ИНГИБИТОРЫ. Ферменты - это катализаторы с регулируемой активностью. Ею можно управлять с помощью различных веществ. Действие фермента можно ИНГИБИРОВАТЬ определёнными химическими веществами- ИНГИБИТОРАМИ. По характеру действия ингибиторы делятся на 2 большие группы:

1.Обратимые - это соединения, которые НЕКОВАЛЕНТНО взаимодействуют с ферментом, при этом образуется комплекс, способный к диссоциации.

2.Необратимые - это соединения, которые могут специфически связывать определенные функциональные группы активного центра фермента. Они образуют с ним прочные КОВАЛЕНТНЫЕ связи, поэтому такой комплекс трудно разрушить.

ВИДЫ ИНГИБИРОВАНИЯ. По механизму действия выделяют следующие виды ИНГИБИРОВАНИЯ:

1. Конкурентное ингибирование - торможение ферментативной реакции, вызванное действием ингибиторов, структура которого очень близка к структуре S, поэтому и S, и ингибитор конкурируют за АЦ Ф. и связывается с ним то соединение. концентрация которого в окружающей среде больше. E+S - ES-EP

Многие лекарственные препараты действуют по типу конкурентного ингибитора. Примером является применение СУЛЬФАНИЛА (СА). При различных инфекционных заболеваниях, которые вызываются бактериями, применяются СА препараты. Введение СА приводит к ИНГИБИРОВАНИЮ фермента бактерий, которые синтезируют ФОЛИЕВУЮ кислоту. Нарушение синтеза этой кислоты проводит к нарушению роста микроорганизмов и их гибели.

2.НЕКОНКУРЕНТНОЕ ИНГИБИРОВАНИЕ -ингибитор и субстрат не имеют структурного сходства; ингибитор не влияет на образование F-S-комплекса; образуется тройной ESI -комплекс.

Такие ингибиторы влияют на каталитическое превращение субстрата. Они могут связываются как непосредственно с каталитическими группами AЦ Ф, так и вне АЦ Ф. Но в любом случае они влияют на конформацию активного центра. В качестве неконкурентного ингибитора выступают ЦИАНИДЫ. Они прочно связываются с ионами железа ЦИТОХРОМОКСИДАЗЫ. Этот фермент является одним из компонентов дыхательной цепи. Блокирование дыхательной цепи приводит к мгновенной гибели организме. Действие можно снять только с помощью РЕАКТИВАТОРОВ.

3.СУБСТРАТНОЕ ИНГИБИРОВАНИЕ - это торможение ферментативной реакции, вызванное избытком субстрата. При этом образуется F-S комплекс, но он не подвергается каталитическим превращениям, т.к. делает молекулу фермента неактивной. Действие субстратного ингибитора снимается путём уменьшения концентрации субстрата.

4.АЛЛОСТЕРИЧЕСКОЕ ИНГИБИРОВАНИЕ . АЛЛОСТЕРИЧЕСКИЕ ферменты могут иметь 2 и более единиц протомеров. При этом одна имеет каталитический центр и называется каталитической, а другая - АЛЛОСТЕРИЧЕСКИЙ центр и называется регуляторной. В отсутствии АЛЛОСТЕРИЧЕСКОГО ИНГИБИТОРА субстрат присоединяется к каталитическому центру, и идёт обычная каталитическая реакция. При появлении АЛЛОСТЕРИЧЕСКОГО ИНГИБИТОРА, он присоединяется к регуляторной единице и изменяет КОНФОРМАЦИЮ центра фермента, в результате этого активность фермента снижается.

Понятие об изоферментах. Характеристика изоферментов лактатдегидрогеназы (ЛДГ) и креатинкиназы (КК). Диагностическая роль изоферментов КК. Использование ферментов в медицине. Энзимодиагностика и энзимотерапия. Энзимопатология, примеры.

Изоферменты - это группа Ф-ов, которые катализируют одну и ту же реакцию, но отличаются по некоторым физико-химическим свойствам. Они возникли вследствие генетических различий при формировании первичной структуры ферментного белка. Изоферменты обладают строгой органной специфичностью.

Определение активности ИЗОФЕРМЕНТОВ имеет диагностическое значение.

