Являясь единицей живой материи, функционирующей как комплекс открытых биосистем, клетка постоянно обменивается с внешней средой веществами и энергией. Для поддержания гомеостаза в ней существует группа особых веществ белковой природы - энзимов. Строение, функции, а также регуляция активности ферментов изучаются специальной отраслью биохимии, называемой энзимологией. В данной статье на конкретных примерах мы рассмотрим различные механизмы и способы регуляции активности ферментов, присущие высшим млекопитающим и человеку.
Условия, необходимые для оптимальной активности энзимов
Биологически активные вещества, избирательно влияющие как на реакции ассимиляции, так и на расщепление, проявляют свои каталитические свойства в клетках при определенных условиях. Например, важно выяснить, в каком участке клетки протекает химический процесс, в котором участвуют энзимы. Благодаря компартментации (разделению цитоплазмы на участки) антагонистические реакции происходят в различных её частях и органоидах.
Так, синтез белков осуществляется в рибосомах, а их расщепление - в гиалоплазме. Клеточная регуляция активности ферментов, катализирующих противоположные биохимические реакции, обеспечивает не только оптимальную скорость протекания обмена веществ, но и препятствует формированию энергетически бесполезных метаболических путей.
Мультиферментный комплекс
Структурно-функциональная организация энзимов образует ферментативный аппарат клетки. Большинство химических реакций, протекающих в ней, взаимосвязаны. Если в многостадийном продукт первой реакции является реагентом для последующей, в этом случае пространственное расположение энзимов в клетке выражено особенно сильно.
Нужно помнить, что ферменты являются по своей природе простыми или сложными белками. И их чувствительность к клеточному субстрату объясняется прежде всего изменением собственной пространственной конфигурации третичной или четвертичной структуры пептида. Энзимы реагируют и на изменения не только внутри клеточных параметров, таких как химический состав гиалоплазмы, концентрацию реагентов и продуктов реакции, температуру, но и на изменения, происходящие в соседних клетках или в межклеточной жидкости.
Почему клетка разделена на компартменты
Разумность и логичность устройства живой природы просто поразительна. Это в полной мере относится и к жизненным проявлениям, характерным для клетки. Для ученого-химика совершенно понятно, что разнонаправленные ферментативные химические реакции, например синтез глюкозы и гликолиз, не могут протекать в одной и той же пробирке. Как же тогда происходят противоположные реакции в гиалоплазме одной клетки, являющейся субстратом для их проведения? Оказывается, клеточное содержимое - цитозоль, - в котором осуществляются антагонистические химические процессы, пространственно разделено и образует изолированные локусы - компартменты. Благодаря им метаболические реакции высших млекопитающих и человека регулируются особенно точно, а продукты обмена превращаются в формы, свободно проникающие через перегородки клеточных участков. Далее они восстанавливают свою первоначальную структуру. Кроме цитозоля, ферменты содержатся в органеллах: рибосомах, митохондриях, ядре, лизосомах.
Роль энзимов в энергетическом обмене
Рассмотрим окислительное декарбоксилирование пирувата. Регуляция каталитической активности ферментов в нем хорошо изучена энзимологией. Данный биохимический процесс протекает в митохондриях - двумембранных органеллах эукариотических клеток - и является промежуточным процессом между бескислородным расщеплением глюкозы и Пируватдегидрогеназный комплекс - PDH - содержит три фермента. У высших млекопитающих и человека снижение его происходит при повышении концентрации Ацетил-КоА и NATH, то есть в случае появления альтернативных возможностей образования молекул Ацетил-КоА. Если же клетка нуждается в дополнительной порции энергии и требует новых молекул акцептора для усиления реакций цикла трикарбоновых кислот, то ферменты активируются.
Что такое аллостерическое ингибирование
Регуляция активности ферментов может осуществляться специальными веществами - каталитическими ингибиторами. Они могут ковалентно связываться с определенными локусами энзима, минуя его активный центр. Это приводит к деформации пространственной структуры катализатора и автоматически влечет за собой снижение его ферментативных свойств. Иными словами, происходит аллостерическая регуляция активности ферментов. Добавим также, что такая форма каталитического воздействия присуща олигомерным энзимам, то есть тем, чьи молекулы состоят из двух и более полимерных белковых субъединиц. Рассмотренный в предыдущем заголовке PDH-комплекс как раз и содержит три олигомерных фермента: пируват дегидрогеназу, дегидролипоил дегидрогеназу и гидролипоил трансацетилазу.
Регуляторные ферменты
Исследования в энзимологии установили тот факт, что зависит как от концентрации, так и от активности катализатора. Чаще всего метаболические пути содержат главные ферменты, регулирующие на всех его участках.
Они называются регуляторными и обычно воздействуют на начальные реакции комплекса, а также могут участвовать в наиболее медленно протекающих химических процессах в необратимых реакциях, или же присоединятся к реагентам в точках ветвления метаболического пути.
Как осуществляется пептидное взаимодействие
Одним из способов, с помощью которого происходят регуляция активности ферментов в клетке, является белок-белковое взаимодействие. О чем речь? Осуществляется присоединение регуляторных белков к молекуле энзимов, вследствие чего происходит их активация. Например, фермент аденилатциклаза находится на внутренней поверхности клеточной мембраны и может взаимодействовать с такими структурами, как рецептор гормона, а также с пептидом, расположенным между ним и ферментом. Так как в результате соединения гормона и рецептора промежуточный белок изменяет свою пространственную конфирмацию, этот способ усиления каталитических свойств аденилатциклазы в биохимии носит название «активации вследствие присоединения белков-регуляторов».
Протомеры и их роль в биохимии
Эта группа веществ, иначе называемая протеинкиназами, ускорят перенос аниона PO 4 3- на гидроксогруппы аминокислот, входящих в пептидную макромолекулу. Регуляция активности ферментов протомеров будет рассмотрена нами на примере протеинкиназы А. Её молекула - тетрамер, состоит из двух каталитических и двух регуляторных пептидных субъединиц и не функционирует как катализатор до тех пор, пока к регуляторным участкам протомера не прикрепятся четыре молекулы цАМФ. Это вызывает трансформацию пространственной структуры белков-регуляторов, что приводит к высвобождению двух активированных каталитических белковых частиц, то есть происходит диссоциация протомеров. Если же от регуляторных субъединиц отделяются молекулы цАМФ, то неактивный комплекс протеинкиназы снова восстанавливается до тетрамера, так как происходит ассоциация каталитических и регуляторных пептидных частиц. Таким образом, рассмотренные выше пути регуляции активности ферментов обеспечивают их обратимый характер.
Химическая регуляция активности ферментов
Биохимия изучила и такие механизмы регуляции активности ферментов, как фосфорилирование, дефосфорилирование. Механизм регуляции активности ферментов в данном случае имеет следующий вид: аминокислотные остатки энзима, содержащие группы ОН - , изменяют свою химическую модификацию вследствие воздействия на них фосфопротеинфосфатаз. В этом случае коррекции поддается причем для одних энзимов это является причиной, активирующей их, а для других - ингибирующей. В свою очередь каталитические свойства самих фосфопротеинфосфатаз регулируются гормоном. Например, животный крахмал - гликоген - и жир в промежутках между приемами пищи расщепляются в желудочно-кишечном тракте, точнее, в двенадцатиперстной кишке под воздействием глюкагона - панкреатического фермента.
