Автор текста – Анисимова Елена Сергеевна.
Авторские права защищены. Продавать текст нельзя.
Курсив не зубрить.
Замечание можно присылать по почте: exam_bch@mail.ru
https://vk.com/bch_5
См. п. 57-59, 4 и 6.
ПАРАГРАФ № 6:
«Р е г у л я ц и я активности отдельных молекул ферментов».
Способность ферментов изменять свою активность называется регулируемостью.
Вещества (или другие факторы), под действием которых происходит изменение активности ферментов, называются регуляторами.
Вещества, которые увеличивают активность ферментов, называются активаторами.
Вещества, которые снижают активность ферментов, называются ингибиторами (не путать с индукторами).
Для чего активность ферментов нужно регулировать?
Для того, чтобы активность ферментов соответствовала потребностям организма:
чтобы фермент работал тогда, когда его работа нужна,
и не работал тогда, когда его работа не нужна.
Например, активность ферментов, катализирующих расщепление жира (липолиз п.44) в белой жировой ткани,
нужна тогда, когда человек голоден или занят физической работой,
поэтому в этих условиях и происходит активация ферментов липолиза.
И наоборот, после еды и при отдыха расщепление жира не нужно,
поэтому в состоянии сытости и отдыха ферменты липолиза не активны.
За счет чего активность ферментов может изменяться?
Фермент активен тогда, когда у него сформирован активный центр –
участок, который способен специфично узнавать определенные субстраты,
связываться их и ускорять их превращение в продукты
(то есть катализировать химическую реакцию).
Активный центр образуется из 3-4 радикалов аминокислотных остатков,
которые сближаются и определенным образом ориентируются в пространстве
при формировании третичной (или четвертичной) структуры белка.
Если конформация белка изменяется,
то изменяется и расположение радикалов активного центра –
это может привести к увеличению способности АЦ катализировать реакцию
(и тем самым – к активации молекулы фермента)
или к уменьшению (и в результате – к инактивации, к ингибированию фермента).
То есть – регулируемость ферментов обусловлена
способностью ферментов изменять свою конформацию
и зависимостью их активности от конформации.
Известно 5 механизмов регуляции молекул ферментов.
Они отличаются друг от друга типом регулятора
и типом взаимодействия между ферментом и регулятором.
3 механизма относятся к физическим и 2 – к химическим.
Химические механизмы связаны с химическими реакциями и с образованием или разрушением ковалентных связей между регулятором и регулируемым ферментом.
Физические не связаны с химическими реакциями между регулятором и ферментом,
а связаны с физическими взаимодействиями между регулятором и ферментом.
К физическим механизмам относят:
- изостерический,
- аллостерический и
- взаимодействие белок-белок.
К химическим механизмам относят:
- химическую модификацию и
- ограниченный протеолиз.
6. 1. Ф и з и ч е с к и е механизмы регуляции (3.).
6.1. 1. И з о с т е р и ч е с к и й механизм.
«Изос» означает «такой же», «там же», а «стерео» – место, пространство. Механизм называется так потому, что
регулятор связывается там же, где и субстрат,
то есть в активном центре.
Такой регулятор (изостерический) оказывается ингибитором,
то есть он тормозит химическую реакцию.
Потому что место в АЦ регулятор занял,
субстрату связаться в АЦ не позволяет,
а сам регулятор превратиться в продукт не способен.
Если изостерический регулятор связывается в АЦ не прочно
(то есть если он является обратимым ингибитором),
то он способен «выйти» из АЦ.
После этого в АЦ может связаться субстрат.
И чем больше молекул субстрата,
тем вероятнее, что в АЦ будут связываться именно молекулы субстрата.
Поскольку молекулы изостерического ингибитора и молекулы субстрата
конкурируют за связывание с АЦ,
то изостерические ингибиторы называют конкурентными (если они обратимые).
Одним из признаков конкурентного ингибитора является то,
что такое ингибирование «снимается добавлением субстрата»:
это означает, что при добавлении субстрата скорость реакции, сниженная при добавлении ингибитора, вновь увеличивается.
