Cheat sheet hormonski enzimi. Osnove Leningerove biohemije Metode za regulaciju metaboličke aktivnosti u ćeliji

DINAMIČKA BIOHEMIJA

PoglavljeIV.8.

Metabolizam i energija

Metabolizam ili metabolizam – skup hemijskih reakcija u telu koje mu daju supstance i energiju neophodne za život. U metabolizmu se mogu razlikovati dvije glavne faze: pripremni - kada supstanca primljena putem hrane prolazi kroz kemijske transformacije, uslijed kojih može ući u krv i potom prodrijeti u stanice, i sam metabolizam, tj. hemijske transformacije jedinjenja koja su prodrla u ćelije.

Metabolički put - ovo je priroda i redoslijed kemijskih transformacija određene tvari u tijelu. Intermedijarni proizvodi koji nastaju tokom metaboličkog procesa nazivaju se metaboliti, a posljednji spoj metaboličkog puta je konačni proizvod.

Proces razlaganja složenih supstanci na jednostavnije naziva se katabolizam. Tako se proteini, masti i ugljikohidrati u hrani razgrađuju na jednostavnije komponente (aminokiseline, masne kiseline i monosaharidi) pod djelovanjem enzima u probavnom traktu. Ovo oslobađa energiju. Obrnuti proces, odnosno sinteza složenih jedinjenja iz jednostavnijih naziva se anabolizam . To dolazi sa utroškom energije. Od aminokiselina, masnih kiselina i monosaharida nastalih kao rezultat probave, u stanicama se sintetiziraju novi ćelijski proteini, membranski fosfolipidi i polisaharidi.

Postoji koncept amfibolizam kada se jedno jedinjenje uništi, ali se sintetiše drugo.

Metabolički ciklus je metabolički put u kojem je jedan od krajnjih proizvoda identičan jednom od spojeva uključenih u ovaj proces.

Određeni metabolički put je skup transformacija jednog specifičnog spoja (ugljikohidrata ili proteina). Opći metabolički put je kada su uključene dvije ili više vrsta spojeva (ugljikohidrati, lipidi i djelimično proteini uključeni u energetski metabolizam).

Metabolički supstrati - jedinjenja koja se isporučuju sa hranom. Među njima su glavni nutrijenti (proteini, ugljikohidrati, lipidi) i manji, koji dolaze u malim količinama (vitamini, minerali).

Intenzitet metabolizma je određen potrebama ćelije za određenim supstancama ili energijom; regulacija se provodi na četiri načina:

1) Ukupna brzina reakcije određenog metaboličkog puta određena je koncentracijom svakog od enzima u ovom putu, pH vrijednosti okoline, unutarćelijskom koncentracijom svakog od međuproizvoda i koncentracijom kofaktora i koenzima.

2) Aktivnost regulatornih (alosteričnih) enzima, koji obično kataliziraju početne faze metaboličkih puteva. Većina njih je inhibirana krajnjim proizvodom ovog puta i ova vrsta inhibicije se naziva "povratna informacija".

3) Genetska kontrola koja određuje brzinu sinteze određenog enzima. Upečatljiv primjer je pojava inducibilnih enzima u ćeliji kao odgovor na nabavku odgovarajućeg supstrata.

4) Hormonska regulacija. Brojni hormoni mogu aktivirati ili inhibirati mnoge enzime u metaboličkim putevima.

Živi organizmi su termodinamički nestabilni sistemi. Za njihovo formiranje i funkcioniranje potrebna je kontinuirana opskrba energijom u obliku pogodnom za višestruku upotrebu. Da bi dobili energiju, skoro sva živa bića na planeti su se prilagodila da hidroliziraju jednu od pirofosfatnih veza ATP-a. S tim u vezi, jedan od glavnih zadataka bioenergetike živih organizama je nadoknada iskorištenog ATP-a iz ADP-a i AMP-a.

Glavni izvor energije u ćeliji je oksidacija supstrata atmosferskim kisikom. Ovaj proces se odvija na tri načina: dodavanje kisika atomu ugljika, apstrakcija vodika ili gubitak elektrona. U ćelijama se oksidacija događa u obliku sekvencijalnog prijenosa vodika i elektrona sa supstrata na kisik. U ovom slučaju kisik igra ulogu redukcijskog spoja (oksidacijskog sredstva). Oksidativne reakcije nastaju oslobađanjem energije.Biološke reakcije karakteriziraju relativno male promjene energije. Ovo se postiže cijepanjem procesa oksidacije u niz međufaza, što omogućava skladištenje u malim porcijama u obliku visokoenergetskih spojeva (ATP). Redukcija atoma kisika pri interakciji s parom protona i elektrona dovodi do stvaranja molekule vode.

Tkivno disanje

To je proces potrošnje kisika stanicama tjelesnih tkiva, koji je uključen u biološku oksidaciju. Ova vrsta oksidacije se naziva aerobna oksidacija . Ako konačni akceptor u lancu prijenosa vodika nije kisik, već druge tvari (na primjer, pirogrožđana kiselina), tada se ova vrsta oksidacije naziva anaerobni.

To. biološka oksidacija je dehidrogenacija supstrata uz pomoć srednjih nosača vodika i njegovog konačnog akceptora.

Respiratorni lanac (enzimi tkivnog disanja) su prenosioci protona i elektrona iz oksidiranog supstrata u kisik. Oksidacijsko sredstvo je spoj koji može prihvatiti elektrone. Ova sposobnost je kvantitativno okarakterisana redoks potencijal u odnosu na standardnu ​​vodoničnu elektrodu čiji je pH 7,0. Što je manji potencijal jedinjenja, to su njegova redukciona svojstva snažnija i obrnuto.

To. bilo koje jedinjenje može samo donirati elektrone spoju s većim redoks potencijalom. U respiratornom lancu svaka sljedeća karika ima veći potencijal od prethodne.

Lanac disanja se sastoji od:

1. NAD-ovisna dehidrogenaza;

2. FAD-ovisna dehidrogenaza;

3. Ubikinon (Ko Q);

4. Citokrom b, c, a + a 3.

NAD zavisne dehidrogenaze . Sadrži kao koenzim IZNAD I NADP. Piridinski prsten nikotinamida je sposoban da prihvati elektrone i protone vodonika.

FAD i FMN zavisne dehidrogenaze sadrže fosforni estar vitamina B 2 kao koenzim ( FAD).

Ubikinon (Ko Q ) oduzima vodonik iz flavoproteina i pretvara se u hidrokinon.

Citohromi - hromoproteinski proteini sposobni da prihvate elektrone zbog prisustva željeznih porfirina kao prostetičkih grupa u njihovom sastavu. Oni prihvataju elektron iz supstance koja je nešto jači redukcioni agens i prenose ga na jače oksidaciono sredstvo. Atom željeza je vezan za atom dušika imidazolnog prstena histidinske aminokiseline s jedne strane ravnine porfirinskog prstena, a s druge strane za atom sumpora metionina. Stoga je potencijalna sposobnost atoma gvožđa u citohromima da veže kiseonik je potisnuta.

IN citokrom c porfirinska ravan je kovalentno povezana sa proteinom preko dva cisteinska ostatka, a u cytochromexb I , nije kovalentno vezan sa proteinima.

IN citokrom a+a 3 (citokrom oksidaza) umjesto protoporfirina sadrži porfirin A, koji se razlikuje po nizu strukturnih karakteristika. Petu koordinacionu poziciju gvožđa zauzima amino grupa koja pripada ostatku amino šećera koji je deo samog proteina.

Za razliku od hema, hemolgobina, atom željeza u citohromima može se reverzibilno transformirati iz dvovalentnog u trovalentno stanje, što osigurava transport elektrona (vidi Dodatak 1 „Atomska i elektronska struktura hemoproteina” za više detalja).

Mehanizam rada lanca transporta elektrona

Vanjska membrana mitohondrija (slika 4.8.1) je propusna za većinu malih molekula i jona, unutrašnja membrana je propusna za gotovo sve jone (osim H protona) i većinu nenabijenih molekula.

Sve gore navedene komponente respiratornog lanca ugrađene su u unutrašnju membranu. Prijenos protona i elektrona duž respiratornog lanca je osiguran razlikom potencijala između njegovih komponenti. U ovom slučaju, svako povećanje potencijala za 0,16 V oslobađa energiju dovoljnu za sintezu jednog ATP molekula iz ADP-a i H3PO4. Kada se potroši jedan molekul O2, formira se 3 ATP.

Procesi oksidacije i stvaranja ATP-a iz ADP-a i fosforne kiseline tj. Fosforilacija se događa u mitohondrijima. Unutrašnja membrana formira mnoge nabore - kriste. Prostor je omeđen unutrašnjom membranom - matriksom. Prostor između unutrašnje i vanjske membrane naziva se intermembranska.

Takav molekul sadrži tri visokoenergetske veze. Makroergijski ili energetski bogata je hemijska veza koja, kada se prekine, oslobađa više od 4 kcal/mol. Hidrolitičkim razlaganjem ATP-a do ADP-a i fosforne kiseline oslobađa se 7,3 kcal/mol. Tačno ista količina se troši na stvaranje ATP-a iz ADP-a i ostataka fosforne kiseline, a to je jedan od glavnih načina skladištenja energije u tijelu.

Prilikom transporta elektrona duž respiratornog lanca oslobađa se energija koja se troši na dodavanje ostatka fosforne kiseline u ADP kako bi se formirao jedan molekul ATP i jedan molekul vode. Prilikom prijenosa jednog para elektrona duž respiratornog lanca oslobađa se 21,3 kcal/mol koji se pohranjuje u obliku tri ATP molekula. Ovo čini oko 40% energije oslobođene tokom transporta elektrona.

Ova metoda skladištenja energije u ćeliji se zove oksidativna fosforilacija ili spregnuta fosforilacija.

Molekularne mehanizme ovog procesa najpotpunije objašnjava Mitchell-ova hemoosmotska teorija, iznesena 1961. godine.

Mehanizam oksidativne fosforilacije (Slika 4.8.2.):

1) NAD-zavisna dehidrogenaza nalazi se na površini matriksa unutrašnje mitohondrijalne membrane i donira par vodoničnih elektrona FMN-zavisnoj dehidrogenazi. U ovom slučaju, par protona također prelazi iz matrice u FMN i kao rezultat nastaje FMN H 2. U ovom trenutku, par protona koji pripadaju NAD-u se potiskuje u intermembranski prostor.

2) FAD-ovisna dehidrogenaza donira par elektrona Co Q i gura nekoliko protona u intermembranski prostor. Primivši elektrone Co Q prihvata par protona iz matrice i pretvara se u Co QH 2.

3) Ko Q H2 gura par protona u intermembranski prostor, a par elektrona se prenosi na citohrome, a zatim na kiseonik da bi formirao molekul vode.

Kao rezultat toga, kada se par elektrona prenosi duž lanca od matrice do intermembranskog prostora, pumpa se 6 protona (3 para), što dovodi do stvaranja razlike potencijala i pH razlike između površina unutrašnjeg prostora. membrana.

4) Razlika potencijala i pH razlika osiguravaju kretanje protona kroz protonski kanal natrag u matricu.

5) Ovo obrnuto kretanje protona dovodi do aktivacije ATP sintaze i sinteze ATP-a iz ADP-a i fosforne kiseline. Prilikom prijenosa jednog para elektrona (tj. tri para protona), sintetišu se 3 molekula ATP (slika 4.7.3.).

Disocijacija procesa disanja i oksidativne fosforilacije nastaje kada protoni počnu prodirati u unutrašnju membranu mitohondrija. U ovom slučaju, pH gradijent se izravnava i pokretačka sila za fosforilaciju nestaje. Hemijski rastavljači se nazivaju protonofori; oni su sposobni da transportuju protone kroz membranu. To uključuje 2,4-dinitrofenol, tiroidni hormoni itd. (Slika 4.8.3.).

Nastali ATP iz matriksa u citoplazmu prenose enzimi translokaze, dok se u suprotnom smjeru jedan molekul ADP i jedan molekul fosforne kiseline prenose u matriks. Jasno je da poremećaj transporta ADP-a i fosfata inhibira sintezu ATP-a.

Brzina oksidativne fosforilacije prvenstveno ovisi o sadržaju ATP-a; što se brže troši, to se više ADP akumulira, to je veća potreba za energijom i samim tim je proces oksidativne fosforilacije aktivniji. Regulacija brzine oksidativne fosforilacije ćelijskom koncentracijom ADP naziva se respiratorna kontrola.