Этот процесс усиливается благодаря фосфорилированию трофических энзимов ЖКТ. В период активного пищеварения, когда пища поступает из желудка в двенадцатиперстную кишку, синтез глюкагона усиливается. Инсулин - еще один фермент поджелудочной железы, вырабатываемый альфа-клетками островков Лангерганса, - взаимодействует с рецептором, включая механизм фосфорилирования тех же пищеварительных энзимов.
Частичный протеолиз
Как видим, уровни регуляции активности ферментов в клетке разнообразны. Для энзимов, находящихся вне цитозоля или органоидов (в плазме крови или в желудочно-кишечном тракте), способом их активации служит процесс гидролиза пептидных связей CO-NH. Он необходим, так как такие ферменты синтезируются в неактивной форме. От молекулы энзима отщепляется пептидная часть, а в оставшейся структуре модификации подвергается активный центр. Это приводит к тому, что фермент «входит в рабочее состояние», то есть становится способным влиять на протекание химического процесса. Например, неактивный фермент поджелудочной железы трипсиноген не расщепляет белки пищи, поступающие в двенадцатиперстную кишку. В ней под действием энтеропептидазы происходит протеолиз. После чего энзим активируется и называется теперь трипсином. Частичный протеолиз - процесс обратимый. Он происходит в таких случаях, как активация энзимов, расщепляющих полипептиды, в процессах свертывания крови.
Роль концентрации исходных веществ в метаболизме клетки
Регуляция активности фермента доступностью субстрата частично рассматривалась нами в подзаголовке «Мультиферментный комплекс». Скорость протекания проходящих в несколько стадий, сильно зависит от того, сколько молекул исходного вещества находится в гиалоплазме или органеллах клетки. Это связано с тем, что скорость метаболического пути прямо пропорциональна концентрации исходного вещества. Чем больше молекул реагента находится в цитозоле, тем выше скорость всех последующих химических реакций.
Аллостерическая регуляция
Ферментам, активность которых контролируется не только концентрацией исходных веществ-реагентов, но еще и веществами-эффекторами, присуща так называемая Чаще всего такие энзимы представлены промежуточными продуктами обмена веществ в клетке. Благодаря эффекторам и осуществляется регуляция активности ферментов. Биохимия доказала, что такие соединения, названные аллостерическими энзимами, очень важны для метаболизма клетки, так как обладают чрезвычайно высокой чувствительностью к изменениям её гомеостаза. Если энзим угнетает химическую реакцию, то есть снижает её скорость - его называют отрицательным эффектором (ингибитором). В противоположном случае, когда наблюдается увеличение скорости реакции, речь идет об активаторе - положительном эффекторе. В большинстве случаев исходные вещества, то есть реагенты, вступающие в химические взаимодействия, играют роль активаторов. Конечные же, продукты, образовавшиеся в результате многостадийных реакций, ведут себя как ингибиторы. Такой вид регуляции, построенной на взаимосвязи концентрации реагентов и продуктов, называется гетеротрофным.
Ферменты являются регулируемыми катализаторами. В качестве регуляторов могут выступать метаболиты, яды. Различают:
- активаторы – вещества, увеличивающие скорость реакции;
- ингибиторы – вещества, уменьшающие скорость реакции.
Активация ферментов . Различные активаторы могут связываться либо с активным центром фермента, либо вне его. К группе активаторов, влияющих на активный центр, относятся: ионы металла, коферменты, сами субстраты.
Активация с помощью металлов протекает по различным механизмам:
Металл входит в состав каталитического участка активного центра;
Металл с субстратом образуют комплекс;
За счет металла образуется мости между субстратом и активным центром фермента.
Субстраты также являются активаторами. При увеличении концентрации субстрата скорость реакции повышается. по достижению концентрации насыщения субстрата эта скорость не изменяется.
Если активатор связывается вне активного центра фермента, то происходит ковалентная модификация фермента :
1) частичный протеолиз (ограниченный протеолиз). Таким образом активируются ферменты пищеварительного канала: пепсин, трипсин, химотрипсин. Трипсин имеет состояние профермента трипсиногена, состоящего из 229 АК остатков. Под действием фермента энтерокиназы и с добавлением воды он превращается в трипсин, при этом отщепляется гексапептид. Изменяется третичная структура белка, формируется активный центр фермента и он переходит в активную форму.
2) фосфорилирование - дефосфорилирование. Пр.: липаза+АТФ= (протеинкиназа) фосфорилированная липаза+АДФ. Это трансферная реакция, использующая фосфат АТФ. При этом осуществляется перенос группы атомов от одной молекулы к другой. Фосфорилированная липаза является активной формой фермента.
Таким же путем происходит активация фосфорилазы: фосфорилаза B+ 4АТФ= фосфорилаза А+ 4АДФ
Также при связывании активатора вне активного центра происходит диссоциация неактивного комплекса «белок-активный фермент». Например, протеинкиназа – фермент, осуществляющий фосфорилирование (цАМФ-зависимое). Протеинкиназа – это белок, имеющий четвертичную структуру и состоящий из 2-х регуляторный и 2-х каталитических субъединиц. R 2 C 2 +2цАМФ=R 2 цАМФ 2 + 2С. Такой тип регуляции называется аллостерической регуляцией (активацией).
Ингибирование ферментов . Ингибитор – это вещество, вызывающее специфическое снижение активности фермента. Следует различать ингибирование и инактивацию. Инактивация – это, например, денатурация белка в результате действия денатурирующих агентов.
По прочности связывания ингибитора с ферментом ингибиторы делят на обратимые и необратимые.
Необратимые ингибиторы прочно связаны и разрушают функциональные группы молекулы фермента, которые необходимы для проявления его каталитической активности. Все процедуры по очистке белка не влияют на связь ингибитора и фермента. Пр.: действие фосфорорганических соединений на фермент – холинэстеразу. Хлорофос, зарин, зоман и др. фосфорорганические соединения связываются с активным центром холинэстеразы. В результате происходит фосфорилирование каталитических групп активного центра фермента. В следствии молекулы фермента, связанные с ингибитором, не могут связываться с субстратом и наступает тяжелое отравление.
Также выделяют обратимые игнибиторы , например прозерин для холинэстеразы. Обратимое ингибирование зависит от концентрации субстрата и ингибитора и снимается избытком субстрата.
По механизму действия выделяют:
Конкурентное ингибирование;
Неконкурентное ингибирование;
Субстратное ингибирование;
Аллостерическое.