В организме конкурентные ингибиторы не вырабатываются, как правило.
Они поступают в организм экЗогенно, то есть извне –
в качестве лекарства или яда.
Пример изостерического ингибитора – это малонат.
Малонат ингибирует фермент СДГ – сукцинат/дегидрогеназу.
Субстратом СДГ является сукцинат.
Под действием СДГ сукцинат превращается в фумарат
(при отщеплении двух атомов водорода от 2-го и 3-го атомов углерода сукцината).
Свойства малоната очень похожи на свойства сукцината:
у обоих по две карбоксильные группы,
что и позволяет обоим связываться в АЦ СДГ.
Но при этом сукцинат может превращаться в фумарат, а малонат – не может.
Иногда люди вместо этанола выпивают метанол.
В этом случае у них больше риск умереть, чем от приема этанола.
Этанол тоже иногда приводит к быстрой смерти –
особенно при переохлаждении, переутомлении и голоде.
Формулы и свойства этанола и метанола тоже похожи,
поэтому метанол может связываться в активном центре фермента алкоголь/дегидрогеназы,
который обычно превращает этанол и ацетальдегид.
Метанол тоже превращается в альдегид – метаналь (формальдегид).
Формальдегид намного токсичнее, чем ацетальдегид,
поэтому метанол опаснее пить, чем этанол.
Шанс спасти человека, выпившего метанол, есть.
Для спасения нужно дать выпить этанол («клин клином …»).
Молекулы этанола будут конкурировать с молекулами метанола за связывание в активных центрах АлДГ,
и в результате меньшее число молекул метанола превратится в формальдегид.
6. 1. 2. А л л о с т е р и ч е с к и й механизм.
«Аллос» означает «другой».
Механизм называется так потому, что
регулятор связываться не в активном центре,
а в другом участке молекулы фермента.
Этот другой участок молекулы называют аллостерическим центром,
а регулятор называют аллостерическим регулятором.
Почему аллостерический регулятор влияет на работу фермента? –
Потому что он влияет на конформацию молекулы и в результате –
на образование активного центра.
Если в присутствии аллостерического регулятора молекула перестраивается так, что активный центр (то есть расположенные определенным образом 3-4 радикала) исчезает,
то регулятор оказывается ингибитором.
И наоборот – если в присутствии регулятора конформация молекулы становится такой,
что активный центр появляется,
то регулятор оказывается активатором.
(Изостерический регулятор оказывается ингибитором,
а среди аллостерических регуляторов бывают и ингибиторы, и активаторы).
Примеры.
Аллостерическим регуляторами являются большинство внутриклеточных регуляторов
(то есть их происхождение эндогенное).
АТФ является аллостерическим ингибитором для многих процессов катаболизма
(например, для гликолиза, для ДЦ и ЦТК).
И, наоборот, АТФ является аллостерическим активатором для ряда процессов анаболизма (например, АТФ активирует ГНГ).
Регуляторные эффекты АДФ (влияние АДФ на метаболизм) противоположны эффектам АТФ.
То есть АДФ активирует катаболические процессы (гликолиз, ДЦ, ЦТК и т.д.)
и ингибирует (аллостерически) процессы анаболические.
Потому что [АТФ] и [АДФ] обратно пропорциональны:
чем больше АТФ, тем меньше АДФ и наоборот:
АТФ образуется из АДФ, а АДФ образуется из АТФ (но не только).
Аллостерическим ингибиторами часто являются продукты метаболических путей. Когда [продукта] становится достаточной для клетки,
то дальнейшее производство продукта становится временно не нужным,
поэтому продукт снижает скорость процесса,
за счет ингибирования ферментов процесса (ключевых – см. п. 7).
Пример: АТФ является продуктом процесса дыхательная цепь,
поэтому при накоплении АТФ скорость ДЦ снижается –
под действием АТФ,
который ингибирует работу ферментов ДЦ
(не путайте это с ингибированием ДЦ под действием других ингибиторов –
таких, как цианиды – подробнее см. п. 21).
Ингибирование процесса продуктом является примером отрицательной обратной связи –
то есть принципа регуляции, согласно которому результат процесса притормаживает процесс.
