Курсовая работа на тему «РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ»

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФЕРМЕНТОВ
1.1. Классификация ферментов
1.2. Механизм действия ферментов
ГЛАВА II. АКТИВНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ
ГЛАВА III. РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

 

ВВЕДЕНИЕ

Вещества, изменяющие активность ферментов, называют регуляторами. Они делятся на ингибиторы, снижающие ферментативную активность, и активаторы, повышающие ферментативную активность. Ингибиторы способны взаимодействовать с ферментами с разной степенью прочности. На основании этого различают обратимое и необратимое ингибирование. Обратимые ингибиторы связываются с ферментами слабыми нековалентными связями и при определенных условиях легко отделяются от фермента, действуют кратковременно. Обратимые ингибиторы делятся на конкурентные и неконкурентные.

Конкурентные ингибиторы имеют структурное сходство с субстратом, в результате чего возникает конкуренция молекул субстрата и ингибитора за связывание с активным центром фермента. В этом случае с активным центром взаимодействует либо субстрат, либо ингибитор, образуя комплексы фермент-субстрат (ЕS) или фермент-ингибитор (ЕI). При формировании ЕI комплекса продукт реакции не образуется. Активность фермента может быть восстановлена при повышении концентрации субстрата.

Многие лекарственные препараты действуют как конкурентные ингибиторы. Например, сульфаниламиды, обладающие бактериостатическим действием, являются аналогами пара-аминобензойной кислоты, которую бактерии используют для синтеза фолиевой кислоты (необходимой для синтеза нуклеотидов и деления клеток).

Неконкурентные ингибиторы не похожи на субстрат, поэтому взаимодействуют с ферментом в участке, отличном от активного центра.

Целью данной курсовой работы является изучение регуляции активности ферментов.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:

1) рассмотреть общую характеристику ферментов;

2) выявить факторы, которые влияют на активность ферментов;

3) изучить различные виды регуляции ферментов.

 

ГЛАВА I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФЕРМЕНТОВ

Ферменты (энзимы) – это биологические катализаторы белковой природы, обладающие способностью активизировать различные химические реакции, происходящие в живом организме.

Образуются ферменты в любой живой клетке и могут проявлять активность вне ее. Действие ферментов строго специфично, т. е. каждый фермент катализирует только одну или несколько близких химических реакций. Поэтому название их складывается из названия вещества, на которое они действуют, и окончания «аза». Например, фермент, расщепляющий сахарозу, называют сахаразой. Ферменты обладают очень большой активностью. Они чувствительны к изменению температуры. Наивысшую активность ферменты проявляют при температуре 40—50 °С. Поэтому для предупреждения порчи продукты хранят на холоде или подвергают тепловой обработке.

Свойства:

1.Активность ферментов во много раз превышает активность неорганических катализаторов, причем ферментативные реакции протекают с минимальной затратой энергии.

2.Специфичность действия — каждый фермент катализирует только определенные превращения веществ определенного строения. Например, сахароза инициирует гидролиз сахарозы, но не действует на мальтозу, хотя это тоже дисахарид.

Зависимость активности от внешних условий, температуры, влажности, концентрации водородных ионов, приветствия ингибиторов и активаторов [4].

 

1.1. Классификация ферментов

По химической природе ферменты делятся на две группы:

Однокомпонентные: состоят только из белка (уреаза, амилаза, пепсин).

2.Двухкомпонентные: состоят из белка и небелковой частицы – кофермента.

По характеру действия различают 6 классов;

2. Оксидоредуктазы способствуют осуществлению окислительно-восстановительных реакций. Делятся на четыре группы: 1 — Дегидрогеназы (аэробные и анаэробные (участвуют в процессах дыхания, брожения)). 2. Оксигеназы: Расщепляют катехины чая до меланинов. 3. Пероксигеназы: окисляют с помощью перекисей, агон содержит железо (III). 4. Липоксигеназы окисляют ПНЖК, каротин, витамин А, липоиды.
3. Трансферазы катализируют перенос атомов от одного вещества к другому. Делятся на: 1. Гексокиназы — осуществляют перенос из АТФ остатков фосфорной кислоты на другое вещество. 2. Фосфоферразы — несут фосфор. 3.Аминоферразы — перенос аминогрупп.

