Лекция по биологической химии


НазваниеЛекция по биологической химии
страница7/15
Дата публикации16.03.2013
Размер1.65 Mb.
ТипЛекция
userdocs.ru > Химия > Лекция
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   15

Принципы конкурентного торможения находят применение в медицинской практике.

Например, этиловый спирт используется с лечебной целью как конкурентный ингибитор для лечения отравлений этиленгликолем или метиловым спиртом. В обоих случаях проблема часто возникает среди алкоголиков, потребляющих эти алкоголи как дешевый заменитель этанола. Однако, имеются другие ситуации, где может возникать такое отравление. Производители вина добавляют этиленгликоль к своим винам, чтобы придать им внешний вид более дорогих вин. В результате большое количество ничего не подозревающих людей могут потреблять это токсическое соединение. Эти соединения часто потребляются случайно взрослыми и детьми. Животные, главным образом собаки и коты, иногда вылизывают пролитый антифриз из-за его особого вкуса.

В таких случаях этиловый спирт - не яд, а продукт метаболизма. Алкогольдегидрогеназа катализирует образование соответствующего альдегида, который затем превращается в кислоту альдегиддегидрогеназой. Результатом этого процесса является образование формальдегида и муравьиной кислоты из метанола и глиоксаля и щавелевой кислоты из этиленгликоля. Альдегиды – основные токсические вещества , но и кислоты тоже дают нежеланные эффекты. Прежде всего, они могут вызывать ацидоз. Щавелевая кислота может кристаллизоваться в форме соли кальция в почечных канальцах, вызывая механическое повреждение.

Если затормозить эти реакции, метанол и/или этиленгликоль будут выделяться неизменяемыми. В ряде случаев это можно сделать, применяя конкурентный ингибитор. Этиловый спирт - такой ингибитор. Сродство алкогольдегидрогеназы к этиловому спирту примерно в 160 раз выше, чем к этиленгликолю. Задача врача поднять уровень этилового спирта в крови до 0.1 мг/l00 мл, что приведет к вытеснению этиленгликоля из реакции и выведению этиленгликоля с мочой.
^ Смешанные неконкурентные ингибиторы

Неконкурентный ингибитор связываясь со специальным центром на ферменте, расположенным вдали от активного центра, вызывает конформационные изменения в активном центре. Это несколько напоминает один из типов конкурентных ингибиторов, но в отличие от этого механизма изменения конформации активного центра не препятствуют связыванию субстрата а тормозит проведение реакции и образование продукта..

Классический неконкурентный ингибитор не оказывает влияния на связывание субстрата. Изменения формы активного центра незначительны, хотя сродство к субстрату все же снижается. Такие ингибиторы часто называются смешанными ингибиторами, поскольку они проявляют свойства конкурентных и неконкурентных типов. Фактически классические неконкурентные ингибиторы встречаются очень редко.
^ Кинетика смешанных неконкурентных ингибиторов

Фермент может связываться и с субстратом и с ингибитором с образованием комплексов:



Однако в отличие от конкурентного торможения и субстрат ингибитор способны одновременно связываться с ферментом, образуя тройные комплексы:

Т
акой комплекс не способен катализировать реакцию.

О
братите внимание, что комплекс EIS может возникать двумя путями, но конечный результат один и тот же - образуется неактивный фермент. Ингибитор может работать одинаково хорошо при низких концентрациях субстрата, когда большая часть молекул фермента находится в форме свободного фермента, и при высоких концентрациях субстрата, когда фермент находится в форме ES комплекса, поскольку ингибитор связывается одинаково хорошо с обоими из них.

Влияние на Km Классический смешанный неконкурентный ингибитор не оказывает влияния на связывание субстрата, сродство фермента к субстрату и следовательно не влияет на Км.

Смешанный ингибитор позволяет субстрату связываться, но снижает его сродство, так что Км повышается.



График Лаинуивера-Берка для неконкурентного классического(слева) и смешанного типов ингибиторов
Влияние на Vmax Неконкурентные и классический и смешанный варианты, тормозят активность при высоких концентрациях субстрата, так что Vmax снижается.

Влияние на Vmax/Km Неконкурентные ингибиторы могут работать при низких концентрациях субстрата так, что Vmax/Km снижается.