Поскольку аллостерический ингибитор не связывается в активном центре,
он не конкурирует за связывание в активном центре с субстратом.
Аллостерические ингибиторы относятся к неконкурентным.
И ингибирование ими не снимается добавлением субстрата.
Здесь должна быть таблица
«И з о стерические и а л л о стерические регуляторы»,
а пока её можно посмотреть в отдельном файле.
6. 1. 3-й физический механизм регуляции:
в з а и м о д е й с т в и е б е л о к – б е л о к (ВД ББ).
Регулятор фермента (или другого белка) сам может быть белком.
Механизмы регуляции, при которых регулятор является белком,
называют взаимодействием белок-белок
.
Один из белков в названии механизма – это белок-регулятор,
а второй белок в названии механизма – сам регулируемый белок (в т.ч. фермент).
При ВД ББ белок-регулятор может считаться отдельной (самостоятельной) молекулой, а может считаться частью той же молекулы, что и регулируемый белок.
3.1.
Если белок-регулятор является отдельной самостоятельной молекулой, то механизм называется межмолекулярным взаимодействием белок-белок (то есть взаимодействием между молекулой регулируемого белка и молекулой-регулятором). Белок-регулятор оказывается обычно ингибитором регулируемого белка.
Примеры. Белковый ингибитор тромбина называется антитромбином – он препятствует работе тромбина, что предотвращает образование тромбов. (И, наоборот, дефицит антитромбина может способствовать образованию тромбов).
Белковый ингибитор трипсина и ряда других пептидаз называется анти/трипсином или анти/пептидазой. Медицинское значение: Дефицит анти/пептидаз приводит к смерти от цирроза и фиброза легких – потому что без антипептидаз ускоряется разрушение пептидазами белков тканей. Спасением считается пересадка печени.
Ингибиторы пептидаз используются в качестве лекарства при панкреатите и при некоторых опасных отеках.
3.2.
Если белок-регулятор вместе с регулируемым белком образуют комплекс, единую молекулу – то есть белок с четвертичной структурой (олигомер), то механизм называется внутримолекулярным взаимодействием белок-белок (ВМ ВД ББ). При этом отдельные ППЦ регулируемого белка и регулирующего белка являются субъединицами (СЕ) единого олигомера.
3.2.1.
Комплекс регулятора и регулируемого белка (олигомер) может существовать, не подвергаясь регулярному распадению и повторной сборке – такой механизм называется внутримолекулярным взаимодействием белок-белок «без изменения олигомерности».
Примером является гемоглобин.
Молекула гемоглобина состоит из четырех субъединиц (является тетрамером). Каждая из 4-х субъединиц является и регулируемым белком, и белковым регулятором других субъединиц: каждая субъединица регулируется другими СЕ и регулирует другие субъединицы.
Благодаря влиянию субъединиц гемоглобина руг на друга комплекс из 4-х субъединиц гемоглобина в 400 раз более активен, чем одиночная глобула похожего белка – миоглобина.
(Одна субъединица гемоглобина в составе тетрамера активнее, чем была бы в одиночку, в 100 раз).
Если бы субъединицы гемоглобина не образовывали тетрамер, а работали бы по одиночке, то организм получал бы в 100 раз меньше кислорода, что было бы недостаточным для жизни.
Влияние одних субъединиц на активность других в составе олигомера называется кооперативностью. Кооперативность, при которой происходит активация субъединиц, называется положительной. В гемоглобине кооперативность положительная, то есть субъединицы активируются.
3.2.2.
Если при внутримолекулярном взаимодействии белок-белок происходит регулярный распад олигомера и последующая сборка, то механизм называется внутримолекулярным взаимодействием белок-белок «с изменением олигомерности».
Пример белка, регулируемого по такому механизму – протеинкиназа А (ПК А).
ПК А катализирует фосфорилирование белков (см. химическую модификацию). ПК А состоит из 4- субъединиц, то есть является тетрамером (как и гемоглобин). Из этих 4-х СЕ только две способны катализировать реакцию (фосфорилировать белки), и поэтому эти 2 СЕ называются каталитическими.