REFERENCE ZA POGLAVLJE IV.8.

1. Byshevsky A. Sh., Tersenov O. A. Biohemija za doktora // Ekaterinburg: Uralsky Rabochiy, 1994, 384 str.;

2. Knorre D. G., Myzina S. D. Biološka hemija. – M.: Više. škola 1998, 479 str.;

3. Leninger A. Biochemistry. Molekularna osnova stanične strukture i funkcija // M.: Mir, 1974, 956 str.;

4. Pustovalova L.M. Radionica o biohemiji // Rostov na Donu: Phoenix, 1999, 540 str.;

5. Stepanov V. M. Molekularna biologija. Struktura i funkcije proteina // M.: Viša škola, 1996, 335 str.;

Metabolizam, neraskidivo povezan sa razmjenom energije, prirodni je poredak transformacije materije i energije u živim sistemima, usmjeren na njihovo očuvanje i samoreprodukciju. F. Engels je istakao metabolizam kao najvažnije svojstvo života, čijim prestankom prestaje i sam život. Istakao je dijalektičku prirodu ovog procesa i ukazao na to

Iz dosledno materijalističke perspektive, osnivač ruske fiziologije, I. M. Sečenov, razmatrao je ulogu metabolizma u životu organizama. K. A. Timiryazev je dosljedno slijedio ideju da je glavno svojstvo koje karakterizira žive organizme stalna aktivna razmjena između tvari koja čini organizam i tvari okoline, koju organizam stalno opaža, asimilira, pretvara u nešto slično, ponovo mijenja i razlikuje se u procesu disimilacije. I.P. Pavlov smatrao je metabolizam osnovom za ispoljavanje životne aktivnosti, osnovom fizioloških funkcija tijela. Značajan doprinos poznavanju hemije životnih procesa dao je A. I. Oparin, koji je proučavao osnovne obrasce evolucije metabolizma tokom nastanka i razvoja života na Zemlji.

OSNOVNI POJMOVI I POJMOVI

Ili je metabolizam skup kemijskih reakcija u tijelu koje mu daju tvari i energiju potrebne za život: samoodržanje i samoreprodukciju. Samoreprodukcija se podrazumijeva kao transformacija tvari koja dolazi izvana u tvari i strukture samog tijela, što rezultira kontinuiranom obnavljanjem, rastom i reprodukcijom tkiva.

U metabolizmu postoje:

• eksternu razmjenu- uključuje ekstracelularnu transformaciju tvari duž puteva njihovog ulaska u tijelo i uklanjanje metaboličkih produkata iz njega [prikaži] .

  Unošenje supstanci u organizam i oslobađanje metaboličkih produkata zajedno čine razmjenu tvari između okoline i organizma, a definira se kao vanjska razmjena.

  Vanjska razmjena supstanci (i energije) odvija se stalno.

  Ljudski organizam iz spoljašnje sredine dobija kiseonik, vodu, mineralne soli, hranljive materije, vitamine neophodne za izgradnju i obnovu strukturnih elemenata ćelija i tkiva i stvaranje energije. Sve ove tvari možemo nazvati prehrambenim proizvodima, od kojih su neke biološkog porijekla (biljni i životinjski proizvodi), a manji dio je nebiološkog (voda i mineralne soli otopljene u njoj).

  Hranljive materije koje se isporučuju hranom podležu razgradnji sa stvaranjem aminokiselina, monosaharida, masnih kiselina, nukleotida i drugih supstanci, koje kada se pomešaju sa istim supstancama koje nastaju tokom kontinuiranog razgradnje strukturnih i funkcionalnih komponenti ćelije, čine ukupni bazen metabolita u telu. Ovaj fond se troši u dva pravca: dio se koristi za obnavljanje raspadnutih strukturnih i funkcionalnih komponenti ćelije; drugi dio se pretvara u krajnje produkte metabolizma koji se izlučuju iz organizma.

  Kada se supstance razgrađuju u finalne metaboličke produkte, oslobađa se energija; kod odrasle osobe 8.000-12.000 kJ (2.000-3.000 kcal) dnevno. Ovu energiju ćelije tijela koriste za obavljanje različitih vrsta poslova, kao i za održavanje tjelesne temperature na konstantnom nivou.

• međurazmjena- uključuje transformaciju supstanci unutar bioloških ćelija od trenutka ulaska do formiranja konačnih proizvoda (npr. metabolizam aminokiselina, metabolizam ugljikohidrata itd.)

Metaboličke faze. Postoje tri uzastopne faze.

Pročitajte više o

• unos (prehrana je sastavni dio metabolizma (unos tvari iz okoline u tijelo))
• probava (biohemija probave (probava nutrijenata))
• apsorpcija (biohemija probave (apsorpcija nutrijenata))

Srednji metabolizam (ili metabolizam) je transformacija tvari u tijelu od trenutka ulaska u stanice do stvaranja konačnih metaboličkih proizvoda, odnosno skup kemijskih reakcija koje se odvijaju u živim stanicama i osiguravaju tijelu tvari i energiju. za njegovu vitalnu aktivnost, rast i reprodukciju. Ovo je najsloženiji dio metabolizma.

Jednom u ćeliji, nutrijent se metaboliše - prolazi kroz niz hemijskih promena koje kataliziraju enzimi. Specifičan slijed takvih kemijskih promjena naziva se metabolički put, a nastali međuprodukti nazivaju se metaboliti. Metabolički putevi se mogu predstaviti u obliku metaboličke mape.

Kao rezultat metaboličke aktivnosti u svim dijelovima tijela nastaju štetne tvari koje ulaze u krv i moraju se ukloniti. Ovu funkciju obavljaju bubrezi, koji odvajaju štetne tvari i šalju ih u mjehur, odakle se potom izlučuju iz organizma. U metaboličkom procesu učestvuju i drugi organi: jetra, pankreas, žučna kesa, creva, znojne žlezde.

Čovjek izlučuje glavne krajnje produkte metabolizma urinom, izmetom, znojem i izdahnutim zrakom - CO 2, H 2 O, ureu H 2 N - CO - NH 2. Vodik organskih supstanci se izlučuje u obliku H 2 O, a tijelo oslobađa više vode nego što troši (vidi tabelu 24): dnevno u tijelu nastaje približno 400 g vode iz vodonika organskih tvari i kisika udahnutog vazduh (metabolička voda). Ugljik i kisik iz organskih tvari uklanjaju se u obliku CO 2, a dušik u obliku uree.

Osim toga, osoba luči i dosta drugih supstanci, ali u malim količinama, tako da je njihov doprinos ukupnoj ravnoteži metabolizma između tijela i okoline mali. Međutim, treba napomenuti da fiziološki značaj oslobađanja takvih supstanci može biti značajan. Na primjer, poremećaj oslobađanja produkata razgradnje hema ili metaboličkih proizvoda stranih spojeva, uključujući lijekove, može uzrokovati ozbiljne metaboličke poremećaje i tjelesne funkcije.

Metabolički supstrati- hemijska jedinjenja koja dolaze iz hrane. Među njima se mogu razlikovati dvije grupe: glavne nutritivne supstance (ugljikohidrati, proteini, lipidi) i one manje, koje se unose u malim količinama (vitamini, mineralna jedinjenja).

Uobičajeno je razlikovati zamjenjive i nezamjenjive nutrijente. Esencijalni nutrijenti su oni koji se ne mogu sintetizirati u tijelu i stoga se moraju snabdjeti hranom.

Metabolički put- ovo je priroda i redoslijed kemijskih transformacija određene tvari u tijelu. Intermedijarni proizvodi koji nastaju tokom procesa transformacije nazivaju se metaboliti, a posljednji spoj metaboličkog puta je konačni proizvod.

Hemijske transformacije se dešavaju kontinuirano u tijelu. Kao rezultat ishrane organizma, polazne supstance prolaze kroz metaboličke transformacije; Krajnji produkti metabolizma se neprestano uklanjaju iz tijela. Dakle, organizam je termodinamički otvoren hemijski sistem. Najjednostavniji primjer metaboličkog sistema je jedan nerazgranati metabolički lanac:

-->a -->b -->c -->d -->

Uz konstantan protok supstanci u takvom sistemu, uspostavlja se dinamička ravnoteža kada je brzina stvaranja svakog metabolita jednaka brzini njegove potrošnje. To znači da koncentracija svakog metabolita ostaje konstantna. Ovo stanje sistema naziva se stacionarno, a koncentracije supstanci u tom stanju nazivaju se stacionarne koncentracije.

Živi organizam u bilo kojem trenutku ne ispunjava datu definiciju stacionarnog stanja. Međutim, s obzirom na prosječnu vrijednost njegovih parametara u relativno velikom vremenskom periodu, može se uočiti njihova relativna konstantnost i time opravdati primjena koncepta stacionarnog sistema na žive organizme. [prikaži] .

Na sl. 64 predstavlja hidrodinamički model nerazgranatog metaboličkog lanca. U ovom uređaju, visina stupca tekućine u cilindrima modelira koncentracije metabolita a-d, respektivno, a propusnost spojnih cijevi između cilindara modelira brzinu odgovarajućih enzimskih reakcija.

Pri konstantnoj brzini tečnosti koja ulazi u sistem, visina stupca tečnosti u svim cilindrima ostaje konstantna: ovo je stacionarno stanje.

Ako se brzina ulaska tekućine poveća, tada će se povećati visina stupca tekućine u svim cilindrima i brzina protoka tekućine kroz cijeli sistem: sistem je prešao u novo stacionarno stanje. Slični prijelazi se javljaju u metaboličkim procesima u živoj ćeliji.

Regulacija koncentracije metabolita

Tipično, postoji reakcija u metaboličkom lancu koja se odvija mnogo sporije od svih drugih reakcija - ovo je korak koji ograničava brzinu na putu. Na slici je takav stupanj modeliran uskom spojnom cijevi između prvog i drugog cilindra. Faza ograničavanja brzine određuje ukupnu brzinu konverzije početne supstance u konačni proizvod metaboličkog lanca. Često je enzim koji katalizuje reakciju ograničavanja brzine regulatorni enzim: njegova aktivnost se može promijeniti pod utjecajem ćelijskih inhibitora i aktivatora. Na taj način se osigurava regulacija metaboličkog puta. Na sl. 64, prelazna cijev sa ventilom između prvog i drugog cilindra modelira regulatorni enzim: podizanjem ili spuštanjem ventila, sistem se može prebaciti u novo stacionarno stanje, s drugačijim ukupnim protokom tečnosti i drugim nivoima tečnosti u cilindri.

U razgranatim metaboličkim sistemima, regulatorni enzimi obično kataliziraju prve reakcije na mjestu grananja, kao što su reakcije b --> c i b --> i na sl. 65. Time se osigurava mogućnost nezavisne regulacije svake grane metaboličkog sistema.

Mnoge metaboličke reakcije su reverzibilne; smjer njihovog toka u živoj ćeliji određen je potrošnjom proizvoda u naknadnoj reakciji ili uklanjanjem proizvoda iz reakcione sfere, na primjer, izlučivanjem (slika 65).

Kada se stanje organizma promijeni (unošenje hrane, prelazak iz mirovanja u fizičku aktivnost i sl.), mijenja se koncentracija metabolita u tijelu, odnosno uspostavlja se novo stacionarno stanje. Međutim, pod istim uslovima, na primjer, nakon noćnog sna (prije doručka), oni su približno isti kod svih zdravih ljudi; Zbog djelovanja regulatornih mehanizama, koncentracija svakog metabolita se održava na svom karakterističnom nivou. Prosječne vrijednosti ovih koncentracija (koje ukazuju na granice fluktuacija) služe kao jedna od karakteristika norme. Kod bolesti se stabilne koncentracije metabolita mijenjaju, a te promjene su često specifične za određenu bolest. Na tome se zasnivaju mnoge biohemijske metode za laboratorijsku dijagnostiku bolesti.

U metaboličkom putu postoje dva pravca – anabolizam i katabolizam (slika 1).

• Anaboličke reakcije imaju za cilj pretvaranje jednostavnijih supstanci u složenije koje čine strukturne i funkcionalne komponente ćelije, kao što su koenzimi, hormoni, proteini, nukleinske kiseline itd. Ove reakcije su pretežno reduktivne, praćene trošenjem slobodne hemijske energije. (endergonske reakcije). Izvor energije za njih je proces katabolizma. Osim toga, katabolička energija se koristi za osiguravanje funkcionalne aktivnosti ćelije (motorne i druge).
• Kataboličke transformacije su procesi razgradnje složenih molekula, kako onih primljenih hranom, tako i onih uključenih u ćeliju, na jednostavne komponente (ugljični dioksid i vodu); ove reakcije su obično oksidativne i praćene su oslobađanjem slobodne energije (eksergonske reakcije).

