8.4. Активирование и ингибирование ферментов

Активность фермента зависит от присутствия активаторов, в качестве которых могут выступать различные соединения: НС1 для пепсина; желчные кислоты для панкреатической липазы; глутати- он, цистеин, витамин С для тканевых ферментов и папаина (рас­тительный фермент); ионы металлов для многих ферментов (табл. 8.2).

8.2. Участие ионов металлов в активировании ферментов

Обычно трудно провести грань между металлоферментами и ферментами, активируемыми ионами металлов (последние легко диссоциируют). Некоторые ферменты активны лишь в присут­ствии металлов.

Например, при удалении ионов цинка угольная ангидраза практически лишена ферментативной активности, при этом ион Zn⁺² не может быть заменен ионом другого металла. В одних слу­чаях ионы металлов выполняют роль простетических групп фер­ментов; в других способствуют присоединению субстрата к актив­ному центру и образованию фермент-субстратного комплекса.

Ингибиторы полностью или частично подавляют активность ферментов. К таким факторам относятся прежде всего агенты, вы­зывающие денатурацию белка: нагревание, кислоты, щелочи, соли тяжелых металлов.

Специфические ингибиторы подавляют активность какого- либо одного фермента или группы ферментов. Изучение действия этих ингибиторов имеет важное значение, они могут дать ценную информацию о природе активного центра фермента, о механизме образования фермент-субстратного комплекса.

Известны вещества, специфически связывающие ту или иную группу в молекуле фермента, выключая ее из химической реак­ции. Например, IСН₂—СООН (иодацетат), его амид и ряд других соединений легко входят в связь с SH-группами ферментов. Неко­торые ферменты блокируются фосфорорганическими соединени­ями.

Ингибиторы позволяют определить функции множественных форм ферментов (изоэнзимов). На ингибировании ферментов ос­нован механизм действия многих токсинов и ядов на организм. Например, при отравлениях синильной кислотой смерть наступа­ет в результате торможения дыхательных ферментов. Влияние ин­сектицидов—результат блокирования фермента холинэстеразы. Нервно-паралитические яды (зоман, зарин, V_x) тоже блокируют ферменты.

Различают конкурентное и неконкурентное ингибирование.

Конкурентное ингибирование вызывают веще­ства, имеющие структуру, похожую на субстрат, но немного отли­чающуюся от структуры истинного субстрата. Примером этого может служить торможение активности сукцинатдегидрогеназы малоновой кислотой. Этот фермент катализирует окисление пу­тем дегидрирования янтарной кислоты в фумаровую (рис. 8.5).

Если в среду добавить малоновую кислоту (ингибитор), то в силу структурного сходства ее с истинным субстратом янтарной кислотой (наличие двух ионизированных карбоксильных групп) она будет реагировать с активным центром с образованием фермент-ингибиторного комплекса. Однако при этом переноса водо-

рода от малоната не происходит, так как структуры субстрата ян­тарной кислоты и малоната несколько различаются, они конкури­руют за связывание с активным центром и степень ингибирования будет зависеть от соотношения количества янтарной и малоновой кислот.

Метод конкурентного ингибирования широко применяют в медицине и ветеринарии, в частности действие сульфаниламид­ных препаратов основано на такого рода ингибировании.

Известно, что бактерии используют парааминобензойную кис­лоту для синтеза фолиевой кислоты, необходимой для их роста.

Благодаря структурному сходству сульфаниламид блокирует действие фермента, в результате рост бактерий подавляется.

Некоторые аналоги витамина В₆ и фолиевой кислоты, в част­ности дезоксиптиридоксин и аминоптерин, действуют как конку­рентные ингибиторы (антивитамины), тормозящие многие биохи­мические процессы в организме.

Неконкурентное ингибирование вызывают ве­щества, не имеющие структурного сходства с субстратами и часто связывающиеся не с активным центром фермента, а с любым дру­гим сайтом его молекулы. При этом образуется ковалентная связь, фермент полностью инактивируется, а торможение (ингибирова­ние) бывает необратимым (например, действие иодацетата, хлоро­водородной кислоты и др.).

Кроме того, на активность фермента влияют и другие факторы: закон действия масс: направление реакции зависит от кон­центрации компонентов реакции. Например, дезаминирование аланина с образованием пировиноградной кислоты зависит от концентрации компонентов и может идти в том или ином направ­лении:

активирование проферментов: протеолитические ферменты пи­щеварительного тракта и поджелудочной железы синтезируются в неактивной форме в виде проферментов (зимогенов). Активиро­вание их происходит под действием специфических агентов. На­пример, трипсиноген (поджелудочная железа) в кишечнике пре­вращается в трипсин под действием энтерокиназы (открыто в ла­боратории И. П. Павлова);

химическая модификация фермента: ключевые ферменты энер­гетического обмена — фосфорилаза, гликогеназа и другие контро­лируются путем химической модификации — фосфорилирования и дефосфорилирования;

регуляция активности ферментов по принципу обратной связи (очень распространенная форма регуляции): концентрация конеч­ного продукта является мощным ингибирующим фактором. На­пример, в клетках Е. coli изолейцин, являющийся конечным про­дуктом, избирательно подавляет активность треониндегидратазы (первую фазу превращения лейцина в изолейцин);

другие типы регуляции: к ним могут быть отнесены конкуренция ферментов за общий субстрат, выключение одного из ферментов (изоферментов).

О количестве фермента судят по скорости катализируемой ре­акции при определенных условиях — по уменьшению количества субстрата или по образованию продукта реакции.

За единицу (Е) любого фермента принимают то его количество, которое в оптимальных условиях катализирует превращение 1 мкмоль субстрата в 1 мин (мкмоль/мин). Кроме того, актив­ность фермента обозначают в каталах (kat) — моль/с; 1Е ферм. = = 6,67 нкатал. Активность фермента выражают, определяя удель­ную или молекулярную активность.

Удельная активность фермента — это единица ферментативной активности на 1 мг белка.

Молекулярная активность фермента — это число молекул суб­страта, подвергающихся превращению одной молекулой фермента в 1 мин. Например, одна молекула каталазы эритроцитов способ­на расщепить в 1 мин 5 • 10⁶ молекул Н₂0₂.