Функция двух других СЕ заключается в регуляции активности каталитических, поэтому две другие СЕ называются регуляторными.
Когда каталитические связаны с регуляторными, каталитические не активны, ПК А не работает – то есть регуляторные СЕ являются ингибиторами каталитических. Когда регуляторные отсоединяются от каталитических, каталитические могут работать.
Отсоединение регуляторных происходит тогда, когда с ними связывается вещество цАМФ – таким образом, активатором ПК А является цАМФ. цАМФ образуется в клетке из АТФ под влиянием некоторых гормонов (в том числе адреналина).
Распад олигомера называется диссоциацией, а сборка из СЕ – ассоциацией. ПК А активна после диссоциации, а в состоянии олигомера ПК А не активна.
Т. к. в олигомере ПК А происходит ингибирование СЕ, то кооперативность в ПК А является отрицательной.
Здесь должна быть таблица
«Взаимодействие белок-белок (Б-Б):
белка-регулятора и регулируемого белка (в т.ч. фермента)».
а пока её можно посмотреть в отдельном файле.
6. 2. Х и м и ч е с к и е механизмы регуляции ферментов.
6. 2. 1. (4-й механизм регуляции). Химическая м о д и ф и к а ц и я .
За счет чего при этом механизме изменяется активность фермента?
Активность фермента изменяется за счет присоединения или отщепления фосфата.
(Фосфат – это остаток ортофосфорной кислоты: -Н2РО3.)
При рН клеток (около 7, нейтральный) фосфат диссоциирует (отдает в среду протон – Н+) и за счет этого приобретает отрицательный заряд.
Этот отрицательный заряд фосфата влияет на конформацию молекулы фермента (или другого белка) и в результате – на активность фермента.
Фермент активен с фосфатом или без фосфата?
Некоторые ферменты активируются после присоединения фосфата, а некоторые, наоборот, активны до присоединения фосфата, а при присоединении фосфата инактивируются (ингибируются).
Примеры – фермент, участвующий в расщеплении гликогена (гликоген/фосфорилаза), активен с присоединенным фосфатом, а фермент, участвующий в синтезе гликогена (гликоген/синтаза), активен без фосфата.
Присоединение фосфата
называется фосфорилированием и катализируется ферментами протеинкиназами («переносчиками фосфатов на протеины», ПК).
Источником фосфата для переноса любыми киназами является АТФ, который после отдачи АТФ превращается в АДФ.
Присоединеие фосфата происходит «по» ОН группам белков: к атому кислорода «вместо» атома Н присоединяется фосфат. Реакция между спиртовой группой (ОН) и кислотой (фосфатом) называется реакцией этерификации, соединение называется сложным эфиром, а связь между О и фосфатом (или остатком другой кислоты) называется сложноэфирной.
ОН группа фермента, которая вступает в этерификацию, чаще всего является частью радикала серина. Но есть ОН и в радикале тирозина; ферменты, которые фосфорилируют белки по ОН группам радикалов тирозина, называются тирозин/киназами (ТК).
Отщепляется фосфат в виде Н3РО4.
Отщепление фосфата называется дефосфорилированием и катализируется протеин/фосфатазами (ПФ).
Для превращения отщепляемого фосфата (Н2РО3) в Н3РО4 к фосфату нужно присоединить атомы ОН.
Источником ОН атомов является молекула воды НОН;
еще один атом водорода воды присоединяется «вместо» отщепленного фосфата.
То есть отщепление фосфата происходит путем гидролиза (расщепления связи с участием воды).
АТФ в дефосфорилировании НЕ участвует.
Об обратимости фосфорилирования и дефосфорилирования: эти процессы НЕ являются обратимыми реакциями.
Обратимым является только состояние фермента:
фосфат можно и присоединить, и отщепить.
Активность и ПК, и ПФ, и ТК зависит от гормонов, но подробности этого – в другой теме – п.93-98.
Здесь должна быть таблица
«С р а в н е н и е фосфорилирования и ДЕфосфорилирования»,
а пока её можно посмотреть в отдельном файле.
