Ингибиторы ферментов: обратимые и необратимые; конкурентные. Лекарственные, препараты как ингибиторы ферментов

Ингибиторами ферментов, снижающими их каталитическую активность, яв­ляются ионы или небольшие молекулы, составляющие часть ферментативной регуляторной системы, а также фармакологические препараты.

1. Необратимое ингибирование - стойкое ингибирование фермента, воз­никающее в результате ковалентного связывания молекулы ингибитора с ак­тивным центром фермента либо с особым центром, который изменяет конфор-мацию фермента. Сопровождается разрушением или модификацией одной или нескольких функциональных групп фермента. Преодолеть последствия ингибирования такого типа организм может, только синтезировав новые молекулы фермента. Пример необратимого ингибирования - действие ионов тяжелых ме­таллов (Hg ²⁺), мышьяка (As ³⁺). Нервно-паралитические газы (диизопропилфторфосфат) необратимо связываются с определенным остатком серина в активном центре гидролаз, в частности, ацетилхолинэстеразы, участвующей в передаче нервного импульса - такого рода необратимое ингибирование называется спе­цифическим. Неспецифическое необратимое ингибирование - действие алкилирующих агентов (например, иодацетамида), необратимо реагирующих с ак­тивными - SH - группами остатков цистеина белков, в том числе и ферментов.

2. Обратимое ингибирование. Большинство ингибиторов действуют обра­тимо, образуя нековалентные связи с ферментом, и при определенных условиях диссоциируют с восстановлением его активности.

Существует два вида обратимого ингибирования: конкурентное мигриро­вание и неконкурентное (или бесконкурентное).

Конкурентное ингибирование - процесс торможения ферментативной актив­ности, вызванный присутствием ингибитора, структурно схожего с субстратом.

При конкурентном ингибировании происходит уменьшение скорости реакции, поскольку часть молекул фермента образует неактивный комплекс с ингибито­ром. Однако, в области высоких концентраций субстрата происходит вытесне­ние молекул ингибитора субстратом из активного центра фермента. Количество E-S комплексов увеличивается, что повышает скорость реакции. В области очень высоких концентраций субстрата скорости ферментативной реакции без ингибитора и в его присутствии практически совпадают.

Особенность конкурентного ингибирования состоит в уменьшении константы Михаэлиса (Кm) при неизменной максимальной скорости реакции (Vmax).

Конкурентное ингибирование в организме встречается редко. Одним из приме­ров его является ингибирование сукцинатдегидрогеназы малонатом и другими дикарбоновыми кислотами. Этот фермент катализирует в цикле трикарбоновых кислот отщепление двух атомов водорода от двух метиленовых углеродов сукцината.

Каталитический центр сукцинатдегидрогеназы содержит две, определенным об­разом расположенные, положительно заряженные группы, способные притяги­вать две отрицательно заряженные карбоксильные группы субстрата. Помимо малоната конкурентными ингибиторами фермента могут служить и другие дикарбоновые кислоты, характеризующиеся таким же расстоянием между двумя карбоксильными группами, как и сукцинат.

Бесконкурентное ингибирование - процесс торможения ферментативной ак­тивности, вызванный присутствием ингибитора, структурно не сходного с суб­стратом и не способного взаимодействовать с активным центром фермента, но взаимодействующего с функциональными группами поверхности фермента. Взаимодействие бесконкурентного ингибитора с поверхностными группами фермента вызывает нарушение третичной структуры белка и изменяет структуру активного центра. Измененный активный центр не способен к взаимодейст­вию с субстратом и в дальнейшем не участвует в ферментативной реакции.

Бесконкурентное ингибирование отличается от конкурентного тем, что оно не может быть ослаблено или устранено увеличением концентрации субстрата.

Особенность бесконкурентного ингибирования состоит в снижении максималь­ной скорости реакции (Vmax) при неизменной константе Михаэлиса (Кm).

Бесконкурентное ингибирование обнаружено при действии реагентов, об­ратимо связывающихся с поверхностными -SH группами остатков цистеина на поверхности некоторых ферментов. Эти остатки цистеина необходимы для под­держания нативной конформации фермента и структуры его каталитического центра. Ионы тяжелых металлов (Cu²⁺, Hg²⁺, Ag⁺) или их производные, в неко­торых случаях, обратимо ингибируют такие ферменты, реагируя с -SH группа­ми. Количество фермента, переходящего в инактивированное состояние опреде­ляется равновесием с ионами свободного металла.

E-SH + Ag⁺ ó E-S-Ag + Н⁺

Ферменты, для активности которых необходимы ионы металлов, неконку­рентно ингибируются агентами, связывающими эти ионы. Например, некоторые ферменты, активны лишь в присутствии Fe²⁺ или Fe³⁺, ингибируются цианидом вследствие образования комплексов типа ферро- или феррицианида.