1) Конкурентное (изостерическое) ингибирование – это торможение ферментативной реакции, вызванное связыванием ингибитора с активным центром фермента. При этом ингибитор имеет сходство с субстратом. В процессе происходит конкуренция за активный центр: образуются фермент-субстратные и ингибитор-ферментные комплексы. E+S®ES® EP® E+P; E+I® E. Пр.: сукцинатдегидрогеназная реакция [рис. COOH-CH 2 -CH 2 -COOH®(над стрелкой СДГ, под ФАД®ФАДН 2) COOH-CH=CH-COOH]. Истинным субстратом этой реакции является сукцинат (янтарная к-та). Ингибиторы: малоновая к-та (COOH-CH 2 -COOH) и оксалоацетат (COOH-CO-CH 2 -COOH). [рис. фермента с 3 дырками+ субстрат+ ингибитор= комплекс ингибитора с ферментом]
Пр.: фермент холинэстераза катализирует превращение ацетилхолина в холин: (CH 3) 3 -N-CH 2 -CH 2 -O-CO-CH 3 ® (над стрелкой ХЭ, под – вода) CH 3 СOOH+(CH 3) 3 -N-CH 2 -CH 2 -OH. Конкурентными ингибиторами являются прозерин, севин.
2) Неконкурентное ингибирование – торможение, связанное с влиянием ингибитора на каталитическое превращение, но не на связывание фермента с субстратом. В этом случае ингибитор может связываться и с активным центром (каталитический участок) и вне его.
Присоединение ингибитора вне активного центра приводит к изменению конформации (третичной структуры) белка, вследствие чего изменяется конформация активного центра. Это затрагивает каталитический участок и мешает взаимодействию субстрата с активным центром. При этом ингибитор не имеет сходства с субстратом и это ингибирование нельзя снять избытком субстрата. Возможно образование тройных комплексов фермент-ингибитор-субстрат. Скорость такой реакции не будет максимальной.
К неконкурентным ингибиторам относят:
Цианиды. Они связываются с атомом железа в цитохромоксидазе и в результате этого фермент теряет свою активность, а т.к. это фермент дыхательной цепи, то нарушается дыхание клеток и они гибнут.
Ионы тяжёлых металлов и их органические соединения (Hg, Pb и др.). Механизм их действия связан с соединением их с различными SH-группами. [рис. фермента с SH-группами, иона ртути, субстрата. Все это соединяется в тройной комплекс]
Ряд фармакологических средств, которые должны поражать ферменты злокачественных клеток. Сюда же относятся ингибиторы, использующиеся в сельском хозяйстве, бытовые отравляющие вещества.
3) Субстратное ингибирование – торможение ферментативной реакции, вызванное избытком субстрата. Происходит в результате образования фермент-субстратного комплекса, неспособного подвергаться каталитическому превращению. Его можно снять и уменьшить концентрацию субстрата. [рис. связывания фермента сразу с 2 субстратами]
4) Аллостерическое ингибирование – торможение ферментативной реакции, вызванное присоединением аллостерического ингибитора в аллостерическом центре аллостерического фермента. Такой тип ингибирования характерен для аллостерических ферментов, имеющих четвертичную структуру. В качестве ингибиторов могут выступать метаболиты, гормоны, ионы металлов, коферменты.
Механизм действия:
а) присоединение ингибитора к аллостерическому центру;
б) изменяется конформация фермента;
в) изменяется конформация активного центра;
г) нарушается комплиментарность активного центра фермента к субстрату;
д) уменьшается число молекул ES;
е) уменьшается скорость ферментативной реакции.
[рис. фермент с 2 дырками, к одной аллостерический ингибитор и вторая меняет форму]
К особенностям аллостерических ферментов относят ингибирование по отрицателтной обратной связи. A®(E 1)B®(E 2) C®(E 3) D (от D стрелочка к стрелке между А и В). D – метаболит, действующий как аллостерический ингибитор на фермент Е 1 .
Обмен веществ
Обмен веществ (метаболизм) – это совокупность физиологических и биохимических процессов, обеспечивающих жизнедеятельность организма во взаимосвязях с внешней средой, направленных на самовоспроизведение и самосохранение.
К физиологическим процессам относятся пищеварение, всасывание, внешнее дыхание, выделение и др.; к биохимическим – химические превращения белков, жиров, углеводов, поступающих в организм в виде пищевых веществ. Особенностью биохимических процессов является то, что они осуществляются в ходе ряда ферментативных реакций. Именно ферменты обеспечивают определенную последовательность, места и скорость реакций.
По направленности все химические превращения делят на:
а) диссимиляция (катаболизм) – распад веществ до более простых с переходом энергии связей вещества в энергию макроэргических связей (АТФ, НАД·Н, др.);
б) ассимиляция (анаболизм) – синтез более сложных веществ из более простых с затратой энергии.
Биологическое значение этих двух процессов состоит в том, что при расщеплении веществ освобождается заключенная в них энергия, которая обеспечивает все функциональные возможности организма. В то же время, при распаде веществ образуются "строительные материалы" (моносахариды, АК, глицерин и др.), которые затем используются в синтезе специфических организму веществ (белков, жиров, углеводов и др.).
[СХЕМА] Над горизонтальной линией (во внешней среде) – "белки, жиры, углеводы", от них стрелка вниз под линию (внутри организма) к надписи "диссимиляция", от последней четыре стрелки: две вверх к надписям над линией "теплота" и "конечные продукты"; одна стрелка вправо к надписи "промежуточные вещества (метаболиты)", от них к "ассимиляция", затем к "собственные белки, жиры, углеводы"; одна стрелка вниз к надписи "энергия АТФ", от нее – к "мышечное сокращение, проведение нервного импульса, секреция и др." а также наверх к "теплота" и "ассимиляция".
Диссимиляция белков, жиров и углеводов протекает по-разному, но в разрушении этих веществ есть ряд общих этапов:
1) Этап переваривания . В ЖКТ белки распадаются до АК, жиры – до глицерина и ВЖК, углеводы – до моносахаридов. Нарабатывается большое количество неспецифических веществ из специфических, поступающих извне. За счет переваривания в ЖКТ выделяется около 1% химической энергии веществ. Этот этап необходим для того, чтобы вещества, поступившие с пищей, смогли всосаться.
2) Этап межуточного обмена (тканевой обмен веществ, метаболизм ). На клеточном уровне он распределяется на анаболизм и катаболизм. Образуются и превращаются промежуточные вещества обмена веществ – метаболиты . При этом мономеры, образовавшиеся на этапе переваривания, распадаются с образованием небольшого (до пяти) ключевых промежуточных продуктов: ЩУК, альфа-КГ, ацетил-КоА, ПВК, альфа-глицерофосфат. Выделяется до 20% энергии веществ. Как правило, межуточный обмен происходит в цитоплазме клеток.
3) Окончательный распад веществ с участием кислорода до конечных продуктов (СО 2 , Н 2 О, азотсодержащие вещества). Выделяется около 80% энергии веществ.