6. 2. 2. (5-й механизм регуляции активности).
О г р а н и ч е н н ы й п р о т е о л и з (ОП).
Что это такое ОП?
Протеолиз – это лизис протеинов, то есть (в переводе) расщепление белков.
Расщепление белков происходит за счет расщепления пептидных связей между остатками аминокислот.
Расщепление всех пептидных связей является полным протеолизом и приводит к образованию набора аминокислот.
Расщепление некоторых (и обычно строго определенных) пептидных связей называется ограниченным протеолизом и приводит к образованию пептидов.
При ограниченном протеолизе ферментов обычно расщепляется одна или несколько пептидных связей, что приводит к образованию пептида (или нескольких пептидов) и укороченной полипептидной цепи фермента.
Как ОП влияет на активность фермента и почему?
Удаление пептида (ограниченный протеолиз) приводит к активации фермента, потому что после удаления пептида оставшаяся часть ППЦ может сформировать такую конформацию, при которой появляется активный центр (группа радикалов, способных катализировать химическую реакцию), а до отщепления пептида (до ОП) ППЦ образовывала такую структуру, в которой не было АЦ.
Примеры.
Путем ОП образуются активные формы пепсина, трипсина и ряда других пищеварительных ферментов. Кроме того, активные формы факторов свертывания крови (тромбин и др.) и противосвертывающей системы (плазмин), а также фермент калликреин.
Неактивные формы ферментов называют, добавляя приставку пре- или суффикс –ген.
Например, препепсин или пепсиноген, претрипсин или трипсиноген. (Но: пепсиноген – это не ген, который кодирует пепсин).
Под действием чего происходит ОП?
Чаще всего ОП происходит под действием пептидаз (поскольку эти ферменты и расщепляют пептидные связи).
Но при этом иногда неактивная форма фермента активируется уже активными молекулами того же фермента:
например, препепсин превращается в пепсин под действием ранее активированных молекул пепсина (это явление называется самоактивацией – аутокатализом).
Первые молекулы пепсина образуются из препепсина под действием Н+ – протонов.
Н+ образуются в полоти желудка при диссоциации соляной кислоты – п.61.
Пептидаза, под действием которой происходит ОП,
и пептидаза, которая образуется при ОП – это не одна и та же молекула.
Здесь должна быть таблица
«О г р а н и ч е н н ы й п р о т е о л и з»,
а пока её можно посмотреть в отдельном файле.
Кроме ферментов, путем ОП активируются (образуются) белково-пептидные гормоны (инсулин, СТГ, эндорфины и др.). ОП имеет место при синтезе белков в ЭПС – подлежащих в дальнейшем секреции (это не только секретируемые ферменты и гормоны, но и коллаген и др.) или становящихся мембранными белками (в том числе рецепторами клетки).
Медицинское значение ОП.
Иногда активация пищеварительных пептидаз происходит не в ЖКТ, а вне ЖКТ – например, претрипсин должен превратиться в трипсин в ДПК, а может – в месте его синтеза, то есть в клетках поджелудочной железы.
В этом случае трипсин расщепляет белки самой ПЖЖ, что приводит к разрушению клеток ПЖЖ, к воспалению ПЖЖ (панкреатиту) и даже к ее некрозу (панкреонекроз). Из разрушенных клеток ПЖЖ трипсин попадает в кровь, где тоже расщепляет некоторые пептидные связи некоторых белков – это приводит к образованию активной формы гормона брадикинина, под действием которого сильно снижается артериальное давление. Для лечения панкреатита нужно «остановить» трипсин – это возможно благодаря существованию препаратов-ингибиторов трипсина.
Иногда ОП протекает неправильно – при ОП расщепляются «не те» пептидные связи. Это приводит к образованию ППЦ с другой последовательностью аминоацилов и к образованию белка с другой третичной структурой вместо «запланированной» – часто вместо глобул образуются структуры с большим количеством бэта-структур, которые плохо растворимы в воде и при накоплении нарушают функции клеток. Это может приводить к заболеваниям, которые так и называются – болезни ограниченного протеолиза.