Amfibolički put(dual) - put tokom kojeg se kombinuju katabolička i anabolička transformacija, tj. Zajedno sa uništavanjem jednog spoja dolazi do sinteze drugog.

Amfibolički putevi su povezani sa terminalnim, odnosno konačnim, oksidacionim sistemom supstanci, gde sagorevaju do konačnih proizvoda (CO 2 i H 2 O) uz stvaranje velike količine energije. Pored njih, konačni produkti metabolizma su urea i mokraćna kiselina, koje nastaju u posebnim reakcijama izmjene aminokiselina i nukleotida. Veza između metabolizma preko ATP-ADP sistema i amfiboličkog ciklusa metabolita je šematski prikazana na Sl. 2.

ATP-ADP sistem(ATP-ADP ciklus) je ciklus u kojem se odvija kontinuirano formiranje molekula ATP-a čiju energiju hidrolize tijelo koristi u različitim vrstama rada.

Ovo je metabolički put u kojem je jedan od krajnjih proizvoda identičan jednom od jedinjenja uključenih u ovaj proces (slika 3).

Anaplerotski put- metabolički, čiji je konačni proizvod identičan jednom od međuproizvoda bilo kojeg cikličkog puta. Anaplerotični put u primjeru na sl. 3 dopunjava ciklus sa proizvodom X (anapleroza - dopuna).

Koristimo ovaj primjer. U gradu saobraćaju autobusi marki X, Y, Z. Njihove rute su prikazane na dijagramu (sl. 4).

Na osnovu ovog primjera definiramo sljedeće.

• Određeni metabolički put je skup transformacija karakterističnih samo za određeno jedinjenje (na primjer, ugljikohidrati, lipidi ili aminokiseline).
• Opći metabolički put je skup transformacija koje uključuju dvije ili više vrsta spojeva (na primjer, ugljikohidrati i lipidi ili ugljikohidrati, lipidi i aminokiseline).

Lokalizacija metaboličkih puteva

Katabolički i anabolički putevi kod eukariotskih individua razlikuju se po svojoj lokalizaciji u ćeliji (tabela 22.).

Ova podjela nastaje zbog ograničavanja enzimskih sistema na određena područja ćelije (kompartmentalizacija), što osigurava i segregaciju i integraciju intracelularnih funkcija, kao i odgovarajuću kontrolu.

Trenutno, zahvaljujući elektronskim mikroskopskim i histohemijskim studijama, kao i metodi diferencijalnog centrifugiranja, postignut je značajan napredak u određivanju intracelularne lokalizacije enzima. Kao što se može vidjeti sa sl. 74, u ćeliji se može naći ćelijska, odnosno plazma, membrana, jezgro, mitohondrije, lizozomi, ribozomi, sistem tubula i vezikula - endoplazmatski retikulum, lamelarni kompleks, razne vakuole, intracelularne inkluzije itd. Glavni nediferencirani dio ćelijska citoplazma u smislu mase je hijaloplazma (ili citosol).

Utvrđeno je da su RNA polimeraze, odnosno enzimi koji kataliziraju stvaranje mRNA, lokalizirani u jezgru (tačnije, u nukleolusu). Jezgro sadrži enzime uključene u proces replikacije DNK i neke druge (tabela 23).

Odnos između enzima i ćelijskih struktura:

• Mitohondrije. Za mitohondrije su povezani enzimi lanca biološke oksidacije (respiracija tkiva) i oksidativne fosforilacije, kao i enzimi kompleksa piruvat dehidrogenaze, ciklus trikarboksilne kiseline, sinteza uree, oksidacija masnih kiselina itd.
• Lizozomi. Lizozomi sadrže uglavnom hidrolitičke enzime sa optimalnim pH u području od 5. Zbog hidrolitičke prirode enzima ove čestice se nazivaju lizosomi.
• Ribosomi. Enzimi sinteze proteina su lokalizirani u ribosomima; u tim česticama se translatira mRNA i aminokiseline se povezuju u polipeptidne lance kako bi formirale proteinske molekule.
• Endoplazmatski retikulum. Endoplazmatski retikulum sadrži enzime za sintezu lipida, kao i enzime uključene u reakcije hidroksilacije.
• Plazma membrana. Plazma membrana je prvenstveno povezana sa ATPazom, koja prenosi Na+ i K+, adenilat ciklazom i nizom drugih enzima.
• Cytosol. Citosol (hijaloplazma) sadrži enzime glikolize, pentozni ciklus, sintezu masnih kiselina i mononukleotida, aktivaciju aminokiselina, kao i mnoge enzime glukoneogeneze.

U tabeli 23 sumira podatke o lokalizaciji najvažnijih enzima i pojedinačnih metaboličkih faza u različitim subćelijskim strukturama.

Multienzimski sistemi su lokalizovani u strukturi organela na takav način da se svaki enzim nalazi u neposrednoj blizini sledećeg enzima u datom nizu reakcija. Zbog toga se smanjuje vrijeme potrebno za difuziju reakcijskih intermedijara, a cjelokupni slijed reakcija je striktno usklađen u vremenu i prostoru. To vrijedi, na primjer, za enzime uključene u oksidaciju pirogrožđane kiseline i masnih kiselina, u sintezu proteina, kao i za enzime prijenosa elektrona i oksidativne fosforilacije.

Kompartmentalizacija također osigurava da se kemijski nekompatibilne reakcije odvijaju u isto vrijeme, tj. nezavisnost puteva katabolizma i anabolizma. Dakle, u ćeliji se istovremeno može dogoditi oksidacija dugolančanih masnih kiselina do faze acetil-CoA i suprotan proces, sinteza masnih kiselina iz acetil-CoA. Ovi hemijski nekompatibilni procesi odvijaju se u različitim dijelovima ćelije: oksidacija masnih kiselina u mitohondrijima i njihova sinteza izvan mitohondrija u hijaloplazmi. Kada bi se ti putevi poklapali i razlikovali samo u pravcu procesa, tada bi u razmeni nastajali takozvani beskorisni ili uzaludni ciklusi. Takvi ciklusi se javljaju u patologiji, kada je moguća beskorisna cirkulacija metabolita.

Razjašnjavanje pojedinačnih karika metabolizma u različitim klasama biljaka, životinja i mikroorganizama otkriva temeljnu zajedništvo puteva biohemijskih transformacija u živoj prirodi.

OSNOVNE ODREDBE REGULACIJE METABOLIZMA

Vrši se regulacija metabolizma na ćelijskom i subćelijskom nivou

1. regulacijom sinteze i katalitičke aktivnosti enzima.

   Takvi regulatorni mehanizmi uključuju

   • supresija sinteze enzima krajnjim produktima metaboličkog puta,
   • indukcija sinteze jednog ili više enzima supstratima,
   • modulacija aktivnosti već prisutnih molekula enzima,
   • regulacija brzine ulaska metabolita u ćeliju. Ovdje vodeću ulogu imaju biološke membrane koje okružuju protoplazmu i jezgro, mitohondrije, lizozome i druge substanične organele smještene u njoj.
2. regulacijom sinteze i aktivnosti hormona. Tako na metabolizam proteina utiče hormon štitnjače - tiroksin; na metabolizam masti utiču hormoni pankreasa i štitne žlezde, nadbubrežne žlezde i hipofize; na metabolizam ugljenih hidrata utiču hormoni pankreasa (inzulin) i nadbubrežne žlezde ( adrenalin). Posebnu ulogu u mehanizmu djelovanja hormona imaju ciklični nukleotidi (cAMP i cGMP).

   Kod životinja i ljudi, hormonska regulacija metabolizma usko je povezana sa koordinacionom aktivnošću nervnog sistema. Primjer utjecaja nervnog sistema na metabolizam ugljikohidrata je takozvana injekcija šećera Claude Bernarda, koja dovodi do hiperglikemije i glikozurije.

3. Najvažnija uloga u procesima metaboličke integracije pripada moždanoj kori. Kao što je I. P. Pavlov istakao: „Što je savršeniji nervni sistem životinjskog organizma, što je on centralizovaniji, to je njegovo odeljenje sve više i više rukovodilac i distributer svih aktivnosti organizma... Ovaj viši odsek sadrži pod njenom jurisdikcijom sve pojave koje se dešavaju u telu".

Dakle, posebna kombinacija, stroga koordinacija i brzina metaboličkih reakcija zajedno čine sistem koji otkriva svojstva povratnog mehanizma (pozitivnog ili negativnog).

METODE ZA PROUČAVANJE SREDNJEG METABOLIZMA

Za proučavanje metabolizma koriste se dva pristupa:

• studije na cijelom organizmu (in vivo eksperimenti) [prikaži]

  Klasičan primjer istraživanja cijelog organizma, sprovedenog početkom ovog stoljeća, su Knoopovi eksperimenti. Proučavao je način na koji se masne kiseline razlažu u tijelu. Da bi to učinio, Knoop je hranio pse raznim masnim kiselinama s parnim (I) i neparnim (II) brojem atoma ugljika, u kojima je jedan atom vodika u metilnoj grupi zamijenjen fenilnim radikalom C6H5:

  U prvom slučaju mokraćom pasa uvijek se izlučivala feniloctena kiselina C 6 H 5 -CH 2 -COOH, a u drugom - benzojeva kiselina C 6 H 5 -COOH. Na osnovu ovih rezultata, Knoop je zaključio da se razgradnja masnih kiselina u tijelu odvija kroz sekvencijalnu eliminaciju fragmenata sa dva ugljika, počevši od karboksilnog kraja:

  CH 3 -CH 2 -|-CH 2 -CH 2 -|-CH 2 -CH 2 -|-CH 2 -CH 2 -|-CH 2 - COOH

  Ovaj zaključak je kasnije potvrđen drugim metodama.

  U suštini, Knoop je u ovim studijama koristio metodu označavanja molekula: koristio je fenil radikal, koji se ne mijenja u tijelu, kao oznaku. Počev od 40-ih godina XX veka. Upotreba supstanci čije molekule sadrže radioaktivne ili teške izotope elemenata postala je široko rasprostranjena. Na primjer, hranjenjem eksperimentalnih životinja raznim spojevima koji sadrže radioaktivni ugljik (14 C), ustanovljeno je da svi atomi ugljika u molekuli holesterola potiču od atoma ugljika acetata:

  

  Obično se koriste ili stabilni izotopi elemenata koji se po masi razlikuju od elemenata koji se obično nalaze u tijelu (obično teški izotopi) ili radioaktivni izotopi. Od stabilnih izotopa najčešće korišćeni izotopi su vodonik mase 2 (deuterijum, 2 H), azot mase 15 (15 N), ugljenik mase 13 (13 C) i kiseonik mase od 18 (18 C). Od radioaktivnih izotopa izdvajaju se izotopi vodonika (tricijum, 3 H), fosfor (32 P i 33 P), ugljik (14 C), sumpor (35 S), jod (131 I), gvožđe (59 Fe), natrijum (54 Na) se koriste ) i sl.

  Nakon što se stabilnim ili radioaktivnim izotopom označi molekul ispitivanog spoja i unese ga u tijelo, zatim se određuju označeni atomi ili kemijske grupe koje ih sadrže i, nakon što su ih otkrili u određenim spojevima, donosi se zaključak o načinima kojim se označena supstanca transformiše u telu. Koristeći oznaku izotopa, možete odrediti i vrijeme boravka supstance u tijelu, koje u određenoj aproksimaciji karakterizira biološki poluživot, tj. vrijeme tokom kojeg se količina izotopa ili označenog spoja prepolovi, ili dobiti tačne informacije o permeabilnosti membrana pojedinačnih ćelija. Izotopi se također koriste za određivanje da li je određena supstanca prekursor ili proizvod razgradnje drugog jedinjenja, kao i za određivanje brzine obrtanja tkiva. Konačno, kada postoji nekoliko metaboličkih puteva, moguće je odrediti koji je dominantan.

  U studijama na cijelim organizmima proučavaju se i prehrambeni zahtjevi tijela: ako eliminacija neke supstance iz ishrane dovodi do poremećaja rasta i razvoja ili fizioloških funkcija tijela, tada je ova supstanca bitan nutritivni faktor. Na sličan način se određuju i potrebne količine hranjivih tvari.