Все рассмотренные этапы отражают лишь главные формы обменных процессов. Как на втором, так и на третьем этапах выделяющаяся энергия накапливается в виде энергии химических связей макроэргических соединений (это вещества, имеющие хотя бы одну макроэргическую связь, напр., АТФ, ЦТФ, ТТФ, ГТФ, УТФ, АДФ, ЦДФ, …, креатинфосфат, 1,3-дифосфоглицериновая кислота). Так, энергия связи последнего фосфата в молекуле АТФ составляет около 10-12 ккал/моль.
Биологическая роль обмена веществ:
1. аккумуляция энергии при распаде химических соединений;
2. использование энергии для синтеза собственных веществ организма;
3. распад обновляемых структурных компонентов клетки;
4. происходит синтез и распад биомолекул специального назначения.
Обмен белков
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
| Твитнуть |
Все темы данного раздела:
Белки и их биологическая роль
Белок (протеины) – protos – предшествующий всему, первичный, наиглавнейший, определяющий всё остальное.
Белки – это высокомолекулярные азотсодержащие органические вещества, состо
Характеристика простых белков
В основе классификации (создана в 1908г.) лежит растворимость белков. По этому признаку выделяют:
I. гистоныипротамины, растворимые в солевых растворах. О
Хромопротеины
Для них простетическая часть окрашена (chromos – краска). К хромопротеинам относятся гемоглобин, миоглобин, каталаза, пероксидаза, ряд флавинсодержащих ферментов (сукцинатдегидрогеназа, альдегидокс
Липид-белковые комплексы
Липид-белковые комплексы – сложные белки, простетическую часть которых составляют различные липидные компоненты. К таким компонентам относятся:
1. предельные и непредельные В
Нуклеопротеины
Нуклеопротеины – это сложные белки, содержащие в качестве небольшой части нуклеиновые кислоты (до 65%).
НП состоят из 2-х частей: белковой (содержит гистоны и протамины, кото
Углевод-белковые комплексы
В качестве простетической группы выступают углеводы. Все углевод-белковые комплексы делятся на гликопротеины и протеогликаны.
Гликопротеины (ГП)– комплекс белков с углеводными ко
Фосфопротеины
Белки, где в качестве простетической группы – фосфорная кислота. Присоединение фосфорной кислоты к полипептидной цепи идет с образованием сложноэфирной связи с АК СЕР или ТРЕ.
Строение коферментов
Коферменты в каталитических реакциях осуществляют транспорт различных групп атомов, электронов или протонов. Коферменты связываются с ферментами:
- ковалентными связями;
- ионными
Изоферменты
Изоферменты – это изофункциональные белки. Они катализируют одну и ту же реакцию, но отличаются по некоторым функциональным свойствам в силу отличий по:
- аминокислотному составу;
Свойства ферментов
Общие черты ферментов и небиологических катализаторов:
1) и те, и другие катализируют только энергетически возможные реакции;
2) увеличивают скорость реакции;
3) н
Номенклатура ферментов
1) Существует тривиальная номенклатура – названия случайные, без системы и основания, например трипсин, пепсин, химотрипсин.
2) Рабочая номенклатура – название фермента составляется из наз
Современные представления о ферментативном катализе
Первая теория ферментативного катализа была выдвинута в начале 20 века Варбургом и Бейлисом. Эта теория предлагала считать, что фермент адсорбирует на себе субстрат, и называлась адсорбционной, но
Молекулярные эффекты действия ферментов
1) Эффект концентрирования – это адсорбирование на поверхности молекулы фермента молекул реагирующих веществ, т.е. субстрата, что приводит к их лучшему взаимодействию. Пр.: электростатическое притя
Теория кислотно-основного катализа
В составе активного центра фермента имеются как кислые, так и основные функциональные группы. В результате этого фермент проявляет в ходе катализа кислотно-основные свойства, т.е. играет как роль д
Переваривание и всасывание белков
Функции белков многообразны, но особенно выделяются структурная, каталитическая и энергетическая функции. Энергетическая ценность белка около 4,1 ккал/г.
Среди всех веществ, поступающих в
Превращение белков в органах пищеварения
Все белки подвергаются действию гидролаз (третий класс ферментов), а именно пептидаз – они, как правило, вырабатываются в неактивной форме, а затем активируются путем частичного протеолиза.
Переваривание сложных белков и их катаболизм
1. Гликопротеины гидролизуются с помощью гликозидаз (амилолитических ферментов).
2. Липопротеины – с помощью липолитических ферментов.
3. Гемсодержащие хромопроте
Гниение белков и обезвреживание его продуктов
Гниение белков – это бактериальный распад белковых веществ и АК под действием микрофлоры кишечника. Идет в толстой кишке, однако может наблюдаться и в желудке – при снижении кислотнос
Метаболизм аминокислот
Фонд АК организма пополняется за счет процессов:
1) гидролиза белков пищи,
2) гидролиза тканевых белков (под действием катепсинов лизосом).
Расходуется АК-фонд на процесс
Общие пути обмена веществ
1. Переаминирование (открыто в 1937 г. Браунштейном и Крицмом).
Временное обезвреживание аммиака
Аммиак токсичен (50 мг аммиака убивает кролика, при этом =0,4-0,7 мг/л). Поэтому в тканях аммиак обезвреживается временными путями:
1) в основном – образов
Орнитиновый цикл мочевинообразования
Мочевина содержит 80-90% всего азота мочи. В сутки образуется 25-30 г мочевины NH2-CO-NH2.
1. NH3 + CO
Синтез и распад нуклеотидов
Особенности обмена нуклеотидов:
1. Ни сами нуклеотиды, ни азотистые основания, поступающие с пищей, не включаются в синтез нуклеиновых кислот и нуклеотидов организма. Т.е., нуклеотиды пищи
Окисление пуриновых нуклеозидов
Аденозин® (аденозиндезаминаза, +Н2О, –NH4+) инозин® (пуриннуклеозидфосфорилаза, +Фн –рибозил-1-Ф) гипоксантин (6-оксопурин) ® (ксантинокси
Функционирование ДЦ
Субстрат·Н2 → НАД → ФМН → КоQ → 2b → 2c1→ 2c → 2a → 2a3 → O
Репликация (самоудвоение, биосинтез) ДНК
В 1953 г. Уотсон и Крик открыли принцип комплементарности (взаимодополняемости). Так, А=Т, а ГºЦ.
Условия, необходимые для репликации:
1. стр
Транскрипция (передача информации с ДНК на РНК) или биосинтез РНК
При транскрипции, в отличие от репликации, информации передается с небольшого участка ДНК. Элементарной единицей транскрипции является оперон (транскриптон)- участок ДНК, подвергающийся тран
Регуляция биосинтеза белка
Клетки многоклеточного организма содержат одинаковый набор ДНК, но белки синтезируются разные. Например, соединительная ткань активно синтезирует коллаген, а в мышечных клетках такого белка нет. В
Механизмы развития раковой опухоли
Рак – генетическое заболевание, т.е. повреждение генов.