III. Гидролазы. Делятся на 9 подклассов:1.Эстеразы, имеющие в своем составе ряд групп: липазы — расщепляют жиры на глицерин и жирные кислоты. 2.Карбогидразы осуществляют расщепление углеводов. 3.Амидазы — расщепляют амидную (пептидную) связь (-СО-NH-). 4.Протеазы — расщепляют белки, причем по механизму расщепления делятся на: пептидазы и протеиназы.

1. Лиазы (ферменты отщепления)
2. Изомеразы способствуют реакции изомеризации.
3. Лигазы (синтетазы). Например, ацетилкоасинтетаза [11].

 

1.2. Механизм действия ферментов

При взаимодействии фермента с субстратом образуется короткоживущий фермент-субстратный комплекс. После завершения реакции, фермент-субстратный комплекс распадается на продукты и фермент. В итоге фермент остается неизменным: по окончании реакции он остается таким же, каким был до неё, и теперь уже может взаимодействовать с новой молекулой субстрата (рис. 1).

Рис. 1. Механизм взаимодействия фермента и субстрата

На рисунке 1 представлен механизм работы фермента, в частности, образования пептидной связи между молекулами аминокислот. Две аминокислоты взаимодействуют между собой в активном центре фермента, между ними образуется пептидная связь. Новое вещество (дипептид) покидает активный центр фермента, поскольку оно по своей структуре не соответствует этому центру.

Особенностью ферментов является то, что они обладают высокой специфичностью, т. е. могут ускорять только одну реакцию или реакции одного типа.

В 1890 году Э. Г. Фишер предположил, что эта специфичность обусловлена особой формой молекулы фермента, которая точно соответствует форме молекулы субстрата. Эта гипотеза получила название «ключа и замка», где ключ сравнивается с субстратом, а замок – с ферментом. Гипотеза гласит: субстрат подходит к ферменту, как ключ подходит к замку. Избирательность действия фермента связана со строением его активного центра (рис. 2) [6].

Рис. 2. Гипотеза взаимодействия фермента и субстрата по принципу ключ-замок Э. Г. Фишера

 

ГЛАВА II. АКТИВНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ

Все ферментативные реакции имеют 4 особенности

• Высокая активность ферментов;
• Обратимость действия ферментов;
• Специфичность действия ферментов;
• Лабильность (чувствительность).

Высокая активность ферментов. Ферменты обуславливают высокую скорость ферментативной реакции, которая характеризуется числом оборотов ферментов – это количество молекул субстрата, которое превращается в продукты реакции при действии одной молекулы фермента в единицу времени. Например, алкогольдегидрогеназа имеет активность 4700 ед., фосфорилаза – 50000 ед., a-амилаза – 16000 ед.

Обратимость действия ферментов установил Данилевский. Под обратимостью действия ферментов понимают образование комплекса ES и его распад, т.е. реакции с участием фермента могут идти как в одну сторону (биосинтез), так и в обратную (распад).

Специфичность действия ферментов – каждый фермент действует только на свой определенный субстрат или группу родственных субстратов. Например, инвертаза действует на сахарозу; a-амилаза – только на крахмал и декстрины; протеазы – на белки [1].

Существует две точки зрения, объясняющие специфичность действия ферментов. По образному представлению Э. Фишера “фермент подходит к субстрату как ключ к замку”, т.е. топография активного центра фермента не только высокоупорядочена, но и жестко закреплена. Активной центр фермента соответствует топографии только одного единственного субстрата. Вторая точка зрения, предложена Д. Кошландом — теория индуцированного соответствия фермента и субстрата: конформация фермента, в особенности его активного центра, способна к определенным модификациям. В зависимости от конформационной подвижности активного центра фермент способен взаимодействовать либо с немногими, либо с самыми разными субстратами. Иными словами, в момент образования комплекса ЕS, происходят изменения в структуре как фермента, так и субстрата. В результате чего они адаптируются друг к другу.