• i studije na izoliranim dijelovima tijela - analitičko-dezintegrirajuće metode (in vitro eksperimenti, tj. izvan tijela, u epruveti ili drugim laboratorijskim posudama). Princip ovih metoda je postepeno pojednostavljivanje, odnosno dezintegracija, složenog biološkog sistema kako bi se izolovali pojedinačni procesi. Ako ove metode razmotrimo u opadajućem redoslijedu, odnosno od složenijih ka jednostavnijim sistemima, onda se mogu rasporediti sljedećim redoslijedom:
  • uklanjanje pojedinih organa [prikaži]

    Kada se organi uklone, postoje dva predmeta proučavanja: organizam bez uklonjenog organa i izolirani organ.

    Izolovani organi. Ako se otopina neke tvari ubrizga u arteriju izoliranog organa, a tvari se analiziraju u tekućini koja teče iz vene, tada je moguće utvrditi kakve transformacije ova tvar prolazi u organu. Na primjer, na ovaj način je utvrđeno da jetra služi kao glavno mjesto formiranja ketonskih tijela i uree.

    Slični eksperimenti se mogu izvesti na organima bez izolacije od tijela (metoda arteriovenske razlike): u tim slučajevima krv za analizu se uzima pomoću kanila umetnutih u arteriju i venu organa, ili pomoću šprica. Na taj način se, na primjer, može utvrditi da je u krvi koja teče iz mišića koji rade, povećana koncentracija mliječne kiseline, a pri prolasku kroz jetru krv se oslobađa od mliječne kiseline.

  • metoda preseka tkiva [prikaži]

    Sekcije su tanki komadići tkiva koji se prave pomoću mikrotoma ili jednostavno žiletom. Sekcije se inkubiraju u otopini koja sadrži hranjive tvari (glukozu ili druge) i supstancu čije se transformacije u stanicama date vrste žele odrediti. Nakon inkubacije, analiziraju se metabolički produkti ispitivane supstance u inkubacionoj tečnosti.

    Metodu presjeka tkiva prvi je predložio Warburg ranih 20-ih godina. Pomoću ove tehnike moguće je proučavati tkivno disanje (potrošnja kisika i oslobađanje ugljičnog dioksida iz tkiva). Značajno ograničenje u proučavanju metabolizma u slučaju upotrebe presjeka tkiva su ćelijske membrane, koje često djeluju kao barijere između sadržaja ćelije i "hranjivog" rastvora.

  • homogenati i subcelularne frakcije [prikaži]

    

    Homogenati su preparati bez ćelija. Dobijaju se uništavanjem ćelijskih membrana trljanjem tkanine sa peskom ili u posebnim uređajima - homogenizatorima (Sl. 66). U homogenatima ne postoji barijera nepropusnosti između dodanih supstrata i enzima.

    Uništavanje ćelijskih membrana omogućava direktan kontakt između ćelijskog sadržaja i dodanih jedinjenja. Ovo omogućava da se utvrdi koji su enzimi, koenzimi i supstrati važni za proces koji se proučava.

    Frakcionisanje homogenata. Iz homogenata se mogu izolovati subcelularne čestice, kako supramolekularne (ćelijske organele), tako i pojedinačna jedinjenja (enzimi i drugi proteini, nukleinske kiseline, metaboliti). Na primjer, pomoću diferencijalnog centrifugiranja možete dobiti frakcije jezgara, mitohondrija i mikrosoma (mikrozomi su fragmenti endoplazmatskog retikuluma). Ove organele se razlikuju po veličini i gustoći i stoga se talože pri različitim brzinama centrifugiranja. Upotreba izoliranih organela omogućava proučavanje metaboličkih procesa povezanih s njima. Na primjer, izolirani ribozomi se koriste za proučavanje puteva i mehanizama sinteze proteina, a mitohondrije se koriste za proučavanje oksidativnih reakcija Krebsovog ciklusa ili lanca respiratornih enzima.

    Nakon sedimentacije mikrosoma, u supernatantu ostaju rastvorljive komponente ćelije - rastvorljivi proteini, metaboliti. Svaka od ovih frakcija može se dalje frakcionisati koristeći različite metode, izolujući njihove sastavne komponente. Od izolovanih komponenti moguće je rekonstruisati biohemijske sisteme, na primer, jednostavan sistem „enzim + supstrat“ i tako složene kao što su sistemi za sintezu proteina i nukleinskih kiselina.

  • djelomična ili potpuna rekonstrukcija enzimskog sistema in vitro korištenjem enzima, koenzima i drugih komponenti reakcije [prikaži]

    Koristi se za integraciju visoko pročišćenih enzima i koenzima. Na primjer, korištenjem ove metode postalo je moguće u potpunosti reproducirati fermentacijski sistem koji ima sve bitne karakteristike fermentacije kvasca.

Naravno, ove metode su vrijedne samo kao korak neophodan za postizanje krajnjeg cilja – razumijevanje funkcioniranja cijelog organizma.

KARAKTERISTIKE PROUČAVANJA LJUDSKE BIOHEMIJE

Postoje dalekosežne sličnosti u molekularnim procesima različitih organizama koji nastanjuju Zemlju. Fundamentalni procesi kao što su biosinteza matriksa, mehanizmi transformacije energije i glavni putevi metaboličkih transformacija supstanci su približno isti u organizmima od bakterija do viših životinja. Stoga se čini da su mnogi rezultati studija provedenih s E. coli primjenjivi na ljude. Što je veća filogenetska srodnost vrsta, to su njihovi molekularni procesi češći.

Ogromna većina znanja o ljudskoj biohemiji dobija se na ovaj način: na osnovu poznatih biohemijskih procesa kod drugih životinja, gradi se hipoteza o najverovatnijoj verziji ovog procesa u ljudskom telu, a zatim se hipoteza provjerava direktnim studijama ljudske ćelije i tkiva. Ovaj pristup omogućava provođenje istraživanja na maloj količini biološkog materijala dobivenog od ljudi. Najčešće korišćena tkiva su tkiva odstranjena tokom hirurških operacija, krvne ćelije (eritrociti i leukociti), kao i ćelije ljudskog tkiva uzgojene u kulturi in vitro.

Proučavanje nasljednih ljudskih bolesti, neophodnih za razvoj efikasnih metoda za njihovo liječenje, ujedno daje mnogo informacija o biohemijskim procesima u ljudskom tijelu. Posebno, urođeni defekt enzima uzrokuje akumulaciju njegovog supstrata u tijelu; pri proučavanju ovakvih metaboličkih poremećaja ponekad se otkrivaju novi enzimi i reakcije, kvantitativno beznačajne (zbog čega nisu uočene pri proučavanju norme), koje, međutim, imaju vitalni značaj.

Modularna jedinica 1 ENZIMI KAO PROTEINSKI KATALIZATOR

Ciljevi učenja Biti u stanju:

1. Objasnite svojstva enzima i karakteristike enzimske katalize prema njihovoj proteinskoj prirodi.

2. Procijeniti ulogu vitamina u ishrani ljudi kao supstrata za sintezu koenzima.

3. Utvrditi da li enzimi pripadaju određenoj klasi i podklasi u skladu sa njihovom nomenklaturom.

4. Izračunajte aktivnost enzima i procijenite afinitet enzima za supstrat.

znati:

1. Strukturne karakteristike enzima kao proteinskih katalizatora.

2. Vrste specifičnosti enzima.

3. Osnove klasifikacije enzima, klase enzima, primjeri reakcija koje kataliziraju enzimi.

4. Struktura koenzima i kofaktora i njihova uloga u enzimskoj katalizi, uloga vitamina u ovom procesu.

5. Osnove enzimske kinetike.

6. Jedinice aktivnosti enzima i metode za njihovo određivanje.

TEMA 2.1. SVOJSTVA ENZIMA KAO PROTEINA

CATALYST

1. Enzimi su proteinski katalizatori ubrzavaju hemijske reakcije u živim ćelijama. Imaju sva svojstva karakteristična za proteine ​​i određene strukturne karakteristike koje određuju njihova katalitička svojstva. Enzimi, osim toga, poštuju opšte zakone katalize i imaju svojstva karakteristična za nebiološke katalizatore: ubrzavaju energetski moguće reakcije, održavaju energiju hemijskog sistema konstantnom i ne troše se tokom procesa reakcije.

2. Enzime karakteriše:

specifičnost. Biološka funkcija enzima, kao i svakog proteina, određena je prisutnošću u njegovoj strukturi aktivnog centra s kojim određeni ligand stupa u interakciju. Ligand koji stupa u interakciju s aktivnim mjestom enzima naziva se supstrat.

katalitička efikasnost. Većina reakcija kataliziranih enzimima su visoko efikasne i odvijaju se 10 8 -10 14 puta brže od nekataliziranih reakcija. Svaki enzimski molekul može transformirati od 100 do 1000 molekula supstrata u proizvod u sekundi.

konformaciona labilnost. Katalitička efikasnost enzima, kao i bilo kojeg proteinskog molekula, ovisi o njegovoj konformaciji, a posebno o konformaciji aktivnog centra. U stanicama postoje tvari koje mogu uzrokovati manje promjene u konformaciji molekula enzima zbog kidanja jednih i stvaranja drugih slabih veza; ovo može uzrokovati povećanje ili smanjenje aktivnosti enzima.

3. Aktivnost enzima se može regulisati. Djelovanje enzima u ćeliji je po pravilu strogo uređeno: proizvod jedne enzimske reakcije je supstrat druge; tako se formira metaboličkih puteva. Među brojnim enzimima gotovo svakog metaboličkog puta, postoje ključni, ili regulatorni, enzimi čija aktivnost može varirati u zavisnosti od potrebe ćelije za konačnim produktom metaboličkog puta.

4. Optimalni uslovi za enzimske reakcije: temperatura 37-38 °C; normalan atmosferski pritisak, pH 6,9-7,7, karakterističan za većinu tkiva. Nasuprot tome, efikasna hemijska kataliza često zahteva visoke temperature i pritiske, kao i ekstremne pH vrednosti.

TEMA 2.2. AKTIVNI CENTAR: SPECIFIČNOST DELOVANJA ENZIMA

1. Aktivno mjesto enzima- ovo je određeni dio proteinske molekule koji je sposoban komplementarno se vezati za supstrat i osigurati njegovu katalitičku transformaciju. Strukturu aktivnog centra formiraju radikali aminokiselina, baš kao i u slučaju aktivnog centra bilo kojeg proteina. Aktivni centar enzima sadrži aminokiselinske ostatke čije funkcionalne grupe osiguravaju komplementarno vezivanje supstrata (vezno mjesto) i aminokiselinske ostatke čije funkcionalne grupe vrše kemijsku transformaciju supstrata (katalitičko mjesto) ( Slika 2.1).

Rice. 2.1. Shema strukture aktivnog centra enzima.

Aminokiseline koje formiraju aktivni centar enzima označene su crvenom bojom: 1 - mjesto vezivanja; 2 - katalitička sekcija

2. Specifičnost- najvažnije svojstvo enzima koje određuje biološki značaj enzima. Razlikovati supstrat I katalitička specifičnost enzima, koje su određene strukturom aktivnog centra.

3. Ispod specifičnost supstrata odnosi se na sposobnost svakog enzima da komunicira sa samo jednim ili više specifičnih supstrata.

Oni su:

- apsolutna specifičnost supstrata, ako je aktivno mjesto enzima komplementarno samo jednom supstratu;

- specifičnost grupnog supstrata, ako enzim katalizira istu vrstu reakcije s malom količinom (grupom) strukturno sličnih supstrata;

- stereospecifičnost, ako enzim pokazuje apsolutnu specifičnost samo za jedan od postojećih stereoizomera supstrata.

4. Katalitička specifičnost ili specifičnost puta konverzije supstrata, osigurava transformaciju istog supstrata pod dejstvom različitih enzima. To je osigurano strukturom katalitičkih mjesta aktivnih centara odgovarajućih enzima. Na primjer, molekul

Glukoza-6-fosfat u ćelijama ljudske jetre je supstrat četiri različita enzima: fosfoglukomutaze, glukozo-6-fosfat fosfataze, fosfoglukoizomeraze i glukozo-6-fosfat dehidrogenaze. Međutim, zbog strukturnih karakteristika katalitičkih mesta ovih enzima, dolazi do različitih transformacija glukoza-6-fosfata sa formiranjem četiri različita proizvoda (slika 2.2).