Виды повреждений генов:
1) потеря гена,
2) собственно повреждение гена,
3) активация гена,
Переваривание липидов
Поступая с пищей, липиды в ротовой полости подвергаются только механической обработке. Липолитические ферменты в ротовой полости не образуются. Переваривание липидов будет происходить в тех отделах
Механизм ресинтеза жира
Ресинтез жира в стенке кишечника происходит следующим образом:
1. сначала продукты гидролиза (глицерин, ВЖК) активируются с использованием АТФ. Далее происходит последовательное ацилирован
Транспортные формы липидов в организме
Липиды являются нерастворимыми в воде соединениями, поэтому для их переноса кровью необходимы специальные переносчики, растворимые в воде. Такими транспортными формами являются липопротеины плазмы
Превращение липидов в тканях
В тканях постоянно идут процессы распада и синтеза липидов. Основную массу липидов организма человека составляют ТГ, которые в клетке имеются в виде включений. Период обновления ТГ в разных тканях
Биосинтез глицерина и ВЖК в тканях
Биосинтез глицерина в тканях тесно связан с метаболизмом глюкозы, которая в результате катаболизма проходит стадии образования триоз. Глицеральдегид–3–фосфат в цитоплазме по
Патология липидного обмена
На этапе поступления с пищей. Обильная жирная пища на фоне гиподинамии ведёт к развитию алиментарного ожирения. Нарушение обмена может быть связано с недостаточным поступлением жир
Ионы Са2+
Образуют соединение с белком - кальмодулин. Комплекс Са2+-кальмодулин активирует ферменты (аденилатциклазу, фосфодиэстеразу, Са2+-зависимую протеинкиназу). Есть группа
Гормоны паращитовидных желез
Парат-гормон, состоит из 84 АК, регулирует уровень Са2+, стимулирует выход кальция (и фосфора) из костей в кровь; Повышают реабсорбцию кальция в почках, но стимулируется выход фосфора; С
Роль витаминов в обмене веществ
1.(!) витамины – предшественники коферментов и простетических групп ферментов.
Напр., В1 – тиамин – входит в состав кофермента декарбоксилаз кетокислот в виде ТПФ (ТДФ), В2 – рибофлавин –
Понятие о гиповитаминозах, авитаминозах и гипервитаминозах
Гиповитаминоз – патологическое состояние, связанное с недостатком витамина в организме.
Авитаминоз – патологическое состояние, вызванное отсутствием витамина в организме.
Причины гиповитаминозов
1. Первичные: недостаток витамина в пище.
2. Вторичные:
а) снижение аппетита;
б) повышенный расход витаминов;
в) нарушения всасывания и утилизации, напр., энтеро
Витамин А
Витамеры: А1 – ретинол и А2 – ретиналь.
Клиническое название: антиксерофтальмический витамин.
По химической природе: циклический непредельный одноатомный спирт на основе кольца b-
Витамин D
Антирахитический витамин. Существуют два витамера:
D2 – эргокальциферол и D3 – холекальциферол.
Витамин D2 содержится в грибах. Витамин D3 синтезируется в орг
Витамин Е
Устар.: антистерильный витамин, антиоксидантный энзим.
В химическом плане это альфа-, бета-, гамма- и дельта-токоферолы, но преобладающим является альфа-токоферол.
Витамин Е устой
Витамин К
Антигеморрагический витамин.
Витамеры: К1 – филлохинон и К2 – менахинон.
Роль витамина К в обмене веществ
Это кофактор карбоксилирования глутамино
Пантотеновая кислота. [рис. формулы НОСН2-С((СН3)2)-СН(ОН)-СО-NH-СН2-СН2-СООН] Состоит из масляной кислоты с b-аланином.
Гидроксилирование ксенобиотиков с участием микросомальной монооксигеназной системы
1. бензола:
[рис. бензол+ О2 +НАДФН2®(гидроксилаза, цитохром Р450) фенол + НАДФ+ Н2О]
2. индола:
[рис. индол+ О2 +Н
Роль печени в пигментном обмене
Пигментный обмен представляет собой совокупность сложных взаимопревращений окрашенных веществ тканей и жидкостей организма человека.
К пигментам относятся 4 группы веществ:
1. гем
Биосинтез гема
Биосинтез гема идет в большинстве тканей, за исключением эритроцитов, которые не имеют митохондрий. В организме человека гем синтезируется из глицина и сукцинил-КоА, образованного в результате мета
Распад гема
Большая часть гемхромагенных пигментов в организме человека образуется при распаде гема. Главным источником гема является гемоглобин. В эритроцитах содержание гемоглобина составляет 80%, время жизн
Патология пигментного обмена
Как правило, связана с нарушением процессов катаболизма гема и выражается гипербилирубинемией и проявляется в желтушечности кожи и видимых слизистых оболочек. Накапливаясь в ЦНС, билирубин вызывает
Типы изменения биохимического состава крови
I. Абсолютные и относительные.
Абсолютные обусловлены нарушением синтеза, распада, выведения того или иного соединения.
Относительные обусловлены изменением объема ц
Белковый состав крови
Функции белков крови:
1. поддерживают онкотическое давление (в основном за счет альбуминов);
2. определяют вязкость плазмы крови (в основном за счет альбуминов);
Общий белок
В норме общий белок крови 65-85 г/л.
Общий белок – это сумма всех белковых веществ крови.
Гипопротеинемия – снижение альбуминов. Причины:
Глобулины в норме 20-30 г/л
I. α1 -глобулины
α-антитрипсин – ингибирует трипсин, пепсин, эластазу, некоторые другие протеазы крови. Выполняет антивоспалитель
Остаточный азот
Остаточный азот – это сумма азота всех небелковых азотсодержащих веществ крови. В норме 14-28 ммоль/л.
1. Метаболиты:
1.1. аминокислоты (25%);
1.2. креат
Углеводный обмен
Глюкоза в капиллярной крови натощак 3,3-5,5 ммоль/л.
1. Гипергликемия (повышение глюкозы):
1.1. панкреатическая гипергликемия – при отсутствии инсул
Липидный обмен
Холестерин в норме 3-5,2 ммоль/л. В плазме находится в составе ЛПНП, ЛПОНП (атерогенные фракции) и ЛПВП (антиатерогенная фракция). Вероятность развития атеросклероза
Минеральный обмен
Натрий – это основной внеклеточный ион. На уровень Na+ в крови влияют минералокортикоиды (альдостерон задерживает натрий в почках). Уровень натрия увеличивается за счет гем
Ферменты плазмы крови
Классифицируются:
1. Функционирующие ферменты (собственно плазменные). Напр., ренин (повышает АД через ангиотензин II), холинестераза (расщепляет ацетилхолин). Их активность выше в
Физические свойства мочи здорового человека, их изменения при патологии
I. Количество мочи в норме 1,2-1,5 л.
Полиурия – увеличение количества мочи из-за:
1) увеличения фильтрации (под действием адреналина увеличивается фи
Показатели химического состава мочи
Общий азот – это совокупность азота всех азотсодержащих веществ в моче. В норме – 10-16 г/сутки. При патологиях общий азот может:
ü увеличиваться – гиперазотурия
Особенности обмена веществ в нервной ткани
Энергетический обмен.