Описанные выше виды ингибирования не являются основными в процессах ре­гуляции ферментативной активности в организме. Главные способы регуляции активности ферментов в клетках: -аллостерическая регуляция,

- регуляция с помощью белок-белковых взаимодействий,

- регуляция путем фосфорилирования/дефосфорилирования молекул фермента,

- регуляция частичным протеолизом.

Регуляция действия ферментов: аллостерические ингибиторы и активаторы; каталитический и регуляторный центры, четвертичная структура аллостерических ферментов и кооперативные изменения конформации протомеров фермента.

Регуляция действия ферментов: аллостерические ингибиторы и активато­ры. Каталитический и регуляторный центры. Аллостерическая (алло означа­ет другой) регуляция ферментов участвует в управлении метаболизмом. Как правило, аллостерические ферменты - олигомерные белки, у них кроме участка связывания субстрата есть еще участок связывания другого соединения, назы­ваемый аллостерическим (регуляторным) центром. Таких аллостерических регуляторных центров может быть несколько. Каждый из них предназначен для взаимодействия с определенными молекулами (лигандами). Связывающиеся с аллостерическими центрами лиганды называются аллостерическими модуля­торами. Они не являются структурными аналогами субстрата. Регулятор назы­вается аллостерическим активатором, если при связывании с ферментом уве­личивает его активность, и аллостерическим ингибитором, если уменьшает активность фермента. Аллостерические ингибиторы:

1) снижают скорость ферментативной реакции, уменьшая Vmax, или, что чаще,

2) уменьшают сродство фермента к субстрату (что понижает активность фер­мента).

Аллостерические активаторы увеличивают сродство фермента к субстрату, что ведет к увеличению Vmax.

Особенность ферментативного катализа аллостерических ферментов заключает­ся в неподчинении кинетики аллостерических реакции классическому уравне­нию Михаэлиса-Ментен. Графическое проявление этого свойства - S-образный характер зависимости V=V([S]), а не гиперболический, как для классических ферментов.

Наиболее важным в аллостерической регуляции является то, что аллостериче-ский модулятор по своему строению может не иметь ничего общего ни с суб­стратом данного фермента, ни с любым другим веществом, образующимся в процессе метаболических превращений. Это означает, что любой метаболиче­ский путь может быть регуляторно связан с другим метаболическим путем. Ме­таболиты одного из каскадов биохимических превращений могут быть регуля­торами другого. Более того, фермент управляется не одним, а несколькими ре­гуляторами, каждому из которых отведен специфический участок связывания. Аллостерический фермент получает регуляторные сигналы от собственного и других метаболических путей, что увеличивает гибкость регуляции.

Четвертичная структура аллостерических ферментов и кооперативные из­менения конформации протомеров фермента.

Особенностью строения ферментов с аллостерическим характером регуляции является обязательное наличие в структуре нескольких субъединиц, из которых может быть одна каталитическая, а другие регуляторные. Каталитическая субъ­единица взаимодействует только с субстратом, а каждая из регуляторных со специфическим модулятором (активатором или ингибитором). Обязательным условием существования аллостерических ферментов является наличие четвер­тичной структуры белка.

В некоторых случаях аллостерический фермент состоит из нескольких субъеди­ниц, каждая из которых имеет и каталитический и регуляторный центры. В та­ком случае в строении субъединицы четко проявляется доменный принцип ор­ганизации.

Аллостерические ферменты обладают свойством кооперативности. Взаимодей­ствие аллостерического модулятора с аллостерическим центром (за счет слабых взаимодействий) вызывает последовательное кооперативное изменение кон­формации всех субъединиц (протомеров), приводящее к изменению конформа­ции активного центра и изменению сродства фермента к субстрату, что снижает или увеличивает ферментативную активность.

Регуляция аллостерических ферментов обратима. Отделение модулятора от регуляторной субъединицы восстанавливает исходную каталитическую актив­ность фермента.

Аллостерические ферменты всегда катализируют ключевые реакции данного метаболического пути.

Более редкий случай аллостерической регуляции, когда сам субстрат выступает в роли активатора. Такой вид регуляции называется гомотропной (активатор и субстрат - одно и то же вещество). Эти ферменты имеют несколько центров связывания для субстрата, локализованные на отдельных субъединицах, кото­рые выполняют двойную функцию: каталитическую и регуляторную. Гомотропная регуляция ферментативной активности позволяет быстро преобразовать избыток субстрата в продукт реакции. Гомотропная регуляция также характерна и для гемоглобина, имеющего тетрамерное строение.

Ретроингибирование или регуляция по принципу отрицательной обратной связи, когда конечный продукт некоторого метаболического пути ингибирует началь­ные реакции этого же пути, является примером аллостерической регуляции.