Rice. 2.2. Katalitički putevi za konverziju glukoza-6-fosfata.

Specifičnost puta konverzije supstrata omogućava transformaciju istog supstrata pod dejstvom različitih enzima. Molekula glukoza-6-fosfata je supstrat za različite enzime, što dovodi do stvaranja različitih proizvoda

TEMA 2.3. MEHANIZAM DELOVANJA ENZIMA

1. Tokom katalize, supstrat, vezan za aktivno mjesto enzima u kompleksu enzim-supstrat (ES), prolazi kroz hemijsku konverziju u proizvod, koji se zatim oslobađa. Proces katalize se može shematski predstaviti na sljedeći način:

Proces enzimske katalize može se podijeliti u faze (slika 2.3). U fazi I, supstrat se približava i usmjerava u području aktivnog centra enzima. U fazi II, kao rezultat indukovana korespondencija[promjena konformacije supstrata (S) i aktivnog centra enzima] formira se kompleks enzim-supstrat (ES). U fazi III, veze u supstratu se destabilizuju i formira se nestabilan kompleks enzim-proizvod (EP). U fazi IV, kompleks (EP) se raspada uz oslobađanje produkta reakcije iz aktivnog mjesta i oslobađanje enzima.

2. Za razumijevanje energije kemijske reakcije potrebno je uzeti u obzir promjenu energije supstrata i produkta reakcije, kao i ulogu enzima u ovom procesu. Poznato je da da bi se reakcija odvijala, supstrati moraju dobiti takvu količinu dodatne energije (koja se zove energija aktivacije E a) koja je neophodna da bi molekuli supstrata ušli u reakciju (slika 2.4). U slučaju enzimske reakcije, energija aktivacije se smanjuje, što osigurava efikasniju reakciju.

Rice. 2.3. Faze enzimske katalize:

I - faza približavanja i orijentacije supstrata u aktivnom centru enzima; II - formiranje kompleksa enzim-supstrat (Eb); III - formiranje nestabilnog kompleksa enzim-proizvod (EP); IV - oslobađanje produkta reakcije iz aktivnog centra enzima

Rice. 2.4. Promjena slobodne energije tijekom kemijske reakcije, nekatalizirana i katalizirana enzimima.

Enzim smanjuje energiju aktivacije E a, tj. smanjuje visinu energetske barijere; kao rezultat, povećava se udio reaktivnih molekula i povećava se brzina reakcije

TEMA 2.4. KOFAKTORI I KOENZIMI

Većina enzima zahtijeva prisustvo određenih neproteinskih supstanci - kofaktora - da bi pokazali katalitičku aktivnost. Postoje dvije grupe kofaktora: joni metala i koenzimi.

1. Metalni joni učestvuju u funkcionisanju enzima na različite načine.

Promijenite konformaciju molekule supstrata,što osigurava komplementarnu interakciju sa aktivnim centrom. Na primjer, kompleks Mg2+-ATP djeluje kao supstrat.

Obezbedite nativnu konformaciju aktivnog centra enzima. Joni

Mg 2 +, Mn 2 +, Zn 2 +, Co 2 +, Mo 2 + učestvuju u stabilizaciji aktivnog centra enzima i doprinose dodavanju koenzima.

Oni stabiliziraju konformaciju molekula proteina enzima. Na primjer, joni cinka su potrebni za stabilizaciju kvartarne strukture enzima alkohol dehidrogenaze, koji katalizira oksidaciju etanola.

Direktno uključen u enzimsku katalizu. Ioni Zn 2 +, Fe 2 +, Mn 2 +, Cu 2 + učestvuju u elektrofilnoj katalizi. Metalni joni s promjenjivom valentnošću također mogu učestvovati u prijenosu elektrona. Na primjer, u citohromima (proteini koji sadrže hem), ion željeza je sposoban da veže i donira jedan elektron. Zbog ovog svojstva, citokromi učestvuju u redoks reakcijama:

2. Koenzimi su organske supstance, najčešće derivati ​​vitamina, koji su direktno uključeni u enzimsku katalizu, jer se nalaze u aktivnom centru enzima. Enzim koji sadrži koenzim i ima enzimsku aktivnost naziva se holoenzim. Proteinski dio takvog enzima se zove apoenzim, koji u odsustvu koenzima nema katalitičku aktivnost.

Koenzim se može vezati za proteinski dio enzima samo u vrijeme reakcije ili biti povezan s apoenzimom jakim kovalentnim vezama. U potonjem slučaju se zove protetska grupa. Primeri najčešćih koenzima – derivata vitamina, kao i njihovo učešće u enzimskim procesima – dati su u tabeli. 2.1.

Table 2.1. Struktura i funkcija glavnih koenzima

Kraj stola. 2.1.

TEMA 2.5. KLASIFIKACIJA I NOMENKLATURA

ENZIMI

1. Naziv većine enzima sadrži sufiks "ase" vezan uz naziv supstrata reakcije (na primjer: ureaza, saharaza, lipaza, nukleaza) ili uz naziv kemijske transformacije određenog supstrata (na primjer: laktat dehidrogenaza, adenilat ciklaza, fosfoglukomutaza, piruvat karboksilaza). Međutim, ostali su u upotrebi brojni trivijalni, istorijski fiksni nazivi enzima, koji ne daju nikakve informacije o supstratu ili vrsti hemijske transformacije (na primjer, tripsin, pepsin, renin, trombin, itd.).

2. U cilju sistematizacije enzima koji se nalaze u prirodi, Međunarodna unija za biohemiju i molekularnu biologiju (IUBMB) je 1961. godine razvila nomenklaturu prema kojoj su svi enzimi podijeljeni u šest glavnih klasa ovisno o vrsti kemijske reakcije koju katalizuju. Svaka klasa se sastoji od brojnih potklasa i potklasa, u zavisnosti od hemijske grupe supstrata koji se pretvara, donora i akceptora konvertovanih grupa, prisutnosti dodatnih molekula itd. Svaka od šest klasa ima svoj serijski broj, koji mu je strogo dodijeljen: 1. klasa - oksidoreduktaze; 2. razred - transferaze; 3. razred - hidrolaze; 4. razred - lyases; 5. razred - izomeraze; 6. razred - ligaze

Ova klasifikacija je neophodna za tačnu identifikaciju enzima: za svaki enzim postoji kodni broj. Na primjer, enzim maldehidrogenaza ima sistematski naziv L-malat: NAD oksidoreduktaza i kodni broj je 1.1.1.38. Prva cifra označava broj klase enzima (u ovom slučaju broj 1 označava da enzim pripada klasi oksidoreduktaza); druga znamenka označava vrstu reakcije koja se katalizira (u ovom primjeru, hidroksilna grupa je oksidirana); treća znamenka označava prisustvo koenzima (u ovom slučaju NAD+ koenzima), posljednja cifra je serijski broj enzima u ovoj podgrupi.

3. Karakteristike glavnih klasa enzima s primjerima reakcija koje katalizuju.

1. Oksidoreduktaze kataliziraju različite redoks reakcije. Klasa je podijeljena na podklase:

A) dehidrogenaze katalizuju reakcije dehidrogenacije (eliminacija vodonika s prijenosom elektrona sa dehidrogeniranog supstrata na drugi akceptor). Kao akceptori elektrona koriste se koenzimi NAD+, NADP+, FAD, FMN. Ova potklasa uključuje enzime malat dehidrogenazu (slika 2.5), izocitrat dehidrogenazu, sukcinat dehidrogenazu, α-ketobutirat dehidrogenazu, itd.;

Rice. 2.5. Reakcija dehidrogenacije malata

b) oksidaze- katalizuju reakcije oksidacije uz učešće molekularnog kiseonika (slika 2.6);

Rice. 2.6. Reakcija koju katalizira enzim citokrom oksidaza

V) oksigenaze(hidroksilaze) kataliziraju reakcije oksidacije ugrađivanjem atoma kisika u hidroksilnu grupu molekula supstrata. Reakcija se odvija uz učešće molekularnog kiseonika, čiji je jedan atom vezan za supstrat, a drugi je uključen u formiranje molekula vode (slika 2.7).

Rice. 2.7. Reakcija hidroksilacije fenilalanina.

Reakcioni koenzimi: tetrahidrobiopterin (H 4 BP) i dihidrobiopterin (H 2 BP)

2. Transferaze- kataliziraju reakcije prijenosa funkcionalnih grupa. Ovisno o prenesenoj grupi, dijele se na podklase: aminotransferaze (slika 2.8), aciltransferaze, metiltransferaze, glikoziltransferaze, kinaze (fosfotransferaze) (slika 2.9).

Rice. 2.8. Reakcija koju katalizira enzim ALT (Alanin-a-ketoglutarat aminotransferaza), koji pripada klasi transferaza, podklasi aminotransferaza.

PF - koenzim piridoksal fosfat

Rice. 2.9. Reakcija koju katalizira enzim protein kinaza, koji pripada klasi transferaza, podklasi fosfotransferaza.

ATP je donor ostatka fosforne kiseline

3. Hidrolaze kataliziraju reakcije hidrolize (cijepanje kovalentne veze uz dodatak molekula vode na mjestu prekida). Podijeljeni su u podklase ovisno o podlozi. Nazivi se formiraju u zavisnosti od molekule supstrata ili specifične hemijske veze koja se hidrolizira: proteaza, amilaza, glikozidaza, nukleaza, esteraza, fosfataza, itd. Primer reakcione šeme za hidrolizu proteinske molekule prikazan je na Sl. 2.10.

Rice. 2.10. Reakcija hidrolize proteinskih molekula

4. Liaze- liaze uključuju enzime koji cijepaju određene grupe sa supstrata na nehidrolitički način, kao što su CO 2, H 2 O, NH 2 SH 2, itd., ili vezuju (na primjer, molekul vode) preko dvostruke veze. Reakcija dekarboksilacije (eliminacija CO 2 molekula) prikazana je na Sl. 2.11, a reakcija dodavanja molekula vode (reakcija hidrataze) je na Sl. 2.12.

Rice. 2.11. Reakcija dekarboksilacije (eliminacija CO 2 molekula)

PF koenzim piridoksal fosfat

Rice. 2.12. Reakcija dodavanja molekula vode u fumarat

5. Izomeraze kataliziraju različite intramolekularne transformacije (slika 2.13).

Rice. 2.13. Reakcija koju katalizira enzim fosfoglukoizomeraza

6. Ligaze(sintetaze) kataliziraju reakcije koje komplikuju molekul tako što vežu dva molekula jedan za drugi kako bi se formirala kovalentna veza; u ovom slučaju se koristi energija ATP-a ili drugih visokoenergetskih jedinjenja (slika 2.14).

Rice. 2.14. Reakcija koju katalizira enzim glutamin sintetaza

TEMA 2.6. OSNOVE ENZIMATIVNE KINETIKE

KATALIZA

1. Kinetika enzimskih reakcija je grana enzimologije koja proučava zavisnost brzine hemijskih reakcija koje kataliziraju enzimi od hemijske prirode supstanci koje reaguju i faktora okoline.

Za mjerenje katalitičke aktivnosti enzima koriste se indikatori kao što su brzina reakcije ili aktivnost enzima. Brzina reakcije enzima određeno smanjenjem broja molekula supstrata ili povećanjem broja molekula proizvoda u jedinici vremena. Brzina enzimske reakcije je mjera katalitičke aktivnosti enzima i označava se kao aktivnost enzima.

U praksi se za karakterizaciju aktivnosti enzima koriste konvencionalne vrijednosti: 1 međunarodna jedinica aktivnosti (IU) odgovara količini enzima koja katalizira konverziju 1 µmol supstrata u 1 minuti pod optimalnim uvjetima (temperatura 37° C, optimalna pH vrijednost otopine) za enzimsku reakciju

reakcije. Ove jedinice aktivnosti se koriste u medicinskoj i farmaceutskoj praksi za procjenu aktivnosti enzima:

Da biste procijenili broj molekula enzima među ostalim proteinima datog tkiva, odredite specifičnu aktivnost (Sp.A.) enzima, numerički jednaku količini pretvorenog supstrata (u µmol) u jedinici vremena od jednog miligrama (mg) proteina (enzim izolovan iz tkiva):

Stepen pročišćavanja enzima se procjenjuje prema specifičnoj aktivnosti: što je manje stranih proteina, to je veća specifična aktivnost.