В ткани головного мозга увеличено клеточное дыхание (преобладают аэробные процессы). Мозг потребляет большее количество кислорода, чем постоянно работающее сер
Химическая передача нервного возбуждения
Передача возбуждения с одной клетки на другую происходит с помощью нейромедиаторов:
- нейропептидов;
- АК;
- ацетилхолина;
- биогенных аминов (адреналин,
Способность к регуляции делает ферменты важными участниками и своеобразными организаторами клеточных процессов в организме человека. Регуляция скорости ферментативных реакций в клетке -- основной механизм не только контроля и координации метаболических путей, но и роста и развития клетки, а также ее ответа на изменение окружающей среды.
Существует два основных способа контроля скорости ферментативных реакций:
Контроль количества фермента.
Количество фермента в клетке определяется соотношением скоростей его синтеза и распада. Этот способ регуляция скорости ферментативной реакции является более медленным процессом (проявляется спустя несколько часов), чем регуляция активности фермента (практически мгновенный ответ).
Контроль активности фермента.
Активность фермента может регулироваться путем взаимодействия с определенными веществами, изменяющими конформацию активного центра.
Регуляция субстратом реакции.
Регуляция ферментативной активности, осуществляемая в центре присоединения субстрата, носит название изостерической.
Одним из относительно простых способов регуляции активности ферментов является регуляция с помощью изменения концентрации субстратов реакции. Чем больше в распоряжении фермента имеется молекул веществ, превращения которых он осуществляет, тем выше (до определенных пределов) скорость процесса. При насыщении всех молекул фермента субстратом скорость реакции достигает максимального уровня. В дальнейшем скорость реакции может понизиться по мере исчерпания запасов субстрата и вновь возрасти при их восстановлении.
Слишком большая концентрация субстрата также может понижать скорость ферментативной реакции. Этот феномен носит название субстратного торможения.
В качестве примера субстратного торможения можно привести фермент, расщепляющий биологически активное вещество ацетилхолин - ацетилхолинэстеразу (АХЭ). К активному центру АХЭ субстрат (ацетилхолин) присоединяется двумя концами молекулы одновременно. При увеличении концентрации ацетилхолина с одной молекулой фермента могут одновременно реагировать две молекулы субстрата, но разными концами. В этом случае реакция, суть которой заключается в разрыве сложноэфирной связи в середине молекулы ацетилхолина (с образованием холина и уксусной кислоты), оказывается невозможной, и молекулы ацетилхолинэстеразы, нагруженные субстратом, оказываются тем не менее лишенными активности.
Уменьшение концентрации ацетилхолина в среде приведет к диссоциации неактивного комплекса и снимет торможение. Этот механизм имеет важное физиологическое значение для регуляции концентрации ацетилхолина, который выполняет в нервной системе и мышцах роль медиатора, передающего возбуждение с одной клетки на другую.
Аллостерическая регуляция. Фермент изменяет активность с помощью нековалентно связанного с ним эффектора. Связывание происходит в участке, пространственно удаленном от активного (каталитического) центра (allos - иной). Это связывание вызывает конформационные изменения в молекуле белка, приводящие к изменению определенной геометрии каталитического центра. Активность может увеличиться - это активация фермента, или уменьшиться - это ингибирование.
«Сообщение» о присоединении аллостерического активатора передается посредством конформационных изменений каталитической субъединице, которая становится комплементарной субстрату, и фермент «включается». При удалении активатора фермент вновь переходит в неактивную форму и «выключается». Аллостерическая регуляция является основным способом регуляции метаболических путей.
Метаболические цепи.
Обычно ферментативные реакции в клетке организованы в метаболические цепи или циклы, где самая медленная стадия лимитирует скорость всей цепи, то есть последовательности реакций, объединяемых общими субстратами. фермент ингибитор катализ полипептидный
В таких цепях нередко наблюдается так называемая регуляция по типу обратной связи. Она служит для того, чтобы скорректировать работу цепи с потребностями клетки в конечном продукте. Принцип регуляции заключается в том, что ферменты, стоящие в начале цепи, ингибируются отдаленными метаболитами или конечными продуктами.
Такая регуляция чаще всего происходит по аллостерическому типу, когда молекула регулятора связывается с ферментом в специальном регуляторном центре. Аллостерические ферменты часто выполняют ключевую роль в регуляции обмена веществ, поскольку обладают способностью определять количество важных метаболитов и изменять в соответствии с этим свою активность.
В каждой метаболической цепи есть фермент, который задает скорость всей цепочке реакций. Он называется регуляторным ферментом.
Ферменты, регулирующие скорость метаболических путей:
- - обычно действуют на ранних стадиях метаболических путей, в местах ключевых разветвлений метаболических путей;
- - катализируют в условиях клетки практически необратимые реакции, протекающие наиболее медленно (ключевые).
Химическая модификация белков осуществляется за счет присоединения к аминокислотным остаткам в молекуле белка определенных групп: фосфатной группы (при участии протеинкиназ), остатка жирной кислоты (с помощью ацилтрансфераз), углеводных компонентов (гликозил-трансферазы, гликозидазы).
Белки, как правило, имеют лабильную структуру, упаковка которой сильно зависит от свойств химических групп, входящих в состав молекулы. Поэтому присоединение к молекуле белка дополнительных группировок существенно влияет на структуру, а следовательно, и на ферментативную активность молекулы. Такая регуляция носит приспособительный (адаптационный) характер.
Пример. Регуляция активности ферментов путем фосфорилирования-дефосфорилирования. Фермент изменяет активность в результате ковалентной модификации. `
В этом случае фосфатная группа - ОРО32- присоединяется к гидроксильным группам в остатках серина, треонина или тирозина. В зависимости от природы фермента фосфорилирование может его активировать или, наоборот, инактивировать. Реакция присоединения фосфатной группы и ее отщепление катализируют специальные ферменты - протеинкиназы и протеинфосфатазы.
Фосфорилирование - распространенный способ изменить свойства некоторых клеточных белков. Так, при фосфорилировании компонентов цитоскелета (комплекса структурных белков, обеспечивающих поддержание прочности и функционирования клетки) изменяются прочность его взаимодействия с мембраной и форма клеток. Фосфорилирование белков - регуляторов сокращения активирует сократительную реакцию мышцы.
Регуляция с помощью химической модификации белка приводит к долговременным последствиям: модифицированные молекулы сохраняют свои функции измененными до тех пор, пока специальные ферменты не отщепят модифицирующую белок химическую группу и не вернут его в исходное состояние.
Регуляция путем белок-белковых взаимодействий (ассоциации-диссоциации субъединиц в олигомерном ферменте). Например, фермент протеинкиназа в неактивной форме построена как тетрамер R2C2 (R и С - разные субъединицы). Активная протеинкиназа представляет собой субъединицу С, для освобождения которой необходима диссоциация комплекса. Активация фермента происходит при участии цAMP, который способен присоединиться к субъединице R, после чего изменяется конформация, комплементарность субъединиц R и С и происходит диссоциация комплекса: R2C2 + 2cАМР 2С + 2(R -цАМР)
Протеинкиназа фосфорилирует соответствующие ферменты, изменяет их активность и, следовательно, скорость метаболизма в клетке.
