7 семестр / Ферменты-3

186

Лекция № 22. Ферменты. Способы регуляции ферментативной активности

1.Регуляция скорости синтеза и распада ферментов

2.Превращение проферментов в активные формы.

3.Регуляторные (аллостерические ферменты), особенности их строения. Аллостерические эффекторы.

4.Ковалентная модификация ферментов.

5.Применение ферментов в биохимии и биотехнологии

Применение ферментов в качестве аналитических реагентов

Широкое применение получил метод определения глюкозы в крови при помощи глюкозокидазы (см. лаб. работу).

Метод определения ТАГ с помощью ферметного набора на основе липазы.

Определение оротовой кислоты (продукт метаболизма нуклеотидов) определяют с помощью соответствующей НАДН-дегидрогеназы спектрофотометрически по соотношению НАД+/НАДН.

На основе иммобилизованных ферментов получают электроды для определения мочевины, аминокислот, спирт, пеницилина и т.д.

Применение ферментов в биотехнологических процессах

Инвертаза дрожжей гидролизует сахарозу до фруктозы и глюкозы, предотвращает ккристаллизацию сахарозы.

Иммобилизованная глюкозоизомераза применяется для получения более сладких глюкозо-фруктозных сиропов из глюкозы.

Иммобилизованная амилоглюкозидаза используется для крупномасштабного производства глюкозы из крахмала.

Иммобилизованный на хитине папаин используется для ответвления

пива.

В пивоварении для замены солода используют амилазы. В хлебопечении также используются амилазы.

Коагуляцию молока при изготовлении сыра проводят под действием фрмента реннина.

Целлюлазы использую при изготовлении растворимого кофе.

6.

Для нормального функционирования организма должна осуществляться точная регуляция потока метаболитов по анаболическим и катаболическим путям. Все биохимические процессы должны быть скоординированы и должны отвечать на изменения во внешней среде (например, на поступление питательных веществ), а также на периодически происходящие внутриклеточные события (например, репликацию ДНК).

187

Поток веществ, проходящий через ту или иную реакцию, можно регулировать, изменяя следующие параметры: 1) абсолютное количество присутствующего фермента; 2) каталитическую эффективность фермента.

Регуляция количества фермента путем регуляции скорости его синтеза и распада

Синтез и распад ферментов, как и других белков, происходит в организме непрерывно. У взрослого здорового человека в условиях динамического равновесия процессы синтеза и распада имеют одинаковую скорость, благодаря чему общее содержание ферментов не изменяется во времени. Однако, для адаптации к изменениям внешней среды или в ответ на внутриклеточные изменения, смещается равновесие между процессами синтеза и распада ферментов. У всех живых организмов синтез ферментов (из аминокислот) и распад (до аминокислот) представляют собой разные процессы, которые катализируются разными ферментами. В этих условиях легко осуществляется независимая регуляция скорости синтеза фермента и скорости его распада.

Клетки могут синтезировать специфические ферменты в ответ на присутствие специфических низкомолекулярных индукторов, т.е. веществ, которые могут влиять на скорость синтеза фермента и оказывать существенное воздействие на регуляцию обмена веществ путем соотношения ферментов в организме. Ферменты, концентрация которых всегда постоянна и не зависит от условий, называются конститутивными. Ферменты, концентрация которых может меняться, называются адаптивными.

В частности, известно, что введение некоторых лекарств приводит к усилению синтеза ряда ферментов (эти лекарства действуют как индукторы ферментов). Например, фенобарбитал приводит к значительному (в 3-5 раз) увеличению содержания микросомального фермента цитохрома Р-450, который играет центральную роль в метаболизме самого фенобарбитала и многих других лекарственных препаратов. Один из таких препаратов - варфарин, препятствующий свертыванию крови. Если больной принимает варфарин, а затем ему назначают фенобарбитал, то доза варфарина должна быть существенно увеличена, чтобы компенсировать его разрушение под действием индуцированного цитохрома Р-450.

Ферменты цикла мочевины, тирозинаминотрансфераза, треониндегидраза - индуцируемые ферменты.

Репрессия - это процесс, в результате которого может быть приостановлен синтез фермента. Таким репрессором может быть субстрат. У человека на уровень адаптивных ферментов в большей мере играют эндокринные факторы (гормоны), чем промежуточные продукты обмена веществ. Так, ферменты коры надпочечников стимулируют синтез ферментов, участвующих в образовании глюкозы (гллюконеогенезе).

Превращение ферментов в активные формы

188

Ферментативная активность может регулироваться путем превращения неактивного профермента в активную форму. Чтобы перейти в такую форму, профермент должен подвергнуться ограниченному протеолизу, сопровождающемуся конформационными изменениями; при этом происходит либо открытие активного центра, либо его формирование.

Синтез в форме проферментов характерен для пищеварительных ферментов, а также ферментов системы свертывания крови и системы фибринолиза.

Регуляция активности ферментов путем их ковалентной модификации

Обратимое изменение каталитической активности ферментов может осуществляться путем ковалентного присоединения фосфатной группы (преобладает у млекопитающих) и ли нуклеотида (преобладает у бактерий). Ферменты, подверженные ковалентной модификации, которая сопровождается изменением их активности, называют обратимо модифицируемыми ферментами.

Обратимо модифицируемые ферменты могут находиться в двух состояниях, одно из которых характеризуется высокой, а другое - низкой каталитической эффективностью. В зависимости от конкретного случая более активным катализатором может быть либо фосфо-, либо дефосфофермент.