2. Proučava se kinetika enzimskih reakcija pod optimalnim uslovima za enzimsku reakciju. Optimalni uslovi su individualni za svaki enzim i određeni su prvenstveno temperaturom na kojoj se reakcija odvija i pH vrednosti rastvora.

Povećanje temperature do određenih granica, on utječe na brzinu enzimske reakcije na isti način na koji temperatura utječe na bilo koju kemijsku reakciju: s povećanjem temperature, brzina enzimske reakcije se povećava. Međutim, brzina enzimske hemijske reakcije ima svoj temperaturni optimum, čiji višak je praćen smanjenjem enzimske aktivnosti, što je povezano sa termičkom denaturacijom proteinskog molekula (slika 2.15). Za većinu ljudskih enzima optimalna temperatura je 37-38 °C.

Rice. 2.15. Ovisnost brzine enzimske reakcije (V) o temperaturi

Aktivnost enzima zavisi od pH vrednosti otopina u kojoj dolazi do enzimske reakcije. Utjecaj pH na aktivnost enzima uzrokovan je promjenama u ionizaciji funkcionalnih grupa aminokiselinskih ostataka datog proteina i supstrata, koji osiguravaju optimalno formiranje kompleksa enzim-supstrat. Za svaki enzim postoji pH vrijednost pri kojoj se uočava njegova maksimalna aktivnost (slika 2.16).

Rice. 2.16. Ovisnost brzine enzimske reakcije (V) o pH podloge

3. Kinetičke karakteristike enzimske reakcije zavise od koncentracije reaktanata. Ako se koncentracija enzima ostavi konstantnom, mijenjajući samo količinu supstrata, tada se graf brzine enzimske reakcije opisuje hiperbolom (slika 2.17). Kako se količina supstrata povećava, početna brzina reakcije se povećava. Kada enzim postane potpuno zasićen supstratom, tj. pri datoj koncentraciji enzima dolazi do maksimalnog mogućeg stvaranja kompleksa enzim-supstrat, a uočava se najveća brzina stvaranja proizvoda. Daljnje povećanje koncentracije supstrata ne dovodi do povećanja količine nastalog proizvoda, tj. brzina reakcije se ne povećava. Ovo stanje odgovara maksimalnoj brzini reakcije Vmax

Vrijednost V max karakterizira katalitičku aktivnost enzima i određuje maksimalnu mogućnost stvaranja proizvoda pri datoj koncentraciji enzima iu uvjetima viška supstrata; V max je konstantna vrijednost za datu koncentraciju enzima.

Rice. 2.17. Ovisnost brzine reakcije (V) o koncentraciji supstrata S:

V max je maksimalna brzina reakcije pri datoj koncentraciji enzima pod optimalnim uslovima reakcije; K m - Michaelisova konstanta

4. Glavna kinetička karakteristika efikasnosti enzima je Michaelisova konstanta - K m. Michaelisova konstanta je numerički jednaka koncentraciji supstrata pri kojoj se postiže polovina maksimalne brzine. K m karakteriše afinitet datog enzima za dati supstrat i konstantna je vrijednost. Što je niži Km, veći je afinitet enzima za dati supstrat, veća je početna brzina reakcije, i obrnuto, što je veći Km, to je manji afinitet enzima za supstrat i niža je početna brzina reakcije.

1. Kopirajte tabelu u svoju bilježnicu. 2.2. Koristite svoj udžbenik i dodatnu literaturu da popunite tabelu. Izvucite zaključak o potrebi raznovrsne prehrane za ljudsko zdravlje.

2. Kopirajte tabelu u svoju bilježnicu. 2.3 i ispunite. Koristeći svoj udžbenik, zapišite jednu reakciju koja uključuje svaki koenzim.

3. Prenesite grafikon aktivnosti enzima u svoju bilježnicu (slika 2.18). Definirajte i označite V max ovih reakcija. Navedite K u prvom i drugom

slučaj. Koje je biohemijsko značenje konstante K?

Tabela 2.2. Karakteristike glavnih vitamina rastvorljivih u vodi koji su prekursori koenzima

Tabela 2.3. Osnovni koenzimi

Rice. 2.18. Ovisnost brzine enzimskih reakcija o koncentraciji supstrata

ZADACI SAMOKONTROLE

1. Odaberite tačne odgovore. enzimi:

A. Da li su proteini

B. Smanjite brzinu enzimskih reakcija

B. Imaju specifičnost djelovanja D. Oni su jednostavni proteini E. Sposobni su za regulaciju

2. Odaberite tačne odgovore. Michaelisova konstanta (Km):

A. Je karakteristika supstratne specifičnosti enzima B. Numerički jednak koncentraciji supstrata pri kojoj se opaža polovina Vmax

B. Karakterizira afinitet enzima za supstrat

D. Karakterizira zasićenje aktivnog centra enzima supstratom D. Je kinetička karakteristika enzima

3. Odaberite tačne odgovore. Koenzim PF funkcionira s enzimima sljedećih klasa:

A. Oksidoreduktaza B. Transferaza

B. Hidrolaza G. Liaz D. Izomeraze

4. Match. Vrsta reakcije u kojoj je uključen koenzim:

A. Karboksilacija B. Oksidacija-redukcija

B. Transaminacija D. Acilacija E. Acetilacija

koenzim:

2. Piridoksal fosfat

5. Match. Enzim katalizuje:

ODGOVOR: Samo nepovratne reakcije

B. Reakcije istog tipa sa malim brojem (grupom) strukturno sličnih supstrata

B. Konverzija samo jednog od postojećih stereoizomera supstrata

D. Reakcije u prisustvu koenzima E. Konverzija samo jednog supstrata Specifičnost supstrata:

1. Apsolutno

2. Grupa

3. Stereospecifičnost

6. Dovršite zadatak "lanac":

A) redoks reakcije kataliziraju enzimi ove klase

A. Transferaze

B. Oksidoreduktaze

b) enzimi koji pripadaju podklasi ove klase provode reakcije

apstrakcija atoma vodika iz supstrata:

A. Oksidaze

B. Hidroksilaze

B. Dehidrogenaze

V) Koenzim za ove enzime je:

B. Koenzim A

G) koenzim je baziran na vitaminu:

A. Nikotinska kiselina B. Biotin

B. Vitamin B 2

d) Nedostatak ovog vitamina dovodi do sljedećih bolesti:

B. Pelagra

B. Makrocitna anemija

7. Match. Klasa enzima:

A. Oksidoreduktaza B. Hidrolaza

B. Ligaza G. Liase

D. Transferase

enzim:

1. Sukcinat dehidrogenaza

2. Piruvat karboksilaza.

3. DNase.

8. Dopuni rečenice riječima koje nedostaju:

aktivnost. Koenzim vezan za apoenzim jakim kovalentnim vezama naziva se ...................

4. 1-A; 2-B; 3-B

5. 1-D; 2-B; 3-B

6. a) B; b) B; c) B; d) A; e) B

7. 1-A; 2-B; 3-B

8. Holoenzim, apoenzim, koenzim, prostetička grupa

OSNOVNI POJMOVI I POJMOVI

1. Enzimologija

2. Enzimska kataliza

3. Kompleks enzim-supstrat

4. Kinetika enzimske katalize

5. Podloga

6. Enzimsko aktivno mjesto

7. Maksimalna brzina reakcije - V max

8. Michaelisova konstanta - K m

9. Jedinice aktivnosti enzima

10. Klase enzima

11. Specifičnost enzima

12. Enzimski kofaktori

13. Specifična aktivnost enzima

14. Apoenzim

15. Holoenzim

Riješiti probleme

1. Trenutno se u biohemijskim laboratorijama koriste automatski biohemijski analizatori za određivanje aktivnosti enzima u ljudskim biološkim tečnostima. Pomozite laboratorijskom tehničaru da razumije reagense koji će se koristiti za određivanje aktivnosti laktat dehidrogenaze (LDH) i izračunati aktivnost LDH kod dva pacijenta. Za ovo:

a) napišite reakciju koju katalizira LDH;

b) naznačiti supstrat, koenzim, prekursor vitamina, izvor enzima;

c) navesti uslove reakcije (temperatura, vrijeme);

d) objasni po kom parametru se može procijeniti brzina enzimske reakcije;

f) izračunati aktivnost LDH u krvi pacijenata u jedinicama IU/l. Izvucite zaključak: koji pacijent je aktivniji?

Tabela 2.4. Podaci za određivanje aktivnosti LDH

2. Ljudi su homeotermni (temperatura se održava na konstantnom nivou) živi organizmi. U medicini se u nekim slučajevima za liječenje koriste ekstremne temperature. Konkretno, hipotermični uslovi se koriste za produžene operacije, posebno na mozgu i srcu) hipertermični uslovi se koriste u svrhu koagulacije tkiva. Objasnite valjanost ovih pristupa sa stanovišta enzimologa. Odgovoriti:

a) naznačiti koja je temperatura optimalna za većinu ljudskih enzima;

b) nacrtati grafik zavisnosti brzine enzimskih reakcija od temperature;

c) objasniti potrebu za dugotrajnim hirurškim intervencijama u hipotermijskim uslovima;

d) opisati na čemu se zasniva metoda termičke koagulacije tkiva;

e) ukazati na posledice izlaganja kritičnim temperaturama na ljude.

3. Pacijent star 35 godina došao je u ambulantu sa pritužbama na upalne procese u oralnoj sluznici, zamor mišića i konjuktivitis. Pacijentica se dugo hranila monotonom ishranom, isključujući hranu kao što su jetra, raž, mlijeko i kvasac. Lekar je dijagnostikovao hipovitaminozu B2. Objasnite razloge za uočene simptome. Za ovo:

a) imenovati koenzime nastale od vitamina B2;

b) naznačiti u koje reakcije su uključeni ovi koenzimi;

c) napišite radne dijelove formule za oksidirane i reducirane oblike koenzima;

d) navedite primjere reakcija koje uključuju ove koenzime (koristite materijale iz udžbenika).

4. Enzim kisela fosfataza hidrolizira estre fosforne kiseline. Ovaj enzim se formira u ćelijama jetre, slezene i prostate; sadrže ga crvena krvna zrnca, trombociti, makrofagi i osteoklasti. Ovaj enzim se takođe nalazi u akrozomu spermatozoida i tokom oplodnje razgrađuje fosfolipide plazmaleme oocita. Najveća enzimska aktivnost kisele fosfataze javlja se pri kiselim pH vrijednostima (4,7-6,0). Nacrtajte grafikon brzine reakcije u odnosu na pH i objasnite zašto se aktivnost kisele fosfataze mijenja s promjenom pH. Navedite dijagram reakcije. Odredite klasu enzima i njegovu specifičnost.

5. Proučavanjem brzine reakcije konverzije dipeptida pod dejstvom peptidaze tankog creva dobijeni su sledeći rezultati: maksimalna aktivnost enzima je 40 µmol/min/mg, Km 0,01. Pri kojoj koncentraciji supstrata je brzina reakcije jednaka 10 µmol/min/mg? Korištenje podataka zadatka:

a) napisati shemu reakcije, odrediti klasu enzima i vezu koju uništava u supstratu;

b) nacrtati grafik brzine reakcije u zavisnosti od koncentracije supstrata i odgovoriti na pitanje zadatka;

c) dati definiciju Ksh, naznačiti odnos između vrijednosti Ksh i afiniteta enzima za supstrat.

6. Student je odredio specifičnu aktivnost enzima lizozima izolovanog iz bjelanjka kokošijeg jajeta. Lizozim hidrolizira glikoproteine ​​ćelijskog zida bakterije. Student je inkubirao reakcijsku smjesu koja je sadržavala supstrat, enzim i pufer koji je dao optimalnu pH vrijednost od 5,2 i otkrio da se pod utjecajem 1 mg lizozima formira samo 12 µmol proizvoda za 15 minuta. Nakon izračunavanja i pronalaženja razloga

niske specifične aktivnosti enzima, sjetio se da nije uključio termostat i zato je uzorke inkubirao na sobnoj temperaturi, a enzim t je bio 37°C. Ponavljajući eksperiment pod optimalnim uslovima, otkrio je da je za 15 minuta, djelovanjem 1 mg lizozima nastalo 45 µmol proizvoda. Izračunajte specifičnu aktivnost enzima u oba slučaja i objasnite mehanizam uticaja temperature na brzinu enzimske reakcije.