ЛДГ (лактатдегидрогеназа) имеет 5 изоферментов, каждый из которых является тетрамером. Эти Ф-ты ЛДГ различаются сочетанием – H и М-типа. В печени и мышцах преобладают и максимально активны ЛДГ-4 и ЛДГ-3. В миокарде, почечной ткани максимально активны ЛДГ-1 и ЛДГ-2. При патологии печени в сыворотке крови резко возрастает активность ЛДГ-4, ЛДГ-5.

КФК (КРЕАТИНФОСФОКИНАЗА) - 0,16 - 0,3ммоль/л. Состоит из 2-х единиц: В (мозг), М (мышцы). КФК-1 (ВВ, 0%, ЦНС) повышается при глубоком тяжёлом поражении (опухоль, травма, ушиб мозга). КФК-2 (MB, 3%, миокард) повышается при инфаркте миокарда, травме сердца. КФК-3 (ММ, 97%, мышечная ткань) повышается при поражении миокарда, синдром длительного давления.

Энзимопаталогия - изучает заболевания, связанные с нарушением деятельности Ф. в организме, либо полным их отсутствием. Н-р, фенилкетонурия: фенилаланин превращается в различные продукты, но только не в тирозин - фенилПВК, фениллактат. Это приводит к нарушению физических возможностей организма. Другой пример - отсутствие гистидазы. Этот Ф. участвует в превращении гистидина, отсутствие его приводит к накоплению гис в крови и моче, что оказывает негативное влияние на все обменные процессы, тормозится умственное и физическое развитие.

Энзимодиагностика - определение активности Ф. в диагностических целях. В основе этого лежит органоспецифичность Ф. Н-р. щелочная фосфатаза - специфический Ф, характеризует состояние костной ткани. Активность его повышается при рахитах, механической желтухе. При различных деструктивных процессах происходит нарушение целостности мембран поряженных органов, наблюдается выброс Ф. в кровь. Н-р. инфаркт миокарда.

Энзимотерапия - использование различных Ф в клинической практике в лечебных целях. Н-р при пониженной кислотности - пепсин.

Все типы ингибирования ферментов можно разделить на две большие группы: необратимое и обратимое ингибирование. Необратимые ингибиторы прочно связываются с молекулой фермента, и после удаления ингибитора (например, с помощью диализа), активность фермента не восстанавливается. Наиболее известными необратимыми ингибиторами являются фосфорорганические яды, применяемые в качестве инсектицидов и как боевые отравляющие вещества, цианиды и ионы тяжелых металлов, например, ртути, кадмия, меди, свинца, связывающиеся с карбоксильными и сульфгидрильными (- SH) группами в белках.

Обратимые ингибиторы отделяются от комплекса фермента с ингибитором при понижении их концентрации, и фермент восстанавливает свою каталитическую активность. По типу воздействия на зависимость ферментативной реакции от концентрации субстрата обратимые ингибиторы делятся на конкурентные, неконкурентные , безконкурентные и смешанные.

Конкурентные ингибиторы являются структурными аналогами субстрата и связываются в активном центре фермента, конкурируя с субстратом за место связывания. Они вызывают увеличение (ухудшение) константы Михаэлиса, но не влияют на максимальную скорость реакции (рис.9)

Рис. 9. Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата в присутствии конкурентного ингибитора (а) и ее представление в двойных обратных координатах (б). Где 1 – график без ингибитора, 2 - график с ингибитором. Vi – Vмах в присутствии ингибитора.

Неконкурентное ингибирование наблюдается, если ингибитор связывается вне активного центра. К неконкурентным ингибиторам относятся, например, тиоловые яды.

Неконкурентные ингибиторы не влияют на константу Михаэлиса, но уменьшают максимальную скорость ферментативной реакции (рис.8):

Рис. 10. Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата в присутствии неконкурентного ингибитора. Обозначения как на рисунке 9.

Бесконкурентное ингибирование - ингибитор связывается только с фермент-субстратным комплексом, но не со свободным ферментом, изменяя его конформацию, что затрудняет катализ. Максимальная скорость реакции и константа Михаэлиса уменьшаются в одинаковое количество раз и на графике в двойных обратных координатах наблюдаются параллельные прямые (рис.11).

Рис. 11. Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата в присутствии бесконкурентного ингибитора.

Смешанное ингибирование встречается, если ингибитор связывается как в активном центре, так и вне его, а комплекс ЕI сохраняет частичную активность по сравнению с нативным ферментом. Такие ингибиторы увеличивают константу Михаэлиса и уменьшают максимальную скорость ферментативной реакции. В двойных обратных координатах ситуация выглядит так (рис.12):

Рис.12. Представление зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата в присутствии смешанного ингибитора в двойных обратных координатах.

