Чем больше концентрация субстрата , тем скорость реакции выше, но не беспредельно. Возможно субстратное торможение. • Кривая Михаэлиса. V [S]

3. Регуляция каталитической активности ключевого (регуляторного) фермента метаболического пути • • 1. 2. 3. 4. Высокоэффективный способ регуляции метаболизма. Основные механизмы регуляции каталитической активности регуляторного ферментов: Аллостерическая регуляция; Регуляция путем ассоциации/диссоциации протомеров молекул ферментов; Регуляция путем фосфорилирования/ дефосфорилирования молекулы фермента; Регуляция путем частичного протеолиза

Аллостерическая регуляция • Характерна для олигомерных ферментов (четвертичная структура). В структуре имеются каталитические протомеры( с активным центром) и протомеры - регуляторные ( с аллостерич. центром) • Аллостерические ферменты меняют активность не только от концентрации субстрата , но и под действием эффекторов (результат- изменение конфигурации молекулы и активного центра). • Аллостерические ферменты- регуляторные ферменты метаболических путей, катализируют 1 -ю необратимую (самую медленную) реакцию метаболического пути. • Активность остальных ферментов этого пути от [S] • S P 1 P 2 P 3→ P E 1 E 2 E 3 E 4

Аллостерические эффекторы • Отличаются по химической природе от субстрата. • Активаторы и ингибиторы. • Аллостерические ингибиторы- конечный продукт метаболического пути. Аллостерическое ингибирование распространено в регуляции скорости метаболических путей. • Аллостерическое ингибирование часто называют – механизм отрицательной обратной связи • S E 1 P 1 E 2 P 2 E 3 P 3 E 4 P

Аллостерическая регуляция Активный E Неактивный E А Присоединение активатора в аллостер. центре Неактивный E Повышение сродства актив. центра к субстрату Активный E

Регуляция активности путем ассоциация/диссоциация • Ферменты- олигомерные белки; состоят из каталитических протомеров (с активным центром) и регуляторных ( центр связывания с эффектором). • Диссоциация ( ковалентная химическая модификация обратимая): • В состоянии «покоя» ( неактивном) структура молекулы фермента представлена комплексом этих субъединиц. В этом состоянии активный центр закрыт регуляторными протомерами – комплекс - неактивный. Активатор связывается с регуляторными единицами – комплекс диссоциирует и активный центр открывается. E –неактивный E-активный активатор + субстрат +

Регуляция путем ассоциации/диссоциации молекулы фермента Диссоциация: активация протеинкиназы; активатор ц. АМФ активатор Пример - Протеинкиназа активируется (класс трансфераз, подкласс киназы-фосфотрансферазы)

Регуляция активности путем ассоциации/диссоциации • Ассоциация – ковалентная химическая модификация обратимая • Ферменты - олигомерные белки. + E неактивный E активный Пример – ацетил. Ко. А-карбоксилаза (Синтез ВЖК)

РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТА ПУТЕМ ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ/ДЕФОСФОРИЛИРОВАНИЯ МОЛЕКУЛЫ ФЕРМЕНТА • Химическая модификация молекулы фермента ковалентная обратимая. • Модификации подвергается ОН –группа аминокислоты в составе фермента. К ОН- группе присоединяется фосфат ( или, наоборот, отщепляется фосфат). • Одни ферменты активны в фосфорилированом состоянии, другие - в дефосфорилированом. ОН +АТФ О + протеинкиназа E неактивный Р субстрат E активный (Другой фермент может наоборот)

Регуляция путем ассоциации/диссоциации молекулы фермента(протеинкиназа) с последующей активацией фосфорилированием( фермент-фосфорилаза) активатор Присоединение фосфата – протеинкиназы; Отщепление – фосфопротеинфосфатазы). Их эффекторы-гормоны

Регуляция активности путем ограниченного протеолиза Химическая модификация ковалентная необратимая. Активация профермента путем отщепления пептида под действием пептидаз(протеазы ЖКТ, факторы гемостаза) Пепсиноген неактивный пептид Пепсин активный

Изоферменты • Изоферменты – множественные формы ферментов, которые катализируют один тип реакции в разных тканях, но отличаются по составу, заряду и иммунологическим свойствам. • Это олигомерные белки. • например: лактатдегидрогеназа: Лактат +НАД Пировиноградная кислота +НАДН это тетрамер состоит из двух типов протомеров (субъединиц), Н – сердце ( heart) и М –мышцы( muscle) – Существует 5 изомеров. Строго распределены по органам. ЛДГ 1(Н 4); ЛДГ 2 (Н 3 М 1); ЛДГ 3 (Н 2 М 2); ЛДГ 4 (Н 1 М 3); ЛДГ 5 (М 4) Определяются с помощью электрофореза. Принцип методаразная скорость движения в электрическом поле всвязи с разным зарядом и ММ.