7. Aktivnost mnogih enzima u ćeliji reguliraju drugi enzimi - protein kinaza i fosfoprotein fosfataza. Navedite karakteristike ovih reakcija; napišite reakcije koje kataliziraju ovi enzimi, navedite kojoj klasi enzima pripadaju. Obratite pažnju na specifičnost supstrata.

Modularna jedinica 2 REGULACIJA AKTIVNOSTI ENZIMA. MEDICINSKI ASPEKTI ENZIMOLOGIJE

Ciljevi učenja Biti u stanju:

1. Protumačiti rezultate uticaja inhibitora - lekova, otrova - na enzimske reakcije organizma.

2. Objasniti važnost regulacije aktivnosti enzima u utjecanju na brzinu metaboličkog puta.

3. Objasnite osnove upotrebe enzima kao lijekova.

4. Primijeniti znanja o svojstvima enzima i enzimskom sastavu organa u normalnim uslovima i kod različitih metaboličkih poremećaja.

5. Interpretirati rezultate određivanja enzimske aktivnosti u dijagnostici bolesti.

znati:

1. Klasifikacija inhibitora enzima prema njihovom mehanizmu djelovanja.

2. Primjeri lijekova - inhibitori enzima.

3. Osnovni mehanizmi za regulaciju aktivnosti enzima u organizmu.

4. Principi regulacije metaboličkih puteva i uloga enzima u regulaciji metabolizma.

5. Osnove upotrebe enzima za dijagnostiku i liječenje bolesti.

TEMA 2.7. INHIBITORI AKTIVNOSTI ENZIMA

1. Pod terminom "inhibicija enzimska aktivnost" odnosi se na specifično smanjenje katalitičke aktivnosti uzrokovano određenim kemikalijama - inhibitori.

Inhibitori su od velikog interesa za rasvjetljavanje mehanizama enzimske katalize i pomoć pri utvrđivanju uloge pojedinačnih enzimskih reakcija u metaboličkim putevima tijela. Djelovanje mnogih lijekova i otrova zasniva se na principu inhibicije enzimske aktivnosti.

2. Inhibitori su u stanju da se vežu za enzime sa različitim stepenom snage. Na osnovu toga razlikuju reverzibilan I nepovratna inhibicija. Reverzibilni inhibitori vežu se za enzim slabim nekovalentnim vezama i, pod određenim uslovima, lako se odvajaju od enzima:

E+I↔ EI.

Nepovratna inhibicija uočeno u slučaju stvaranja kovalentnih stabilnih veza između molekula inhibitora i enzima:

E+I→ E-I.

3. Prema mehanizmu djelovanja, reverzibilni inhibitori se dijele na konkurentan I nekonkurentna.

Kompetitivna inhibicija uzrokuje reverzibilno smanjenje brzine enzimske reakcije kao rezultat vezivanja inhibitora na aktivno mjesto enzima, što sprječava stvaranje kompleksa enzim-supstrat. Ova vrsta inhibicije se javlja kada je inhibitor strukturni analog supstrata; Kao rezultat, dolazi do nadmetanja između molekula supstrata i inhibitora za vezivanje za aktivni centar enzima. U ovom slučaju, ili supstrat ili inhibitor stupaju u interakciju sa enzimom, formirajući komplekse enzim-supstrat (ES) ili enzim-inhibitor (EI). Kada se formira kompleks enzim-inhibitor (EI), ne formira se proizvod reakcije (slika 2.19).

Rice. 2.19. Shema kompetitivne inhibicije enzimske aktivnosti

Za kompetitivni tip inhibicije važe sljedeće jednačine:

E+S↔ES →E+P; E+I↔ E.I.

Posebnost kompetitivne inhibicije je mogućnost njenog slabljenja s povećanjem koncentracije supstrata, budući da reverzibilni inhibitor ne mijenja strukturu enzima. Stoga se pri visokim koncentracijama supstrata brzina reakcije ne razlikuje od one u odsustvu inhibitora, tj. kompetitivni inhibitor ne mijenja Vmax, ali povećava Km.

Klasičan primjer kompetitivne inhibicije je inhibicija reakcije sukcinat dehidrogenaze malonskom kiselinom (slika 2.20). Malonat je strukturni analog sukcinata (prisustvo dvije karboksilne grupe) i također može stupiti u interakciju s aktivnim mjestom sukcinat dehidrogenaze. Međutim, prijenos dva atoma vodika na protetsku grupu FAD iz malonske kiseline nije moguć i, stoga, brzina reakcije je smanjena.

Rice. 2.20. Primjer kompetitivne inhibicije sukcinat dehidrogenaze malonskom kiselinom:

A - sukcinat se vezuje za aktivni centar enzima sukcinat dehidrogenaze zbog jonskih veza; B - tokom enzimske reakcije, dva atoma vodika se uklanjaju iz sukcinata i dodaju koenzimu FAD. Kao rezultat, nastaje fumarat, koji se uklanja iz aktivnog mjesta sukcinat dehidrogenaze; B - malonat je strukturni analog sukcinata; takođe se vezuje za aktivno mesto sukcinat dehidrogenaze, ali hemijska reakcija ne dolazi

4. Mnogi lijekovi ispoljavaju svoje terapeutsko djelovanje putem mehanizma kompetitivne inhibicije. Na primjer, reakcija hidrolize acetilholina na holin i octenu kiselinu katalizira enzim acetilkolinesteraza (AChE) (slika 2.21) i može biti inhibirana u prisustvu kompetitivnih inhibitora ovog enzima (npr. proserin, endrofonijum itd.) (Sl. 2.22). Kada se dodaju takvi inhibitori, aktivnost acetilkolinesteraze se smanjuje, koncentracija acetilholina (supstrata) se povećava, što je praćeno povećanjem provođenja nervnih impulsa. Kompetitivni inhibitori acetilholin esteraze koriste se u liječenju mišićnih distrofija, kao i za liječenje poremećaja kretanja nakon ozljeda, paralize i poliomijelitisa.

Rice. 2.21. Reakcija hidrolize acetilholina pod utjecajem AChE

Rice. 2.22. Vezivanje kompetitivnih inhibitora na aktivnom mestu AChE

A - dodavanje supstrata (acetilkolina) aktivnom centru enzima.

Strelica pokazuje mjesto hidrolize acetilholina; B - dodavanje kompetitivnog inhibitora proserina aktivnom centru enzima. Nema reakcije; B - vezanje kompetitivnog inhibitora endrofonijuma za aktivni centar enzima. Vezivanje inhibitora na aktivno mjesto AChE sprječava vezivanje acetilholina

Drugi primjer lijekova čiji se mehanizam djelovanja zasniva na kompetitivnoj inhibiciji enzima je primjena peptidnih inhibitora proteolitičkog enzima tripsina za bolesti pankreasa (akutni pankreatitis, nekroza), kao npr. aprotinin, trasilol, contrical. Ovi lijekovi inhibiraju tripsin koji se oslobađa u okolna tkiva i krv i na taj način sprječavaju neželjene autolitičke događaje u bolestima gušterače.

5. U nekim slučajevima, kompetitivni inhibitori, u interakciji sa aktivnim centrom enzima, mogu se koristiti kao pseudosupstrati(antimetaboliti), što dovodi do sinteze proizvoda pogrešne strukture. Rezultirajuće supstance nemaju „potrebnu“ strukturu i stoga nemaju funkcionalnu aktivnost. Ovi lijekovi uključuju sulfonamide.

6. Nekonkurentno Reverzibilna je inhibicija enzimske reakcije u kojoj inhibitor stupa u interakciju s enzimom na mjestu koje nije aktivno mjesto. Nekompetitivni inhibitori nisu strukturni analozi supstrata; dodavanje nekompetitivnog inhibitora enzimu mijenja konformaciju aktivnog centra i smanjuje brzinu enzimske reakcije, tj. smanjuje aktivnost enzima. Primjer nekompetitivnog inhibitora može biti djelovanje jona teških metala, koji stupaju u interakciju sa funkcionalnim grupama molekula enzima, ometajući katalizu.

7. Ireverzibilni inhibitori smanjuju enzimsku aktivnost kao rezultat stvaranja kovalentnih veza s molekulom enzima. Najčešće se modificira aktivni centar enzima. Kao rezultat toga, enzim ne može obavljati svoju katalitičku funkciju.

Upotreba ireverzibilnih inhibitora je od većeg interesa za rasvjetljavanje mehanizma djelovanja enzima. Važne informacije o strukturi aktivnog centra enzima daju spojevi koji blokiraju određene grupe aktivnog centra. Takvi inhibitori se nazivaju specifično. Specifični inhibitori uključuju diizopropil fluorofosfat (DFP). DPP formira kovalentnu vezu sa OH grupom serina, koja je sadržana u aktivnom centru enzima i direktno je uključena u katalizu, stoga je DPP klasifikovan kao specifični ireverzibilni inhibitor “serinskih” enzima (slika 2.23). DPP se koristi za proučavanje strukture aktivnog centra enzima u enzimologiji.

Za razliku od specifičnih inhibitora nespecifičan inhibitori formiraju kovalentne veze sa određenim enzimskim grupama koje se nalaze ne samo u aktivnom centru, već iu bilo kom delu molekula enzima. Na primjer, jod acetat (slika 2.24) stupa u interakciju sa bilo kojom SH grupama proteina. Ova interakcija mijenja konformaciju molekula enzima i, shodno tome, konformaciju aktivnog centra i smanjuje katalitičku aktivnost.

Rice. 2.23. Specifična inhibicija aktivnosti kimotripsina upotrebom DPP-a

Rice. 2.24. Nespecifična inhibicija enzimske aktivnosti jod acetatom.

Nespecifična inhibicija nastaje zbog kovalentne modifikacije cisteinskih SH grupa molekulama jod acetata

8. Primjer lijeka čije je djelovanje povezano s ireverzibilnom inhibicijom enzima je široko korišteni aspirin. Djelovanje ovog protuupalnog nesteroidnog lijeka temelji se na inhibiciji enzima ciklooksigenaze, koji katalizuje stvaranje prostaglandina iz arahidonske kiseline. Kao rezultat, acetilni ostatak aspirina se dodaje slobodnoj terminalnoj OH grupi serina jedne od podjedinica ciklooksigenaze (slika 2.25). Ovo blokira stvaranje prostaglandina (vidi modul 8), koji imaju širok spektar bioloških funkcija, uključujući medijatore upale. Stoga je aspirin klasifikovan kao protuupalni lijek. Inhibirani molekuli enzima se uništavaju, sinteza prostaglandina se obnavlja tek nakon sinteze novih molekula enzima.

Rice. 2.25. Mehanizam inaktivacije ciklooksigenaze korištenjem ireverzibilnog inhibitora - aspirina

TEMA 2.8. REGULACIJA AKTIVNOSTI ENZIMA

1. Sve hemijske reakcije u ćeliji odvijaju se uz učešće enzima. Dakle, da bi se utjecalo na brzinu metaboličkog puta (uzastopna transformacija jedne tvari u drugu), dovoljno je regulirati broj molekula enzima ili njihovu aktivnost. Obično postoje u metaboličkim putevima ključni enzimi zbog čega se reguliše brzina čitavog puta. Ovi enzimi (jedan ili više u metaboličkom putu) se nazivaju regulatorni enzimi. Regulacija brzine enzimskih reakcija vrši se na tri nezavisna nivoa: promjenom broja molekula enzima, dostupnosti supstrata i molekula koenzima i promjenom katalitičke aktivnosti molekula enzima (tabela 2.6).

Tabela 2.5. Metode za regulaciju brzine enzimskih reakcija

Razmotrimo načine za regulaciju brzine enzimskih reakcija promjenom katalitičke aktivnosti molekula enzima.

2. Alosterična regulacija. Alosterični enzimi pozvao enzimi, aktivnost koji može se podesiti korišćenjem efektorske supstance. Efektori uključeni u alosterijsku regulaciju su ćelijski metaboliti koji su često sudionici u samom putu koji regulišu.

Efektor koji uzrokuje redukcija (inhibicija) aktivnost enzima se naziva inhibitor. Efektor koji uzrokuje povećanje (aktivacija) aktivnost enzima se naziva aktivator.

Alosterični enzimi imaju određene strukturne karakteristike:

Obično jesu oligomerni proteini, koji se sastoji od nekoliko protomera;

Have alosterični centar, prostorno udaljen od katalitičkog aktivnog mjesta;

Efektori se nekovalentno vezuju za enzim u alosteričnim (regulatornim) centrima.