Типы обратимого ингибирования ферментов представлены в таблице.

Классификация ферментов

Стремительное развитие энзимологии в 20 веке привело к тому, что остро встала проблема разработки единой классификации и унификации названий ферментов. В 1961 г. на V Международном биохимическом конгрессе в Москве была утверждена современная классификация ферментов, в основе которой лежит их разделение на шесть классов в зависимости от типа катализируемой реакции .

1) Оксидоредуктазы катализируют окислительно-восстановительные реакции.

Пример: исп.

В большинстве случаев дегидрогеназы катализируют обратимые реакции

2) Трансферазы катализируют реакции межмолекулярного переноса различных групп атомов,

где Т - транспортируемая группа,

АТ – субстрат – донор,

В – субстрат - акцептор транспортируемой группы.

Пример 1 – аминотрансферазы, переносят альфа-аминогруппу аминокислот на место альфа-кетогруппы в кетокислотах. На схеме АЛТ – аланинаминотрансфераза.

Пример 2 - один из наиболее распространённых видов посттрансляционной модификации белка (синтез фосфопротеинов) - фосфорилирование, которое катализируют фосфотрансферазы (киназы), осуществляющие перенос фосфатной группы от молекулы аденозинтрифосфата (АТФ) на различные субстраты.

3) Гидролазы катализируют расщепление внутримолекулярных связей с присоединением воды по разорванной связи:

Где А-В - субстрат

В качестве примеров гидролаз можно привести протеиназы, катализирующие расщепление белков и пептидов; эстеразы, гидролизующие сложноэфирные связи, гликозидазы, разрывающие гликозидные связи с присоединением воды. Все пищеварительные ферменты относятся к классу гидролаз (некоторые из них: пепсин, трипсин, химотрипсин, амилаза, липаза, рибонуклеаза).

4) Лиазы катализируют разрыв и синтез связей С-О, С-N, С-C, а также обратимые реакции негидролитического отщепления групп с образованием двойной связи.

5) Изомеразы. К классу изомераз относят ферменты, катализирующие обратимые взаимопревращения изомеров. В качестве примера приведем следующую реакцию:

6) Лигазы (синтетазы) катализируют реакции синтеза различных веществ с использованием энергии АТФ или других макроэргических молекул. В качестве примера можно привести синтез карбамоилфосфата.

На основании приведенной системы классификации ферментов (КФ) был издан список ферментов, где каждому ферменту присвоен четырехзначный номер (номенклатура ферментов). Первая цифра номера указывает на принадлежность фермента к одному из шести классов. В пределах классов ферменты группируются в подклассы и подподклассы в соответствии с особенностями катализируемых реакций, четвертое число - порядковый номер фермента в его подподклассе.

Например, кислая фосфатаза имеет шифр 3.1.3.2; это означает, что она относится к классу гидролаз (3.), подклассу этих ферментов, действующих на сложноэфирные связи (3.1.), к подподклассу ферментов, гидролизующих моноэфиры фосфорной кислоты (3.1.3.), а порядковый номер фермента в данном подподклассе - 2 (3.1.3.2).

Типы ингибирования

Ингибиторы способны взаимодействовать с ферментами с разной степенью прочности. Если ингибитор вызывает стойкие изменения пространственной третичной структуры молекулы фермента или модификацию функциональных групп фермента, то такой тип ингибирования называется необратимым. Чаще, однако, имеет место обратимое ингибирование.

Обратимое ингибирование

Обратимые ингибиторы связываются с ферментом слабыми нековалентными связями и при определённых условиях легко отделяются от фермента. Различают три типа обратимого ингибирования ферментов: конкурентное, неконкурентное и бесконкурентное.

1. Конкурентное ингибирование

Конкурентный ингибитор конкурирует с субстратом за связывание с активным центром, но в отличие от субстрата связанный с ферментом конкурентный ингибитор не подвергается ферментативному превращению. Отличительная особенность конкурентного ингибирования состоит в том, что его можно устранить или ослабить, просто повысив концентрацию субстрата.

Конкурентное ингибирование может быть вызвано веществами, имеющими структуру, похожую на структуру субстрата, но несколько отличающуюся от структуры истинного субстрата. Такое ингибирование основано на связывании ингибитора с субстрат связывающим (активным) центром.

Рис. 2. Общий принцип конкурентного ингибирования (схема по В.Л. Кретовичу). Е - фермент; S - субстрат; Р 1 и Р 2 - продукты реакции; I - ингибитор

В общей форме реакция взаимодействия ингибитора с ферментом может быть представлена следующим уравнением:

Образовавшийся комплекс, называемый фермент-ингибиторным комплексом ЕI, в отличие от фермент-субстратного комплекса ES не распадается с образованием продуктов реакции.

Лекарственные препараты как конкурентные ингибиторы

Многие лекарственные вещества ингибируют ферменты человека и животных по конкурентному типу. Например, что для лечения некоторых инфекционных заболеваний, вызываемых бактериями, применяют сульфаниламидные препараты. Оказалось, что эти препараты имеют структурное сходство с парааминобензойной кислотой, которую бактериальная клетка использует для синтеза фолиевой кислоты, являющейся составной частью ферментов бактерий. Благодаря этому структурному сходству сульфаниламид блокирует действие фермента путем вытеснения парааминобензойной кислоты из комплекса с ферментом, синтезирующим фолиевую кислоту, что ведет к торможению роста бактерий.

Антиметаболиты как лекарственные препараты

В качестве ингибиторов ферментов по конкурентному механизму в медицинской практике используют вещества, называемые антиметаболитами. Эти соединения, будучи структурными аналогами природных субстратов, вызывают конкурентное ингибирование ферментов, с одной стороны, и, с другой - могут использоваться этими же ферментами в качестве псевдо субстратов, что приводит к синтезу аномальных продуктов. Аномальные продукты не обладают функциональной активностью; в результате наблюдают снижение скорости определённых метаболических путей.

Таким образом, можно конструировать лекарственные вещества, ингибирующие ферменты по конкурентному типу. Чтобы быть эффективным, ингибитор должен иметь высокое сродство к ферменту. В противном случае необходимо назначать большие дозы лекарственных препаратов, чтобы активно конкурировать с эндогенным субстратом за активный центр фермента (В.П. Комов, В.Н. Шведова, 2004).

2. Неконкурентное ингибирование

Неконкурентное ингибирование тоже обратимо, но не может быть ослаблено или устранено повышением концентрации субстрата

В случае неконкурентного ингибирования ингибитор присоединяется к ферменту не в активном центре, где связывается субстрат, а совсем в другом месте. При этом кон формация молекулы фермента изменяется таким образом, что происходит обратимая инактивация его каталитического центра. Неконкурентные ингибиторы связываются обратимо как со свободным ферментом, так и с комплексом ES, образуя неактивные комплексы EI и ESI.

Степень торможения во многих случаях определяется продолжительностью действия ингибитора на фермент. При данном типе ингибирования благодаря образованию стабильной ковалентной связи фермент часто подвергается полной инактивации, и тогда торможение становится необратимым (Н.З. Хазипов, А.Н. Аскарова, 2001).

Наиболее важные неконкурентные ингибиторы представляют собой образующиеся в живых организмах промежуточные продукты метаболизма, способные обратимо связываться со специфическими участками на поверхности некоторых регуляторных ферментов и изменять при этом активность их каталитических центров. Примером может служить ингибирование L-треониндегидратазы L-изолейцином (А. Ленинджер, 1985).

Примером необратимого ингибирования является действие йодацетата, ДФФ, а также диэтил-n-нитрофенилфосфата и солей синильной кислоты. Это действие заключается в связывании и выключении функциональных групп или ионов металлов и молекуле фермента.

Следует указать, что неконкурентное ингибирование также может быть обратимым и необратимым, поскольку отсутствует конкуренция между субстратом и ингибитором за активный центр. Примеры необратимого ингибирования приведены ранее. При обратимом неконкурентном ингибировании субстрат S и ингибитор I связываются с разными центрами, поэтому появляется возможность образования как комплекса EI, так и тройного комплекса EIS; последний может распадаться с освобождением продукта, но с меньшей скоростью, чем комплекс ES.

Этот тип неконкурентного ингибирования чаще всего наблюдается у ферментов, катализирующих превращения более одного субстрата, когда связывание ингибитора не блокирует связывание субстрата с активным центром. Ингибитор при этом соединяется как со свободным ферментом, так и с ES-комплексом (Т.Т. Березов, Б.Ф. Коровкин, 1990).

3. Бесконкурентное ингибирование

В редких случаях степень торможения активности фермента может увеличиваться с повышением концентрации субстрата. Для этого типа торможения был предложен термин "бесконкурентное ингибирование".

Бесконкурентное ингибирование имеет место, когда ингибитор взаимодействует с ферментом только в составе фермент-субстратного комплекса, препятствуя его распаду (Уэбб Л., 1966).

Примером необратимого действия ингибиторов на ферменты могут служить фосфорорганические вещества, применяемые в качестве инсектицидов.

При бесконкурентном ингибировании ингибитор связывается только с фермент-субстратным комплексом, но не со свободным ферментом. Субстрат, связываясь с ферментом, изменяет его конформацию, что делает возможным связывание с ингибитором. Ингибитор, в свою очередь, так меняет конформацию фермента, что катализ становится невозможным

Один из механизмов такого торможения обусловлен возможностью соединения ингибитора с комплексом ES с образованием неактивного или медленно реагирующего тройного комплекса EIS (Т.Т. Березов, Б.Ф. Коровкин, 1990).

Ингибирование субстратом -- частный случай бесконкурентного ингибирования, когда две молекулы субстрата связываются с ферментом, что препятствует образованию продукта

Активность многих ферментов тормозится избытком субстрата, причем имеется несколько механизмов этого процесса.

• 1) Если в образовании фермент-субстратного комплекса участвует несколько функциональных групп фермента, то возможно одновременное присоединение к активному центру двух или более субстратов, что однозначно приведет к образованию неактивного комплекса.
• 2) В случае избытка субстрата возможно его присоединение не только к активному центру, но и к другим химическим группировкам, функционально связанным с активным центром. Такого рода взаимодействие может помешать ферментативной реакции.
• 3) Увеличение концентрации субстрата может повысить ионную силу реакционной среды и, как следствие, затормозить скорость ферментативной реакции.

Торможение продуктами реакции связано с тем, что они могут связываться с ферментом или с каким-либо другим компонентом системы таким образом, что скорость прямой реакции снижается.

При определенных условиях ингибитор может быть легко отделен от фермента.

Конкурентное обратимое ингибирование

В этом случае вещество, по своей структуре близкое к обычному субстрату фермента, соединяется с активным центром фермента, но не может прореагировать с ним. Находясь здесь, оно преграждает доступ к активному центру любой молекуле настоящего субстрата. Поскольку в этом случае ингибитор и субстрат конкурируют за место на активном центре фермента, эту форму ингибирования называют конкурентным ингибированием . Оно обратимо, так как при увеличении концентрации субстрата скорость реакции возрастает.

6.4. Почему при этих условиях скорость реакции возрастет?

Рис. 6.15 иллюстрирует один из примеров конкурентного ингибирования.

Явление конкурентного ингибирования используется в химиотерапии . Цель химиотерапии - уничтожить при помощи тех или иных химических препаратов возбудителя болезни, не повреждая при этом ткани организма-хозяина. Во время второй мировой войны для борьбы с инфекционными заболеваниями широко применялись сульфаниламидные препараты , или сульфаниламиды , - производные сульфаниловой кислоты. Сульфаниламиды по своей химической структуре близки к парааминобензойной кислоте (ПАБК) - необходимому фактору роста многих патогенных бактерий. ПАБК требуется бактериям для синтеза фолиевой кислоты, которая служит у них кофактором фермента. Действие сульфаниламидов связано с нарушением синтеза фолиевой кислоты из ПАБК.

Животные клетки не чувствительны к сульфаниламидам, хотя им для некоторых реакций и требуется фолиевая кислота. Объясняется это тем, что они используют преобразованную фолиевую кислоту; метаболический путь, который обеспечивал бы ее синтез, у животных отсутствует.

Неконкурентное обратимое ингибирование

Ингибиторы этого рода не родственны по своей структуре субстрату данного фермента; в образовании комплекса с ингибитором участвует в этом случае не активный центр фермента, а какая-нибудь другая часть его молекулы (рис. 6.16). Образование комплекса влечет за собой изменение глобулярной структуры фермента, и, хотя настоящий субстрат при этом к ферменту все же присоединяется, катализ тем не менее оказывается невозможным. В качестве примера можно привести цианид. Он связывается с ионами металлов, выполняющими у некоторых ферментов роль простетической группы (в частности, с ионами меди цитохромоксидазы), и подавляет активность этих ферментов. С повышением концентрации ингибитора скорость ферментативной реакции все более снижается. К моменту насыщения ингибитором она оказывается практически равной нулю.