Г
рафик Лайнуивера-Берка для типичного классического смешанного неконкурентного ингибитора и для смешанного неконкурентного. На графике для смешанного конкурентного ингибитора две линии по разному пересекают 1/ [S], указывая на увеличение Км, хотя на графике для классического смешанного неконкурентного ингибитора, значения Km идентичны. Однако оба графика показывают увеличение наклона в пересечении на оси 1/V, демонстрируя, что ингибитор является эффективным при высоких и низких концентрациях фермента.

Заключение. Смешанные неконкурентные ингибиторы связываются с центром, который является отдаленным от активного центра. Они тормозят активность фермента, вызывая изменения конформации , препятствующие превращению субстрата в продукт. Субстрат и ингибитор способны к связыванию с ферментом одновременно, образуя тройной комплекс. Это означает, что ингибитор не конкурирует с субстратом при высоких концентрациях субстрата и работает одинаково хорошо и при низких и высоких концентрациях субстрата. Правда способность связываться (сродство) с комплексом ингибитор+фермент у субстрата может снижаться, хотя на практике нет особых различий между так называемым смешанным ингибитором и классическим неконкурентным ингибитором.
^ Неконкурентные ингибиторы не могут связаться со свободным ферментом.

Понятие неконкурентный ингибитор часто смешивают с понятием смешанный неконкурентный ингибитор! Ингибиторы такого типа встречаются редко, хотя они имеют прямое отношение к изучению мультисубстратных ферментов.

Главная особенность этих ингибиторов - они не способны связываться со свободным ферментом. Они связываются только с фермент-субстратным комплексом. Это объясняется тем, что субстрат сам непосредственно включен в связывание ингибитора или связывание субстрата вызывает изменение конформации в связывающем ингибитор центре, облегчающее связывание ингибитора. Связывание ингибитора вызывает торможение активности фермента и превращение субстрата в продукт. Это может быть следствием прямого взаимодействия, или изменения конформации активного центра.

^ Неконкурентных ингибиторы неактивны при низких концентрациях субстрата.

Д
ля связывания неконкурентного ингибитора, фермент должен сначала связаться с субстратом:


и только затем происходит связывание с ингибитором:

К
омбинация ингибитора со свободным ферментом:

невозможна.

Это означает, что неконкурентные ингибиторы неактивны при очень низких концентрациях субстрата, когда почти весь фермент присутствует в свободной форме. При высоких концентрациях субстрата, когда большая часть молекул фермента присутствует в форме комплекса с субстратом, ингибитор эффективен.

Влияние на Km Неконкурентные ингибиторы оказывают довольно неожиданный эффект на Км. Поскольку ингибитор связывается с комплексом субстрата и фермента, он эффективно уменьшает концентрацию этого комплекса, превращая часть его в тройной EIS. По закону действующих масс это способствует смещению равновесия субстрат связывающей реакции вправо и тем самым ингибитор увеличивает количество субстрата, который связывается с ферментом, давая очевидное увеличение сродства фермента к субстрату и уменьшение Км.

Эффект на Vmax Поскольку ингибитор не вытесняется большими количествами субстрата, а наоборот, при больших количествах субстрата быстрее идет образования его комплекса с ферментом, необходимого для проявления действия ингибитора и поэтому уменьшается Vmax.

Влияние на Vmax/Km Так как эти ингибиторы не работают при низких концентрациях субстрата, Vmax/Km не меняется.

Типичный график Лаинуивера - Берка для неконкурентного ингибитора представлен на рис. 2-12.

Вывод. Неконкурентные ингибиторы могут связываться только с комплексом субстрат-фермент, но не со свободным ферментом. В результате они не действуют при очень низких концентрациях субстрата. Они способствуют явному увеличению сродства фермента к субстрату, поскольку большее количество субстрата связывается с ферментом для образования, правда, неактивного тройного комплекса



Рис 2-12. График Лаинуивера-Берка для неконкурентных ингибиторов
^ Торможение продуктом реакции- пример конкурентного торможения.

Заключительный этап в действии любого фермента -выделение продукта. Это важный этап в работе фермента. Продукт связан с активным центром теми же связями, которые связывали и субстрат. Это взаимодействие похоже на субстрат связывающую реакцию, и подобно этой реакции, чаще всего является очень быстрой и легко обратимой. В результате этого, молекулы продукта способны к связыванию со свободным ферментом, образуя комплекс продукта и фермента. Как и в случае действия конкурентного ингибитора, продукт и субстрат пытаются занять активный центр, но не могут связываться одновременно. Поэтому предшествующее связывание продукта предохраняет фермент от связывания с субстратом , и продукт эффективно действует как ингибитор. В ферменте, катализирующем реакцию первого порядка это специализированная форма конкурентного торможения, поскольку субстрат и продукт конкурируют друг с другом. В ферментах с больше чем одним субстратом это выглядит более сложно.

