АКТИВАТОРЫ И ИНГИБИТОРЫ ФЕРМЕНТОВ

На активность ферментов может оказывать влияние присутствие различных химических веществ, которые способны повышать активность или, напротив, угнетать активность ферментов.

Многие ферменты синтезируются в организме в неактивном состоянии. Они получили название зимогенов. Синтез зимоге- нов имеет место на рибосомах эндоплазматического ретикулума особыми секректорными клетками. Это относится к протеолитическим ферментам, синтез которых непосредственно в активном состоянии вызвал бы расщепление белков, синтезирующего эти ферменты органа. Например, гидролиз полипептидной цепи пепсиногена под действием НС1 желудочного сока открывает активный центр фермента для доступа белка-субстрата; при этом пепсиноген трансформируется в пепсин. Следовательно, соляная кислота выступает в роли активатора фермента. Другой пример — неактивный трипсиноген поджелудочной железы в тонком кишечнике под действием энтеропептидазы превращается в активный трипсин.

Существуют и другие пути изменения активности ферментов. Одним из таких путей является фосфорилирование и дефосфорилирование. Примером могут служить ферменты синтеза и распада гликогена — гликогенсинтаза и гликогенфосфо- рилаза.

Часто активаторами ферментов служат металлы, которые обеспечивают должную конформацию молекулы фермента, необходимую для его активности. Иногда металлы участвуют непосредственно в формировании активного центра, в других случаях они выполняют роль кофермента. При этом можно назвать такие металлы, как Со2+, Cu2+, Ni2+, К% Zn2+, Fe2+, Fe3+, Mg2+ и др.

Большой интерес представляют ингибиторы-вещества, которые способны полностью или частично приостановить ферментативную активность. По итоговому эффекту ингибитор может взаимодействовать обратимо или необратимо с ферментом. Обратимые ингибиторы взаимодействуют с ферментом через нековалентные взаимосвязи. Напротив, необратимые ингибиторы обычно вызывают устойчивые, ковалентные изменения в структуре фермента, которые снижают активность фермента.

Обратимые ингибиторы по механизму ингибирования могут быть конкурентными и неконкурентными. Как и субстрат, ингибитор образует с ферментом комплекс. При обратимом ингибировании происходит как образование комплекса, так и его распад:

где Е — фермент; И — ингибитор; ЕИ — фермент-ингибитор- ный комплекс.

Подавление активности фермента зависит от концентрации ингибитора и степени сродства ингибитора к ферменту. Для сравнения активности ингибитора используется величина, показывающая концентрацию ингибитора, необходимую для 50% ингибирования. Уравнение необратимого ингибирования может быть представлено в следующем виде:

Как видно, оно сравнимо с уравнением обратимого ингибирования с различием в том, что реакция идет только слева направо, а значит, комплекс фермента и ингибитора не распадается. Примером такого ингибирования является действие фосфор- органических веществ (ФОС) на фермент ацетилхолинэстеразу.

При конкурентном ингибировании и субстрат, и ингибитор стремятся взаимодействовать с активным центром фермента. Это возможно при наличии определенного структурного сходства между ними. Классическим примером конкурентного ингибирования является ингибирование сукцинатдегидрогеназы малоновой кислотой. Сукцинатдегидрогеназа в организме превращает янтарную кислоту путем отнятия двух атомов водорода в фумаровую. Однако малоновая кислота, имея структурное сходство с янтарной кислотой, конкурирует с последней за обладание активным центром сукцинатдегидрогеназы. Как видно, структурное сходство этих двух кислот очевидно.

Малоновая кислота — сильный ингибитор; даже при отношении концентраций ингибитора и субстрата 1:50 активность сукцинатдегидрогеназы, или скорость реакции, подавляется на 50%. Конкурентное ингибирование в данном случае является обратимым и может быть снято избытком субстрата.

Однако конкурентное ингибирование может быть и необратимым. Это наблюдается в случае, когда комплекс ингибитора и фермента прочен и не распадается. Добавление субстрата при этом неэффективно. Ингибирование не наступает, если субстрат в избытке добавляется до или одновременно с ингибитором.

При неконкурентном ингибировании ингибитор связывается с различными участками молекулы фермента вне активного центра. Поэтому этот вид ингибирования не снимается избытком субстрата. Степень ингибирования зависит лишь от концентрации ингибитора. Механизм действия неконкурентных ингибиторов состоит в изменении конформации и структуры активного центра, что и затрудняет нормальное связывание субстрата.

К числу таких ингибиторов относятся тяжелые металлы (Ag, As, Hg, Pb). Эти ионы могут связываться с HS-группами белков-ферментов, способны образовывать ковалентные связи и с функциональными группами активного центра. Однако следует признать определенную условность классификации ингибиторов.

Рассмотрим отдельные примеры ингибирования ферментативных реакций, в частности отравления животных солями тяжелых металлов. Эти соли изменяют конформацию молекулы фермента и затрудняют взаимодействие фермента и субстрата. На основе выяснения биохимического механизма отравлений тяжелыми металлами создан лечебный препарат унитиол:

За счет наличия в его структуре HS-групп унитиол вытесняет тяжелые металлы из соединений с HS-группами фермента

и таким образом освобождает эти группы, делая их вновь активными. Унитиол вошел в арсенал антидотно-лечебных средств при отравлениях солями ртути, мышьяка, кадмия, хрома, кобальта.

Не менее важным является знание механизма отравления фосфорорганическими соединениями, которые являются специфическими ингибиторами холинэстераз. ФОС действуют в организме по типу конкурентного торможения. Фермент холинэстераза, как гидролаза, катализирует расщепление ацетилхоли- на (нервного медиатора) на холин и ацетат. В случае попадания в организм ФОС, среди которых многочисленные инсектициды, происходит блокирование активного центра холинэстеразы. При такой ситуации ацетилхолин уже не способен взаимодействовать с активным центром фермента и происходит накопление ацетилхолина, вызывающее тяжелое отравление организма животного или человека. При этом активность холинэстеразы в сыворотке крови значительно снижается.

ФОС избирательно связываются с гидроксильной группой серина активного центра холинэстеразы, а поэтому были предложены препараты, содержащие активные аналогичные группы. В случаях отравлений введение этих препаратов в организм приводит к взаимодействию ФОС с ОН-группами препарата и освобождению гидроксилов активного центра холинэстеразы.

Антибактериальный эффект сульфамидных препаратов также основан на ингибировании активных центров бактериальных ферментов. В частности, для роста и развития многих микроорганизмов необходима фолиевая кислота, в структуре которой имеется парааминобензойная кислота, а подобную структуру имеют сульфаниламиды:

Сульфаниламиды блокируют синтез фолиевой кислоты в микробных клетках и тем самым препятствуют их росту. Аналогично действует по типу конкурентного торможения и группа антибиотиков, проявляя свой бактериостатический эффект.

Примером неконкурентного торможения являются цианистые соединения. Цианиды способны вступать в организме в прочное соединение с Fe3+ активного центра фермента цитохромокси- дазы. В результате фермент выпадает из цепи реакций биологического окисления, возникает состояние тканевой гипоксии.

Глюкоза способна обезвреживать цианиды, включая синильную кислоту (HCN); соединяясь с синильной кислотой, глюкоза образует нетоксичное соединение — циангидрин глюкозы:

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >