<<
>>

ИНГИБИРОВАНИЕ, АКТИВАЦИЯ И ИНДУКЦИЯ ФЕРМЕНТОВ

В зависимости от определяемых условий скорость реакций может изменяться. Для нас представляют интерес лекарственные средства, которые могут быть ингибиторами, активаторами

или индукторами ферментных систем.

В этом случае ферменты представляют собой биологическую мишень действия лекарств. В то же время они являются катализаторами в реакциях метаболического превращения лекарственных средств, а в некоторых случаях и сами являются лекарствами (Глава 5). Более того, ферменты наряду с транспортными белками являются источниками нелинейности в фармакокинетических исследованиях. Следовательно, при взаимодействии лекарств с ферментами они могут быть и лигандами, и субстратами.

В ходе изучения ингибиторов была получена ценная информация относительно таких вопросов, как субстратная специфичность ферментов, природа функциональных групп, составляющих активный центр, механизм действия фермента и участие определенных функциональных групп в поддержании специфической конформации молекулы фермента. Особое значение имеет тот факт, что ингибирование различных ферментов специфическими клеточными компонентами служит одним из факторов, регулирующих ход ферментативных реакций в интактной клетке.

Различают прежде всего обратимое и необратимое ингибирование. Необратимое ингибирование обычно сопровождается разрушением или модификацией одной или нескольких функциональных групп фермента (ниже приведены примеры). Обратимое ингибирование может быть предметом количественного изучения с использованием уравнения Михаэлиса—Ментен. Оно, в свою очередь, подразделяется на два типа: конкурентное и неконкурентное. Конкурентное ингибирование может быть ослаблено или устранено путем увеличения концентрации субстрата. На неконкурентное ингибирование изменение концентрации субстрата не влияет.

В случае конкурентного ингибирования субстрат [S] и ингибитор [/] конкурируют за один и тот же активный центр.

Реакции описываются следующими уравнениями:

Е -\- S *■-► ES —► Е “Г Р,

Е + 1~Е1,

где комплекс El не способен давать продукты реакции. Такую систему можно снова рассматривать в рамках модели Михаэли- са—Ментен. В стационарном приближении для ES получим

'° l + (OS])fl+ ([/]/%)]’

где

К,=

В координатах Лайнуивера—Берка находим уравнение

Таким образом, строя зависимость 1/и0 от l/[S] при постоянной концентрации /, получим прямую линию (рис. 4.6, а). Отличие уравнения 4.26 от уравнения 4.20 состоит в том, что тангенс угла наклона при наличии ингибитора, увеличивается в (1 + [/]//() раз. Точка пересечения с осью 1/и0 для обоих графиков совпадает.

Неконкурентный ингибитор обычно не связывается с активным центром фермента. Происходящие при неконкурентном ингибировании реакции можно выразить следующей схемой:

E + S~ES-*P,

£ + /«£/,

ES + / «н. ESI.

Ни EI, ни ESI не образуют продуктов реакции. Поскольку I не мешает образованию ES, неконкурентное ингибирование нельзя устранить путем повышения концентрации субстрата.

Начальная скорость реакции равна

График в координатах Лайнуивера—Берка строится по уравнению

Из рис. 4.6, б видно, что зависимость \/v0 от 1[S] выражается прямой линией.

Этот результат подтверждает предположение, что степень неконкурентного ингибирования не зависит от [S] и определяется только [/] и к,

Примерами неконкурентного ингибирования служат обратимые реакции между сульфгидридными группами остатков цистеина с ионами тяжелых металлов:

2— SH + Hg2+ «н. —S—Hg—S— + 2Н+,

—SH + A g+ ~ —S—Ag + Н+.

Модель Мехаэлиса—Ментен неприменима к необратимым реакциям. Ингибитор образует ковалентную связь с ферментом и не может быть удален диализом или другими аналогичными методами. Эффективность необратимого ингибитора не определяется константой равновесия, а зависит от скорости связывания. В качестве необратимых ингибиторов можно назвать йодацетамиды и малеимиды, которые необратимо реагируют с сульфгидрильными группами.

Наряду с ингибиторами существует целый ряд активаторов ферментов. Хорошим примером такого активатора может быть цистеин, который содержит свободную —SH группу.

Особенно важным и повсеместно распространенным в природе активатором многих ферментов, также содержащим свободную сульфгидрильную группу, является восстановленный глютатион. Активирующее действие цистеина и глютатиона заключается в том, что они восстанавливают дисульфидные связи фермента с образованием —SH групп, необходимых для проявления его каталитической активности.

Концентрация фермента в клетке определяется соотношением скоростей его синтеза и распада.

Ферменты, которые всегда присутствуют в клетке в более или менее постоянных количествах, называются конститутивными ферментами. В отличие от них так называемые адаптивные, или индуцибельные ферменты синтезируются только в ответ на появление в среде соответствующего субстрата. Гены, контролирующие синтез адаптивных ферментов, обычно находятся в состоянии репрессии и вводятся в действие, т. е. дерепрессируются, только в ответ на присутствие индуктора. В некоторых случаях может иметь место репрессия или индукция

одновременно целой группы ферментов; это связано с тем, что синтез всей этой группы ферментов закодирован в ДНК набором последовательно расположенных генов, который носит название оперона.

Индукция ферментов приводит к так называемой метаболической толерантности лекарств.

В заключение приведем еще некоторые сведения о природе ферментативной активности, которые будут полезны в наших дальнейших рассуждениях.

Исследования ферментативных реакций свидетельствуют о том, что ферменты представляют собой катализаторы в обычном смысле этого слова, и, следовательно, что увеличение скорости ферментативного процесса связано с понижением энергии активации той реакции, которая вызывает превращение субстрата в конечный продукт. Однако ферменты отличаются от обычных катализаторов необычайно высокой специфичностью и эффективностью своего действия. Хотя некоторые катализаторы, используемые в неорганическом катализе, также обладают достаточно высокой специфичностью, специфичность ферментов настолько превосходит их, что оказывается величиной совсем иного порядка. Это приводит нас к выводу, что ферментные белки являются катализаторами особого типа. Высокая скорость ферментативных реакций и часто наблюдаемые при этих реакциях конформационные изменения молекул фермента также убеждают нас в том, что белковый катализатор в большей степени вовлекается в реакцию, чем это происходит в различных случаях неорганического катализа.

Совершенно очевидно, что в процессе катализа молекула фермента образует комплекс с молекулой субстрата. В настоящее время имеются убедительные доводы в пользу того, что он по своей природе аналогичен комплексу, образующемуся при любой химической реакции, и что в его формировании участвуют ковалентные и водородные связи, а также связи, обусловленные вандерваальсовыми силами между реагирующими молекулами. Специфичность действия фермента определяется

тем, что присоединение молекулы субстрата к ферменту происходит одновременно по многим точкам, что позволяет ему «различать» молекулы своего субстрата среди множества других, случайно сталкивающихся с ним молекул. Наблюдаемый вид каталитической реакции непосредственно зависит от характера связей, образующихся между молекулами фермента и субстрата; иными словами, характер этой реакции связан со «специфичностью» образующегося фермент субстратного комплекса. Например, при действии эстераз, расщепляющих эфирную связь в соединениях типа R—О—Q, место расщепления зависит от того, в отношении какой «стороны» эфира специфичен данный фермент. Если специфичность к радикалу R выше, чем к радикалу Q, то будет расщепляться ближайшая к этому радикалу связь.

Рассматривая в данной главе процессы ферментативного катализа, мы предполагали, что превращение субстрата в конечный продукт обусловлено соответствующим изменением свободной энергии системы. Вместе с тем важно понимать, что фермент, являясь истинным катализатором, увеличивает скорости как прямой, так и обратной реакций, т. е. что эти реакции являются полностью обратимыми. Можно показать при соответствующих концентрациях субстрата (или конечного продукта) и достаточно продолжительном времени наблюдения, что фермент способен катализировать реакцию в обоих направлениях. В связи с этим важно отдавать себе отчет в том, что фермент образует комплекс с конечным продуктом реакции ЕР, который затем распадается на Е + S. В некоторых условиях протекание обратной реакции может изменять кинетику исследуемого ферментативного процесса; только в том случае, когда измеряются начальные скорости реакции, можно игнорировать величину k4 и взаимодействие между молекулами фермента и конечного продукта.

4.3.

<< | >>
Источник: Головенко М. Я.. Фізико-хімічна фармакологія: Монографія. — Одеса: Астропринт,2004. —720 с.. 2004

Еще по теме ИНГИБИРОВАНИЕ, АКТИВАЦИЯ И ИНДУКЦИЯ ФЕРМЕНТОВ:

  1. Образование и ингибирование ИЛ-1(табл. 18 и 19)
  2. МЕХАНИЗМЫ ИНДУКЦИИ CYP450
  3. Молекулярная биология индукции
  4. Индукция синтеза глюкокортикоидами белкового ингибитора фосфолипазы А2
  5. Активация лимфоцитов
  6. Активация протеаз
  7. Фактор активации тромбоцитов
  8. БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ ЛЕКАРСТВ
  9. Фактор активации тромбоцитов
  10. Активация мембранного рецептора
  11. Вторичные передатчики при активации лимфоцитов
  12. B01AD. Ферменти