Специфичность ферментов играет важную роль в процессе обмена веществ в живом организме. (Если бы фермент не имел уникальных свойств, то в живом организме не было бы обмена веществ)

По признаку специфичности ферменты делятся на 2 группы:

• Абсолютная специфичность – фермент действует только на одно-единственное вещество или катализирует только определенное превращение этого вещества;
• Относительная или групповая специфичность – ферменты действуют сразу на многие субстраты, обладающих рядом общих структурных свойств.

Лабильность (чувствительность) – все ферменты чувствительны к повышению температуры и низким значениям рН, при которых происходит потеря активности ферментов [1].

Важнейшим фактором, от которого зависит активность ферментов, является температура.

Графически зависимость скорости ферментативной реакции от температуры выглядит следующим образом:

При 0°С, а тем более при температурах ниже 0°С действие большинства ферментов прекращается. Повышение температуры (кривая 1) выше 0°С способствует увеличению активности ферментов (увеличивается число столкновений реагирующих веществ). При определенной температуре фермент проявляет максимальную активность. Для большинства ферментов оптимальной температурой действия является 40-50°С. Дальнейшее увеличение температуры приводит к инактивации ферментов (уменьшения активности) вследствие термической денатурации белковой молекулы (кривая 2).

Каждый фермент проявляет своё действие в пределах довольно узкой зоны рН. Графическая зависимость активности фермента от рН имеет вид:

В кислой среде, при низких значениях рН, имеет форму ЕН₂⁺, в такой форме он малоактивен. При оптимуме рН фермент обладает максимальной активностью и находится в форме ЕН; при подщелачивании среды, фермент приобретает форму Е^—_.

Оптимальной активности соответствует определенная область рН, причем каждый фермент имеет свое оптимальное значение рН действия (например, бактериальная a-амилаза имеет рН оптимум при 6, а a-амилаза микроскопических грибов – 4,7). Оптимальное значение рН связано с аминокислотным составом ферментов.

Колоколообразная форма кривой объяснится с амфотерной природой ферментов; восходящая и нисходящая ветви этой кривой являются типичными кривыми титрования и определяется значениями рК ионных групп, которые находятся в активном центре ферментов [5].

Для определения функциональных групп, входящих в активный центр фермента, необходимо определить зависимости активности этого фермента от рН при разных температурах и определить значение рК. Зная значения ΔрК для кислой и щелочной ветви зависимости v = f(pH) находят функциональные группы, которые соответствуют этому значению.

Все вещества, сопровождающие фермент в процессе реакции можно подразделит на активаторы, ингибиторы и нейтральные соединения.

Активаторы – химические соединения, повышающие действие ферментов (например, глютатион активизирует действие протеаз, NaCl увеличивает активность амилаз); ингибиторы – соединения, подавляющие их активность (например, группа –CN подавляет активность дыхательных ферментов, находящихся в цитохромной системе) и нейтральные соединения не оказывают никакого влияния на ферменты [11].

Процесс ингибирования может быть обратимым и необратимым.

Обратимые ингибиторы бывают:

• Конкурентного действия – ингибитор взаимодействует с функциональными группами активного центра ферментов. Ингибирование в данном случае зависит от концентрации субстрата: если [S] велика, то влияние ингибитора [I] может не проявляться; если же [S] мала, то ингибитор может вытеснить субстрат из соединения с ферментом, действие которого при этом затормаживается. Тройной комплекс ЕSI при конкурентном ингибировании никогда не образуется.
• Бесконкурентное ингибирование наблюдается в том случае, когда ингибитор не способен присоединяться к ферменту, не он может связываться с фермент-субстратным комплексом, переводя его в неактивную форму.
• При смешанном ингибировании ингибитор действует как на участок связывания ES, так и на каталитический центр фермента.

 

 

ГЛАВА III. РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ

Активность ферментов в клетке непостоянна во времени. Ферменты чутко реагируют на ситуацию, в которой оказывается клетка, на факторы, воздействующие на нее как снаружи, так и изнутри. Главная цель такой чувствительности ферментов – отреагировать на изменение окружающей среды, приспособить клетку к новым условиям, дать должный ответ на гормональные и иные стимулы, а в некоторых ситуациях – предоставить клетке шанс выжить [2].

Способы регуляции активности ферментов

В клетке имеется несколько способов регуляции активности ферментов – одни способы подходят для любых ферментов, другие более специфичны.

 

Доступность субстрата или кофермента

Здесь работает закон действия масс – фундаментальный закон химической кинетики: при постоянной температуре скорость химической реакции пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ. Или упрощенно – скорость, с которой вещества реагируют друг с другом, зависит от их концентрации. Таким образом, изменение количества хотя бы одного из субстратов прекращает или начинает реакцию [6].

Например, для цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) таким субстратом является оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота). Наличие оксалоацетата «подталкивает» реакции цикла, что позволяет вовлекать в окисление молекулы ацетил-SКоА (рис. 3).

Рис. 3. Роль оксалоацетата для работы ЦТК

Именно из-за недостатка оксалоацетата (относительного или абсолютного) при голодании и инсулинзависимом сахарном диабете развивается состояние под названием кетоацидоз.

2. Компартментализация

Компартментализация – это сосредоточение ферментов и их субстратов в одном компартменте (одной органелле) – в эндоплазматическом ретикулуме, митохондриях, лизосомах, ядре, плазматической мембране и т.п.

Например, ферменты цикла трикарбоновых кислот и β-окисления жирных кислот расположены в митохондриях, ферменты синтеза белка – в рибосомах [12].

Генетическая регуляция

Генетическая регуляция (изменение количества фермента) может происходить в результате увеличения или снижения его синтеза. С этой точки зрения ферменты можно подразделить на три группы:

1. Конституитивные – такие ферменты, которые образуются в клетке постоянно, независимо от наличия субстрата (NO-синтаза, ферменты гликолиза, β-окисления жирных кислот, репарации ДНК).
2. Индуцируемые – синтез этих ферментов возрастает при наличии соответствующих стимулов (индукторов).
3. Репрессируемые – образование таких ферментов в клетке при необходимости подавляется.

Изменение скорости синтеза фермента (индукция или репрессия) обычно зависит от количества определенных гормонов или метаболитов процесса [7].

Примеры индуцируемых ферментов:

• гормоны глюкокортикоиды стимулируют синтез ферментов глюконеогенеза, что обеспечивает стабильность концентрации глюкозы в крови при длительном голодании и устойчивость ЦНС к стрессу,
• исчезновение пищеварительных ферментов при длительном голодании и индукция их синтеза в восстановительный период в результате возобновления секреции гормонов ЖКТ,
• при беременности и после родов в молочной железе индуцируется синтез фермента лактозосинтазы под воздействием лактотропного гормона,
• токсические субстраты (например, этанол и барбитураты) стимулируют в печени синтез «своего» изофермента цитохрома Р₄₅₀, который окисляет и обезвреживает эти вещества.

Примеры репрессируемых ферментов:

• в печени репрессия фермента синтеза холестерола ГМГ-SKoA-редуктазы под влиянием холестерина и желчных кислот,
• в печени репрессия синтеза ферментов глюконеогенеза под действием инсулина,
• подавление синтеза триптофана бактериями при деятельности триптофанового оперона [13].

Ограниченный (частичный) протеолиз проферментов

Ограниченный (частичный) протеолиз проферментов подразумевает, что синтез некоторых ферментов осуществляется в виде более крупного предшественника и при поступлении в нужное место этот фермент активируется через отщепление от него одного или нескольких пептидных фрагментов. Подобный механизм защищает внутриклеточные структуры от повреждений.

Рис. 4. Схема активации фермента способом «ограниченного протеолиза»

Примером служит активация протеолитических ферментов желудочно-кишечного тракта (трипсиноген, пепсиноген, прокарбоксипептидазы), факторов свертывающей системы крови, лизосомальных ферментов (катепсины).

Секреция ряда ферментов за пределы клетки в неактивном состоянии позволяет предохранить клетки от повреждения (пищеварительные ферменты) или сохранить белок в плазме крови до наступления определенного момента (факторы свертывания крови, белки системы комплемента, калликреин-кининовой и ренин-ангиотензиновой систем) [8].

Аллостерическая регуляция

Аллостерические ферменты построены из двух и более субъединиц: одни субъединицы содержат каталитический центр, другие имеют аллостерический центр и являются регуляторными. Присоединение эффектора к аллостерической (регуляторной) субъединице изменяет конформацию белка и, соответственно, активность каталитической субъединицы[4].

Аллостерические ферменты обычно стоят в начале метаболических путей, и от их активности зависит течение многих последующих реакций. Поэтому они часто называются ключевыми ферментами.

Рис. 5. Общий принцип аллостерической регуляции

В качестве отрицательного регулятора может выступать конечный или промежуточный метаболит биохимического процесса или продукт данной реакции, т.е. включается механизм обратной отрицательной связи. Если регуляторами являются начальный метаболит или субстрат реакции, то говорят о прямой регуляции, она может быть как положительной, так и отрицательной. Также регулятором могут быть метаболиты биохимических путей, каким то образом связанных с данной реакцией.

Рис. 6. Регуляция фосфофруктокиназы конечным продуктом

Например, фермент энергетического окисления глюкозы, фосфофруктокиназа, регулируется промежуточными и конечными продуктами этого распада. При этом АТФ, лимонная кислота, фруктозо-1,6-дифосфат являются ингибиторами, а фруктозо-6-фосфат и АМФ – активаторами фермента.

Еще один пример: в большинстве клеток организма (кроме печени) при регуляции синтеза холестерола аллостерическим ингибитором ключевого фермента этого процесса ГМГ-КоА-редуктазы выступает сам холестерол, что быстро и точно регулирует его количество [10].

В то же время в адипоцитах синтез нейтрального жира (триацилглицеролов) никак не ограничивается количеством конечного продукта, что позволяет клетке накапливать жир в гигантском количестве.

Белок-белковое взаимодействие

Термин белок-белковое взаимодействие обозначает ситуацию, когда в качестве регулятора выступают не метаболиты биохимических процессов, а специфичные белки. В целом ситуация схожа с аллостерическим механизмом: после влияния каких-либо факторов на специфичные белки изменяется активность этих белков, и они, в свою очередь, воздействуют на нужный фермент [3].

К примеру, мембранный фермент аденилатциклаза является чувствительным к воздействию мембранного G-белка, который сам активируется при действии на клетку некоторых гормонов (например, адреналина и глюкагона).

Рис. 7. Упрощенная схема активации аденилатциклазы

Еще примером белок-белкового взаимодействия может быть регуляция активности протеинкиназы А через механизм ассоциации-диссоциации.

Протеинкиназа А является тетрамерным ферментом, состоящим из 2 каталитических (С) и 2 регуляторных (R) субъединиц. Активатором для протеинкиназы А является цАМФ. Присоединение цАМФ к регуляторным субъединицам фермента вызывает их отхождение от каталитических субъединиц. Каталитические субъединицы при этом активируются [14].

Рис. 8. Активация протеинкиназы А при помощи цАМФ

Ковалентная (химическая) модификация

Ковалентная модификация заключается в обратимом присоединении или отщеплении определенной группы, благодаря чему изменяется активность фермента. Чаще всего такой группой является фосфорная кислота, реже метильные и ацетильные группы. Фосфорилирование фермента происходит по остаткам серина и тирозина. Присоединение фосфорной кислоты к белку осуществляют ферменты протеинкиназы, отщепление – протеинфосфатазы.

Рис. 9. Изменение активности фермента при фосфорилировании-дефосфорилировании

Ферменты могут быть активны как в фосфорилированном, так и в дефосфорилированном состоянии.

Например, в мышцах ферменты гликогенфосфорилаза и гликогенсинтаза при нагрузке фосфорилируются, при этом фосфорилаза гликогена становится активной и начинает расщепление гликогена и сжигание глюкозы, а гликогенсинтаза при этом неактивна. Во время отдыха при синтезе гликогена оба фермента дефосфорилируются, синтаза при этом становится активной, фосфорилаза – неактивной [9].