Активация ферментов путем частичного протеолиза.
Чачтичный протеолиз-разрушение белковой структкры до аминокислотных остатков,для того.чтобы слизистая пожелудочной не разрушилась от трипсина
Некоторые ферменты синтезируются первоначально неактивными и лишь после секреции из клетки переходят в активную форму. Неактивный предшественник называется проферментом. Активация профермента включает модификацию первичной структуры с одновременным изменением конформации. Например, трипсиноген, синтезированный в поджелудочной железе, затем в кишечнике превращается в трипсин путем удаления фрагмента с N-конца гексапептида. Расщепление определенных пептидных связей «запускает» новые взаимодействия R-групп по всей молекуле, приводя к новой конформации, в которой R-группы активного центра занимают оптимальное положение для катализа (рис.10).
Роль липидного окружения.
Изменение вязкости микроокружения белковых молекул управляет взаимодействием между белками в олигомерных комплексах и регулирует активность мембраносвязанных ферментов.. Этот тип регуляции, который обнаружен в случае многих мембранных белков, обеспечивает тонкую настройку их работы на сиюминутные потребности клетки.
1. Все химические реакции в клетке протекают при участии ферментов. Поэтому, чтобы воздействовать на скорость протекания метаболического пути (последовательного превращения одних веществ в другие), достаточно регулировать количество молекул фермента или их активность. Обычно в метаболических путях имеются ключевые ферменты, за счет которых происходит регуляция скорости всего пути. Эти ферменты (один или несколько в метаболическом пути) называются регуляторными ферментами. Регуляция скорости ферментативных реакций осуществляется на трех независимых уровнях: изменением количества молекул фермента, доступностью молекул субстрата и кофермента, изменением каталитической активности молекулы фермента (табл. 2.6).
Таблица 2.5. Способы регуляции скорости ферментативных реакций
| Способ регуляции | Характеристика |
| Изменение количества молекул фермента | Количество молекул фермента в клетке определяется соотношением двух процессов: синтеза и распада. Наиболее изучен механизм регуляции синтеза фермента на уровне транскрипции (синтеза мРНК), который регулируется определенными метаболитами, гормонами и рядом биологически активных молекул |
| Доступность молекул субстрата и кофермента | Важный параметр, контролирующий протекание ферментативной реакции, - наличие субстрата и кофермента. Чем больше концентрация исходного субстрата, тем выше скорость реакции |
| Изменение каталитической активности молекулы фермента | Основными способами регуляции активности ферментов являются: - аллостерическая регуляция; - регуляция с помощью белок-белковых взаимодействий; - регуляция путем фосфорилирования-дефосфорилирова- ния молекулы фермента; - регуляция частичным (ограниченным) протеолизом |
Рассмотрим способы регуляции скорости ферментативных реакций за счет изменения каталитической активности молекулы фермента.
2. Аллостерическая регуляция. Аллостерическими ферментами называют ферменты, активность которых может регулироваться с помощью веществэффекторов. Участвующие в аллостерической регуляции эффекторы - это клеточные метаболиты, которые часто являются участниками именно того пути, регуляцию которого они осуществляют.
Эффектор, который вызывает снижение (ингибирование) активности фермента, называется ингибитором. Эффектор, который вызываетповышение (активацию) активности ферментов, называют активатором.
Аллостерические ферменты имеют определенные особенности строения:
Обычно являются олигомерными белками, состоящими из нескольких протомеров;
Имеют аллостерический центр, пространственно удаленный от каталитического активного центра;
Эффекторы присоединяются к ферменту нековалентно в аллостерических (регуляторных) центрах.
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 в отличие от каталитического протомера, содержащего активный центр, в котором проходит химическая реакция.
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 кооперативных конформационных изменений происходит изменение конформации активного центра, что вызывает снижение сродства фермента к субстрату и, соответственно, снижение скорости ферментативной реакции. И наоборот, если к аллостерическому центру присоединяется активатор, то сродство фермента к субстрату увеличивается, что вызывает повышение скорости реакции. Последовательность событий при действии аллостерических эффекторов представлена на рис. 2.26.
Регуляция аллостерических ферментов обратима: отсоединение эффектора от регуляторной субъединицы восстанавливает исходную каталитическую активность фермента.
Аллостерические ферменты катализируют ключевые реакции данного метаболического пути.
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»:
Рис. 2.26. Схема строения и функционирования аллостерического фермента:
А - действие отрицательного эффектора (ингибитора). Ингибитор (I) присоединяется к аллостерическому центру, что вызывает кооперативные конформационные изменения в молекуле фермента, в том числе и в активном центре фермента. Сродство фермента к субстрату снижается, в результате снижается и скорость ферментативной реакции; Б - действие положительного эффектора (активатора). Активатор (А) присоединяется к аллостерическому центру, что вызывает кооперативные конформационные изменения. Сродство фермента к субстрату повышается, и скорость ферментативной реакции увеличивается. Продемонстрировано обратимое действие как ингибитора, так и активатора на активность фермента
Рассмотрим аллостерическую регуляцию процесса катаболизма глюкозы, который заканчивается образованием молекулы АТФ (рис. 2.27). В том случае, если молекулы АТФ в клетке не расходуются, она является ингибитором аллостерических ферментов данного метаболического пути: фосфофруктокиназы и пируваткиназы. В то же время промежуточный метаболит катаболизма глюкозы - фруктозо-1,6-бисфосфат является аллостерическим активатором фермента пируваткиназы. Ингибирование конечным продуктом метаболического пути и активация начальными метаболитами позволяет
Рис. 2.27. Аллостерическая регуляция процесса катаболизма глюкозы.
Молекула АТФ является аллостерическим ингибитором ферментов метаболического пути - фосфофруктокиназы и пируваткиназы. Молекула фруктозо-1,6-бисфосфата является аллостерическим активатором фермента пируваткиназы
осуществлять регуляцию скорости метаболического пути. Аллостерические ферменты катализируют, как правило, начальные реакции метаболического пути, необратимые реакции, скорость-лимитирующие реакции (самые медленные) или реакции в месте разветвления метаболического пути.
3. Регуляция с помощью белок-белковых взаимодействий. Некоторые ферменты изменяют свою активность в результате белок-белковых взаимодействий. Можно выделить по крайней мере два механизма изменения активности фермента таким способом: активация ферментов в результате присоединения белков-активаторов (активация фермента аденилатциклазы с помощью α-субъединицы G-белка, см. модуль 4) и изменение каталитической активности в результате ассоциации и диссоциации протомеров.
В качестве примера регуляции каталитической активности ферментов ассоциацией или диссоциацией протомеров можно рассмотреть регуляцию фермента протеинкиназы А.