В ферментных кинетических исследованиях мы почти всегда изучаем начальные скорости, которые является скоростью реакции, начинающейся немедленно после добавления фермента к субстрату. В это период времени, конечно, продукта нет, поскольку он еще не успел возникнуть, так что мы обычно игнорируем торможение продуктом в наших кинетических исследованиях.

^ Субстрат может быть ингибитором фермента

О
бычно увеличение концентрации субстрата увеличивает скорость реакции фермента. Однако на некоторые ферменты большие количества субстрата могут оказывать противоположный эффект и фактически замедлять реакцию. Примером может служить инвертаза или - фруктофуранозидаза (КФ.3.2.1.26), который катализирует реакцию гидролиза

Рис 2-13. Влияние концентрации субстрата на скорость реакции
сахарозы на составляющие моносахариды глюкозу и фруктозу.

Предполагают, что причиной торможения может быть попытка двух молекул субстрата одновременно связаться с активным центром и пока молекулы субстрата связаны с активным центром фермент неактивен. Для такого связывания необходимо, чтобы вторая молекула субстрата «вставилась» в активный центр быстро вслед за первой, пока последняя не успела занять полноценную позицию для катализа. Поскольку столкновения между ферментом и субстратом полностью случайны, такое может случиться только при высоких концентрациях субстрата, когда частота случайных столкновений увеличивается, и явление торможения может быть замечено исследователем. Пример такого влияния показан на рис 2-13.

Т
ак как торможение субстратом происходит при высоком уровне субстрата, начальная часть (низкая концентрация субстрата) этого графика идентична таковой для нормального

Рис 2-14. График Лаинуивера-Берка по данным рис 2-13.
фермента. При высоком уровне субстрата кривая снижается, что свидетельствует о торможении скорости реакции.

Так как фермент не следует предписаниям уравнения Михаэлиса и Ментен (не прямоугольная гипербола), график Лайнуивера Берка также не линеен. Поэтому вблизи оси 1/V на участке высокой концентрации субстрата, линия изгибается вверх, указывая на снижение скорости. Продолжая линейную часть графика до пересечения с осями можно определить основные кинетические параметры обычным способом.

 
Табл 2- 5. Эффекты обратимых ингибиторов на кинетические константы


Тип ингибитора

Эффект

Конкурентный (I связывается только к E)

Увеличение Km, а Vmax остается без изменений

Неконкурентный (I связывается только с ES )

Снижена Vmax и Km Отношение Vmax.Km остается без изменений

Смешанный неконкурентный (I связывается с E или ES)

Снижается Vmax . Km остается без изменений




  1. Регуляция активности ферментов путем химической модификации: Реакции ограниченного протеолиза, аденилирования, рибозилирования, ацетилирования, фосфорилирования (роль гормонов, АЦ-комплекса, цАМФ, цГМФ, ионов Ca).

Активность фермента можно изменить путем ковалентной модификации его структуры.

Ковалентная модификация структуры ферментов может быть обратимой и необратимой.

^ А. Необратимые изменения активности фермента. Существует большое число реакций, катализируемых протеолитическими ферментами. Как правило, такие ферменты образуются в форме неактивных предшественников (проферментов), которые затем активируются путем действия других протеаз. Схеме активирования химотрипсина показана ниже на рис.2-15.



Рис 2-15. Схема протеолиза молекулы химотрипсиногена. Вначале под влиянием трипсина происходит отщепление полипептида из 15 аминокислот с образованием активного -химотрипсина, который путем аутокатализа превращается в  -химотрипсин
Ниже в таблице приводятся примеры других ферментов, которые подвергаются активируются путем протеолиза