Рис. 10. Зависимость активности ферментов обмена гликогена от наличия в структуре фосфорной кислоты

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Все химические реакции в клетке протекают при участии ферментов. Поэтому, чтобы воздействовать на скорость протекания метаболического пути (последовательного превращения одних веществ в другие), достаточно регулировать количество молекул фермента или их активность. Обычно в метаболических путях имеются ключевые ферменты, за счет которых происходит регуляция скорости всего пути. Эти ферменты (один или несколько в метаболическом пути) называются регуляторными ферментами. Регуляция скорости ферментативных реакций осуществляется на трех независимых уровнях: изменением количества молекул фермента, доступностью молекул субстрата и кофермента, изменением каталитической активности молекулы фермента

Активность ферментов в реакции определяется также присутствием в среде активаторов и ингибиторов, которые соответственно повышают или тормозят реакцию.

Многие ферменты синтезируются в организме в неактивном состоянии. В частности, это относится к протеолитическим ферментам, синтез которых непосредственно в активном состоянии вызывал бы расщепление белков синтезирующего эти ферменты органа.

Активаторы увеличивают скорость ферментативной реакции, способствуя образованию активного центра, и наиболее часто эту роль выполняют металлы, такие, как Mn2+, Mg2+,Zn2+, Co2+.

Активация аллостерических ферментов, которые состоят из субъединиц, является важнейшим процессом контроля полиферментных систем. Обычно она достигается за счет их взаимодействия с различными органическими соединениями.

В ходе данной курсовой работы были выполнены следующие задачи:

1) рассмотрена общая характеристика ферментов;

2) выявлены факторы, которые влияют на активность ферментов;

3) изучены различные виды регуляции ферментов.

Таким образом, была достигнута цель курсовой работы: изучить регуляцию активности ферментов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Авдеева, Л.В. Биохимия: Учебник / Л.В. Авдеева, Т.Л. Алейникова, Л.Е. Андрианова . — М.: ГЭОТАР-МЕД, 2013. — 768 c.
2. Диксон, М. Ферменты / М. Диксон. — М.: Книга по Требованию, 2012. — 209 c.
3. Добрынина, В. И. Биологическая химия / В.И. Добрынина. — М.: Медицина, 2017. — 504 c.
4. Ермолаев, М. В. Биологическая химия / М.В. Ермолаев. — М.: Медицина, 2017. — 320 c.
5. Збарский, Б. И. Биологическая химия / Б.И. Збарский, И.И. Иванов, С.Р. Мардашев. — М.: Государственное издательство медицинской литературы, 2019. — 612 c.
6. Кнорре, Д. Г. Биологическая химия / Д.Г. Кнорре, С.Д. Мызина. — М.: Высшая школа, 2016. — 480 c.
7. Коровкин, Б. Ф. Ферменты в жизни человека / Б.Ф. Коровкин. — М.: Медицина, 2016. — 770 c.
8. Макаров Биохимические Процессы. Белки, Ферменты: моногр. / Макаров. — Москва: ИЛ, 2009. — 621 c.
9. Николаев, А. Я. Биологическая химия / А.Я. Николаев. — М.: Высшая школа, 2019. — 496 c.
10. Опарин, А.И. Ферменты, их роль и значение в жизни организмов / А.И. Опарин. — М.: ЁЁ Медиа, 2017. — 666 c.
11. Таганович, А. Д. Биологическая химия / А.Д. Таганович. — М.: Вышэйшая школа, 2016. — 598 c.
12. Фершт, Э. Структура и механизм действия ферментов / Э. Фершт. — Москва: СПб. [и др.] : Питер, 2014. — 432 c.
13. Цыперович, А. С. Ферменты / А.С. Цыперович. — М.: Техника, 2016. — 360 c.
14. Шапиро, Я. С. Биологическая химия. 10-11 классы / Я.С. Шапиро. — М.: Вентана-Граф, 2018. — 272 c.