Протеинкиназа А (цАМФ-зависимая) состоит из четырех субъединиц двух типов: двух регуляторных (R) и двух каталитических (С). Такой тетрамер не обладает каталитической активностью. Регуляторные субъединицы имеют участки связывания для циклического 3",5"-АМФ (цАМФ) (по два на каждую субъединицу). Присоединение четырех молекул цАМФ к двум регуляторным субъединицам приводит к изменению конформации регуляторных протомеров и к диссоциации тетрамерного комплекса; при этом высвобождаются две активные каталитические субъединицы (рис. 2.28). Активная протеинкиназа А катализирует перенос остатка фосфорной кислоты с АТФ на специфические ОН-группы аминокислотных остатков белков (т.е. вызывает фосфорилирование белков).
Рис. 2.28. Регуляция активности протеинкиназы А (ПКА) с помощью белок-белковых взаимодействий.
Активация ПКА осуществляется с помощью четырех молекул цАМФ, которые присоединяются к двум регуляторным субъединицам, что приводит к изменению конформации регуляторных протомеров и диссоциации тетрамерного комплекса. При этом высвобождаются две активные каталитические субъединицы, способные вызывать фосфорилирование белков
Отщепление молекул цАМФ от регуляторных субъединиц приводит к ассоциации регуляторных и каталитических субъединиц протенкиназы А с образованием неактивного комплекса.
4. Регуляция каталитической активности ферментов путем фосфорилирова- ния-дефосфорилирования. В биологических системах часто встречается механизм регуляции активности ферментов с помощью их ковалентной модификации. Быстрым и широко распространенным способом химической модификации ферментов является их фосфорилирование-дефосфорилирование.
Фосфорилирова-нию подвергаются ОН-группы фермента, которое осуществляется ферментами протеинкиназами (фосфорилирование) ифосфопротеинфосфатазами (дефосфорилирование). Присоединение остатка фосфорной кислоты приводит к изменению конформации активного центра и его каталитической активности. При этом результат может быть двояким: одни ферменты при фосфорилировании активируются, другие, напротив, становятся менее активными (рис. 2.29). Активность протеинкиназ и фосфопротеинфосфатаз регулируется гормонами, что позволяет быстро варьировать активность ключевых ферментов метаболических путей в зависимости от условий внешней среды.
Рис. 2.29. Схема регуляции активности ферментов фосфорилированием-дефосфорилированием.
Фосфорилирование ферментов происходит с помощью фермента протеинкиназы. Донором остатка фосфорной кислоты является молекула АТФ. Фосфорилирование фермента изменяет его конформацию и конформацию активного центра, что изменяет сродство фермента к субстрату. При этом некоторые ферменты при фосфорилировании активируются, другие - ингибируются. Обратный процесс - дефосфорилирование - вызывают ферменты фосфопротеинфосфатазы, отщепляющие остаток фосфорной кислоты от фермента и возвращающие фермент в исходное состояние
5. Регуляция каталитической активности ферментов частичным (ограниченным) протеолизом. Некоторые ферменты, которые функционируют вне клеток (в желудочно-кишечном тракте или плазме крови), синтезируются в виде неактивных предшественников и активируются только в результате гидролиза одной или нескольких определенных пептидных связей, который приводит к отщеплению части молекулы. В оставшейся части белковой молекулы происходит конформационная перестройка и формируется активный центр фермента (рис. 2.30). Частичный протеолиз представляет собой пример регуляции, когда активность фермента изменяется
Рис. 2.30. Активация пепсина с помощью частичного протеолиза.
В результате гидролиза одной или нескольких пептидных связей пепсиногена (неактивной молекулы) отщепляется часть молекулы и формируется активный центр фермента пепсина
необратимо. Такие ферменты функционируют, как правило, в течение короткого времени, определяемого временем жизни белковой молекулы. Частичный протеолиз лежит в основе активации пищеварительных протеолитических ферментов (пепсин, трипсин, химотрипсин, эластаза), пептидных гормонов (инсулин), белков свертывающей системы крови и ряда других белков.
Регуляция активности ферментов:
· Неспецифическая:
a) Изменением доступности субстрата и коферментов.
b) Изменением количества молекул субстрата.
c) Изменением каталитической активности ферментов.
i) Аллостерическая регуляция: регуляция происходит количеством не только молекул субстрата, но и эффекторов. Эффекторы – клеточные метаболиты, чаще всего, того пути, регуляцию которого они осуществляют.
ii) Регуляция с помощью белок-белковых взаимодействий: регуляция путем присоединения регуляторных белков (пример: аденилатциклазная система); изменение каталитической активности ферментов вследствие ассоциации и диссоциации протомеров фермента (присоединение остатка фосфорной кислоты с АТФ на белок).
iii) Регуляция путем фосфорилирования/дефосфорилирования молекулы фермента (к ОН-группе).
iv) Регуляция частичным (ограниченным) протеолизом: отщепление части молекулы неактивного предшественника.
· Специфическая:
a) Обратимое ингибирование: Обратимые ингибиторы связываются с ферментом слабыми нековалентными связями и могут легко отделяться от него.
i) Конкурентное: ингибитор связывается с активным центром фермента и препятствует образованию фермент-субстратного комплекса. Пример: малоновая кислота ингибирует сукцинатдегидрогеназную реакцию, являясь структурным аналогом сукцината. Конкурентные ингибиторы используют как лекарственные средства.
ii) Неконкурентное: ингибитор взаимодействует с ферментом в участке, отличном от активного центра. Образует неактивный комплекс, связываясь с ферментом или фермент-субстратным комплексом.
b) Необратимое ингибирование: Образование ковалентных стабильных связей между молекулой ингибитора и фермента. Чаще всего изменяется активный центр фермента. Примеры: ионы тяжелых металлов. Имеются специфичные и неспецифичные ингибиторы. Используются как лекарственные вещества.
6. Роль гормонов и вторичных мессенджеров (цАМФ, цГМФ, Са2+, ДГ, ИТФ, ПГ) в регуляции активности ферментов.
Гормоны – сигнальные молекулы беспроводного системного действия, влияющие на активность и количество ферментов в клетке через каскадные системы (аденилатциклазную, гуанилатциклазную,инозитолтри-фосфатную, RAS и т.д.).
Мессенджеры – низкомолекулярные вещества, переносящие сигналы гормонов внутри клетки (Са2+, цАМФ, цГМФ, ДАГ, ИТФ).
Роль мессенджеров в регуляции активности ферментов: цАМФ участвует в мобилизации энергетических запасов (распад углеводов в печени или триглицеридов в жировых клетках), в задержке воды почками, в нормализации кальциевого обмена, в увеличении силы и частоты сердечных сокращений, в образовании стероидных гормонов, в расслаблении гладких мышц и так далее. цГМФ активирует ПК G, ФДЭ, Са 2+ -АТФазы, закрывает Са 2+ -каналы и снижает уровень Са 2+ в цитоплазме.
Роль гормонов в регуляции активности ферментов: Гормоны влияют на активность и количество ферментов в клетке через каскадные системы, состоящие из:
1) Рецепторов
2) Регуляторных белков
3) Вторичных посредников
4) Ферментов
Может быть нужно будет зарисовать одну из гормональных систем.