Фермент

Профермент

Место образования

Трипсин 

трипсиноген 

поджелудочная железа

Химотрипсин

химотрипсиноген

поджелудочная железа

Эластаза             

проэластаза

поджелудочная железа

Карбоксипептидаза

прокарбоксипептидаза

поджелудочная железа

Фосфолипаза А2  

профосфолипаза А2    

поджелудочная железа

Пепсин 

пепсиноген

желудок

Тромбин   

протромбин

свертывание крови

C1r 

C1r-

комплемент

Хитин синтаза

зимоген

стенка клеток дрожжей

В качестве примера можно рассмотреть ферменты поджелудочной железы. Эти ферменты синтезируются в форме проферментов клетками поджелудочной железы и сохраняются в них в составе гранул проферментов. Высвобождение проферментов регулируется гормонами холецистокинином, панкрезимином и секретином. Усвоение белков требует скоординированного действия различных ферментов. Трипсиноген активируется энтеропептидазой выделяемой клетками щеточной каймы кишечника. Энтеропептидаза катализирует удаление гексапептида (Вал Асп Асп Асп Асп Лиз) от N конца трипсиногена. Задача системы регуляции в данном случае обеспечить активирование фермента в месте его действия. Если активирование произойдет в месте синтеза, то это повлечет за собой разрушение самой железы (острый панкреатит). Небольшое количество энтеропептидазы, необходимое для активирования трипсиногена обеспечит последующее усиление (амплификацию) сигнала за счет образования больших количеств активного трипсина, который в свою очередь активирует другие протеазы кишечника. Такие цепные реакции усиления характерны для многих протеолитических систем организма (свертывание крови, система комплемента и т.д.) Процесс останавливается путем протеолиза самих ферментов Средняя ежедневная продукция короткоживущих гидролитических ферментов поджелудочной железой - около 10 г. Протеолитические ферменты широко распространены в клетках и это могло создать значительные проблемы, если бы не специальные белковые игибиторы, присутствующие в тканях и крови.

Б^ . Обратимые изменения активности фермента путем ковалентной модификации.

Фосфорилирование ферментов (рис 2-16) - одна из наиболее популярных реакций, позволяющая при присоединении остатка фосфорной кислоты изменить конформацию фермента и перевести фермент из активного состояние в неактивное или наоборот. Этот механизм ковалентной модификации обеспечивается киназами (присоединение остатков фосфорной кислоты за счет АТФ) и фосфатазами (гидролитическое удаление остатков фосфорной кислоты).

Более подробно об этих механизмах будет рассказано в разделах, посвященных механизму действия гормонов.




Рис 2-16. Обратимая ковалентная модификация путем фосфорилирования (киназа фосфорилазы) и дефосфорилирования (фосфатаза) фосфорилазы.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   15

Похожие:

Лекция по биологической химии icon«Биологическая химия»
Предмет биологической химии, ее значение для биологии, медицины, ветеринарии, сельскохозяйственного производства, ветеринарной биотехнологии...
Лекция по биологической химии iconЛекция по биологической химии
Понятия «ферменты»: особенностях ферментативного катализа. О строении и структуре ферментов
Лекция по биологической химии iconБиохимия лабораторный практикум
Разработана: докт мед наук, профессор Т. П. Бондарь кафедры Физико-химические основы медицины, лабораторной диагностики и фармакологии;...
Лекция по биологической химии iconУчебно-методическое пособие к практическим занятиям по биологической химии
Учебно-методическое пособие предназначено для студентов лечебного и медико-профиоактического факультетов медицинских вузов, выполняющих...
Лекция по биологической химии iconМетодические указания для самостоятельной подготовки студентов медицинских...
Методические указания для самостоятельной подготовки сту-дентов медицинских факультетов к практическим занятиям по биологической...
Лекция по биологической химии iconМетодические указания для самостоятельной подготовки студентов медицинских...
Методические указания для самостоятельной подготовки сту-дентов медицинских факультетов к практическим занятиям по биологической...
Лекция по биологической химии iconЗанятие 1 Аминокислоты и белки
Предмет и задачи биологической и клинической химии. Понятие о биохимических реакциях
Лекция по биологической химии iconВопросы к экзамену по Биологической химии для студентов 2 курса медицинского...
Предмет, задачи, методы и место биохимии среди других медицинских и биологических дисциплин
Лекция по биологической химии iconМетодические указания по биоорганической химии для студентов к занятию...
Проекционные формулы Фишера. Относительная и абсолютная конфигурация. D и L система стереохимической номенклатуры
Лекция по биологической химии iconТезисы доклада
Уважаемые коллеги! Приглашаем Вас принять участие в работе VIII международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2015
контакты
userdocs.ru
Главная страница