Таблица. Сравнительная активность обратимо модифицируемых ферментов млекопитающих (Е - дефосфофермент, ЕР - фосфофермент).

189

протеинкиназами и протеинфосфотазами. Активность протеинкиназ регулируется с помощью белковых ингибиторов.

Регуляция белковыми ингибиторами

Одним из важнейших примеров регуляции белковыми ингибиторами является регуляция протеинкиназ - ферментов, фосфорилирующих белки. Протеинкиназа в активной форме представляет собой белок, построенный из одной полипептидной цепи (субъединица С). В клетке имеется белок (субъединица R), способный соединяться с белком С, причем образуется тетрамерный комплекс R2C2. Этот комплекс не обладает ферментативной активностью. Активация происходит при участии цАМФ, который связывается с субъединицей R. После связывания изменяется конформация белка, и сродство субъединицы R к субъединице С уменьшается - происходит диссоциация комплекса:

R2C2 + 2цАМФ R2цАМФ2 + 2С

Повышение концентрации цАМФ в клетке ведет к активации протеинкиназ.

Аллостерическая регуляция

Последовательность реакций синтеза сложного природного соединения из простых называется анаболическим путем, а последовательность реакций его распада - катаболическим путем. Катаболические и анаболические пути одного итого же вещества не совпадают полностью. Как правило, биохимические реакции, различающиеся в катаболическом и анаболическом путях, катализируются ключевыми аллостерическими ферментами, которые называют также регуляторными. Благодаря существованию таких ферментов возможно независимое регулирование процессов синтеза и распада.

Аллостерические ферменты помимо активного центра имеют еще специфический регуляторный центр (аллостерический центр), с которым могут специфически связываться некоторые соединения, способные активировать или ингибировать ферменты (аллостерические модификаторы

или эффекторы).

190

Аллостерические ферменты, как правило, состоят из 2-х или более субъединиц. Одна субъединица имеет активный (каталитический) центр, а другая - регуляторный. На рисунке представлена схема аллостерического ингибирования фермента:

В отсутствии аллостерического ингибитора субстрат присоединяется к активному центру и происходит реакция. Если в среде есть аллостерический ингибитор, то он присоединяется к регуляторному центру, что ведет к изменению конформации регуляторной субъединицы, а затем - каталитической субъединицы. В результате активность фермента снижается.

Кинетика аллостерических ферментов не подчиняется уравнению Михаэлиса-Ментен. Зависимость скорости реакции от концентрации субстрата носит сигмоидальный (S-образный) характер.

Ингибирование по принципу обратной связи

Ингибирование фермента, катализирующего одну из реакций в цепи, конечным продуктом этой цепи называют ингибированием по принципу обратной связи. В цепи реакций биосинтеза D из A, катализируемой ферментами Е1, Е2, Е3, при высоких концентрациях D обычно наблюдается ингибирование превращения А в В. D действует как отрицательный аллостерический эффектор фермента, или ингибитор, действующий по принципу обратной связи.

В кинетическом плане ингибирование по принципу обратной связи может быть конкурентным, неконкурентным.

CO2 + глутамин + 2 АТФ

глутамат + 2 АДФ + H3PO4

H2N C OPO3H2

O

- карбамоилфосфат

7 реакций

УТФ

Очень часто ингибитор, действующий по принципу обратной связи, является последней малой молекулой перед синтезом макромолекулы (например, нуклеотид в синтезе нуклеиновых кислот). Регуляция по принципу обратной связи происходит на первой функционально необратимой стадии, уникальной для данной цепи реакций биосинтеза.

Такое ингибирование позволяет экономить метаболиты и энергию, прекращая синтез продукта уже на первых стадиях.

Примером ингибирования по принципу обратной связи может быть регуляция синтеза УТФ (уридинтрифосфата).

Метаболический путь синтеза УТФ включает 8 реакций. Первая катализируется реакцией карбамоилфосфатсинтетазой II. Это аллостерический фермент: конечный продукт метаболического пути - УТФ - является его аллостерическим ингибитором.

Применение ферментов в биохимии и биотехнологии

Применение ферментов в качестве аналитических реагентов

Широкое применение получил метод определения глюкозы в крови при помощи глюкозокидазы (см. лаб. работу).

Метод определения ТАГ с помощью ферметного набора на основе липазы.

Определение оротовой кислоты (продукт метаболизма нуклеотидов) определяют с помощью соответствующей НАДН-дегидрогеназы спектрофотометрически по соотношению НАД+/НАДН.

На основе иммобилизованных ферментов получают электроды для определения мочевины, аминокислот, спирт, пеницилина и т.д.

192

Применение ферментов в биотехнологических процессах

Инвертаза дрожжей гидролизует сахарозу до фруктозы и глюкозы, предотвращает ккристаллизацию сахарозы.

Иммобилизованная глюкозоизомераза применяется для получения более сладких глюкозо-фруктозных сиропов из глюкозы.

Иммобилизованная амилоглюкозидаза используется для крупномасштабного производства глюкозы из крахмала.

Иммобилизованный на хитине папаин используется для ответвления

пива.

В пивоварении для замены солода используют амилазы. В хлебопечении также используются амилазы.

Коагуляцию молока при изготовлении сыра проводят под действием фрмента реннина.

Целлюлазы использую при изготовлении растворимого кофе.