Alosterični centri, kao i katalitički, mogu pokazati različitu specifičnost u odnosu na ligande: može biti apsolutna ili grupna. Neki enzimi imaju nekoliko alosteričnih centara, od kojih su neki specifični za aktivatore, a drugi za inhibitore.

Protomer na kojem se nalazi alosterični centar naziva se regulatorni protomer Za razliku od katalitički protomer, sadrži aktivni centar u kojem se odvija hemijska reakcija.

Alosterični enzimi imaju svojstvo kooperativnost: interakcija alosteričkog efektora sa alosteričnim centrom uzrokuje kooperativnu promjenu u konformaciji svih podjedinica, što dovodi do promjene konformacije aktivnog centra i promjene afiniteta enzima za supstrat, što smanjuje ili povećava katalitička aktivnost enzima. Ako je inhibitor vezan za alosterični centar, tada kao rezultat kooperativnih konformacijskih promjena dolazi do promjene konformacije aktivnog centra, što uzrokuje smanjenje afiniteta enzima za supstrat i, shodno tome, smanjenje brzina enzimske reakcije. Suprotno tome, ako je aktivator vezan za alosterični centar, tada se povećava afinitet enzima za supstrat, što uzrokuje povećanje brzine reakcije. Redoslijed događaja pod djelovanjem alosteričnih efektora prikazan je na Sl. 2.26.

Regulacija alosteričnih enzima reverzibilno: odvajanje efektora od regulatorne podjedinice vraća prvobitnu katalitičku aktivnost enzima.

Alosterični enzimi katalizuju ključne reakcije ovog metaboličkog puta.

Alosterični enzimi igraju važnu ulogu u različitim metaboličkim putevima, jer izuzetno brzo reaguju na najmanje promjene u unutrašnjem sastavu ćelije. Brzina metaboličkih procesa ovisi o koncentraciji tvari, koje se koriste i formiraju u datom lancu reakcija. Prekursori mogu biti aktivatori alosteričnih enzima u metaboličkom putu. U isto vrijeme, kada se akumulira krajnji proizvod bilo kojeg metaboličkog puta, on može djelovati kao alosterički inhibitor enzima. Ova metoda regulacije je uobičajena u tijelu i naziva se “negativna povratna informacija”:

Rice. 2.26. Shema strukture i funkcioniranja alosteričnog enzima:

A - djelovanje negativnog efektora (inhibitora). Inhibitor (I) se veže za alosterični centar, što uzrokuje kooperativne konformacijske promjene u molekuli enzima, uključujući i aktivni centar enzima. Smanjuje se afinitet enzima prema supstratu, a kao rezultat, smanjuje se brzina enzimske reakcije; B - djelovanje pozitivnog efektora (aktivatora). Aktivator (A) se veže za alosterični centar, što uzrokuje kooperativne konformacijske promjene. Povećava se afinitet enzima prema supstratu i povećava se brzina enzimske reakcije. Dokazano je reverzibilno djelovanje i inhibitora i aktivatora na aktivnost enzima

Razmotrimo alosterijsku regulaciju procesa katabolizma glukoze, koji se završava formiranjem ATP molekula (slika 2.27). U slučaju da se ATP molekuli u ćeliji ne troše, on je inhibitor alosteričnih enzima ovog metaboličkog puta: fosfofruktokinaze i piruvat kinaze. Istovremeno, intermedijarni metabolit katabolizma glukoze, fruktoza-1,6-bisfosfat, je alosterički aktivator enzima piruvat kinaze. Inhibicija krajnjim produktom metaboličkog puta i aktivacija početnim metabolitima omogućava

Rice. 2.27. Alosterična regulacija procesa katabolizma glukoze.

ATP molekul je alosterički inhibitor enzima metaboličkog puta - fosfofruktokinaze i piruvat kinaze. Molekula fruktoze-1,6-bisfosfata je alosterični aktivator enzima piruvat kinaze

regulišu brzinu metaboličkog puta. Alosterični enzimi kataliziraju, po pravilu, početne reakcije metaboličkog puta, ireverzibilne reakcije, reakcije ograničavanja brzine (najsporije) ili reakcije na tački grananja metaboličkog puta.

3. Regulacija interakcijama protein-protein. Neki enzimi mijenjaju svoju aktivnost kao rezultat interakcije protein-protein. Najmanje dva mehanizma za promjenu aktivnosti enzima na ovaj način mogu se razlikovati: aktivacija enzima kao rezultat dodavanja proteina aktivatora (aktivacija enzima adenilat ciklaze pomoću α-podjedinice G proteina, vidi modul 4) i promjene u katalitičkoj aktivnosti kao rezultat asocijacije i disocijacije protomera.

Kao primjer regulacije katalitičke aktivnosti enzima asocijacijom ili disocijacijom protomera možemo uzeti u obzir regulaciju enzima protein kinaze A.

Protein kinaza A(cAMP zavisan) sastoji se od četiri podjedinice dva tipa: dvije regulatorne (R) i dvije katalitičke (C). Ovaj tetramer nema katalitičku aktivnost. Regulatorne podjedinice imaju vezna mjesta za ciklički 3",5"-AMP (cAMP) (dva za svaku podjedinicu). Vezanje četiri cAMP molekula na dvije regulatorne podjedinice dovodi do promjene u konformaciji regulatornih protomera i do disocijacije tetramernog kompleksa; ovo oslobađa dvije aktivne katalitičke podjedinice (slika 2.28). Aktivna protein kinaza A katalizira prijenos ostatka fosforne kiseline sa ATP-a na specifične OH grupe aminokiselinskih ostataka proteina (tj. uzrokuje fosforilaciju proteina).

Rice. 2.28. Regulacija aktivnosti protein kinaze A (PKA) interakcijama protein-protein.

PKA aktiviraju četiri cAMP molekula, koji se vezuju za dvije regulatorne podjedinice, što dovodi do promjene konformacije regulatornih protomera i disocijacije tetramernog kompleksa. Ovo oslobađa dvije aktivne katalitičke podjedinice koje mogu uzrokovati fosforilaciju proteina

Cepanje cAMP molekula od regulatornih podjedinica dovodi do povezivanja regulatorne i katalitičke podjedinice proten kinaze A sa formiranjem neaktivnog kompleksa.

4. Regulacija katalitičke aktivnosti enzima fosforilacijom-defosforilacijom. U biološkim sistemima često se susreće mehanizam za regulaciju aktivnosti enzima pomoću njihove kovalentne modifikacije. Brza i rasprostranjena metoda hemijske modifikacije enzima je njihova fosforilacija-defosforilacija.

OH grupe enzima prolaze kroz fosforilaciju, koju provode enzimi protein kinaze(fosforilacija) i fosfoprotein fosfataze(defosforilacija). Dodatak ostatka fosforne kiseline dovodi do promjene konformacije aktivnog centra i njegove katalitičke aktivnosti. U ovom slučaju rezultat može biti dvostruk: neki enzimi se aktiviraju tokom fosforilacije, dok drugi, naprotiv, postaju manje aktivni (slika 2.29). Aktivnost protein kinaza i fosfoprotein fosfataza regulirana je hormonima, što omogućava da aktivnost ključnih enzima u metaboličkim putevima brzo varira ovisno o uvjetima okoline.

Rice. 2.29. Shema regulacije aktivnosti enzima fosforilacijom-defosforilacijom.

Fosforilacija enzima se odvija uz pomoć enzima protein kinaze. Donator ostatka fosforne kiseline je ATP molekul. Fosforilacija enzima mijenja njegovu konformaciju i konformaciju aktivnog mjesta, što mijenja afinitet enzima prema supstratu. U ovom slučaju, neki enzimi se aktiviraju tokom fosforilacije, dok su drugi inhibirani. Obrnuti proces - defosforilacija - uzrokovan je enzimima fosfoprotein fosfatazama, koji odcjepljuju ostatke fosforne kiseline od enzima i vraćaju enzim u prvobitno stanje.

5. Regulacija katalitičke aktivnosti enzima parcijalnom (ograničenom) proteolizom. Neki enzimi koji funkcioniraju izvan stanica (u gastrointestinalnom traktu ili krvnoj plazmi) sintetiziraju se kao neaktivni prekursori i aktiviraju se samo kao rezultat hidrolize jedne ili više specifičnih peptidnih veza, što dovodi do eliminacije dijela molekula. U preostalom dijelu proteinske molekule dolazi do konformacijskog preuređivanja i formira se aktivni centar enzima (slika 2.30). Djelomična proteoliza je primjer regulacije kada se aktivnost enzima promijeni

Rice. 2.30. Aktivacija pepsina parcijalnom proteolizom.

Kao rezultat hidrolize jedne ili više peptidnih veza pepsinogena (neaktivna molekula), dio molekule se odvaja i formira se aktivni centar enzima pepsina.

nepovratan. Takvi enzimi obično funkcioniraju kratko vrijeme, određeno životnim vijekom proteinske molekule. Djelomična proteoliza je u osnovi aktivacije digestivnih proteolitičkih enzima (pepsin, tripsin, himotripsin, elastaza), peptidnih hormona (insulin), proteina sistema zgrušavanja krvi i niza drugih proteina.

TEMA 2.9. PRIMENA ENZIMA U MEDICINI

1. Enzimi se široko koriste u medicinskoj praksi kao dijagnostički (enzimodijagnostika) i terapeutski (enzimska terapija) sredstva. Enzimi se takođe koriste kao specifičnih reagensa

kako bi se odredio broj metabolita. Na primjer, enzim glukoza oksidaza se koristi za kvantitativno određivanje glukoze u urinu i krvi; enzim ureaza se koristi za procjenu sadržaja uree u biološkim tekućinama; uz pomoć različitih dehidrogenaza, otkriva se prisustvo odgovarajućih supstrata, na primjer, piruvata, laktata, etil alkohola itd.

2. Enzimodijagnostika sastoji se od dijagnosticiranja bolesti (ili sindroma) na osnovu određivanja aktivnosti enzima u ljudskim biološkim tekućinama.

Principi enzimske dijagnostike zasnivaju se na sljedećim principima:

Normalno, krvni serum sadrži enzime koji obavljaju specijalizirane funkcije, na primjer, one koji su uključeni u sistem koagulacije krvi. Ćelijski enzimi praktički ne prodiru iz netaknutih stanica u krv. U minimalnim količinama, neki stanični enzimi se mogu otkriti u krvi;

At oštećenja stanične membrane (upala, nekroza) u krvi ili drugim biološkim tekućinama (na primjer, urinu), povećava se broj intracelularnih enzima oštećenih stanica, čija se aktivnost može zabilježiti posebnim biokemijskim testovima;

Za enzimsku dijagnostiku koriste se enzimi koji imaju dominantnu ili apsolutnu lokalizaciju u određenim organima. (specifičnost organa);

Količina oslobođenog enzima treba da bude proporcionalna stepenu oštećenja tkiva i dovoljna da odredi njegovu aktivnost;

Aktivnost enzima u biološkim tečnostima otkrivena kada su ćelije oštećene razlikuje se od normalnih vrednosti i stabilna je dosta dugo (dani);

Pojava u krvnoj plazmi enzima koji imaju samo citosolnu lokalizaciju ukazuje na upalni proces; ako se otkriju mitohondrijski ili nuklearni enzimi, možemo govoriti o dubljim oštećenjima stanica, kao što je nekroza.

Zovu se enzimi koji kataliziraju istu kemijsku reakciju, ali s različitim primarnim proteinskim strukturama izozimi. Oni se međusobno razlikuju po kinetičkim parametrima, uslovima aktivacije i karakteristikama veze između apoenzima i koenzima. Priroda izgleda izoenzima je raznolika, ali najčešće zbog razlika u strukturi gena koji kodiraju ove izoenzime ili njihove podjedinice. Metode za određivanje izoenzima zasnovane su na razlikama u fizičko-hemijskim svojstvima. Izoenzimi su često specifičan za organ, budući da svako tkivo sadrži pretežno jednu vrstu izoenzima. Posljedično, kada je organ oštećen, u krvi se pojavljuje odgovarajući oblik izoenzima. Detekcija određenih izoenzimskih oblika enzima omogućava njihovu upotrebu u dijagnostici bolesti.

Na primjer, enzim laktat dehidrogenaza (LDH) katalizira reverzibilnu reakciju oksidacije laktata (mliječne kiseline) u piruvat (pirogrožđanu kiselinu) (slika 2.31). Laktat dehidrogenaza je oligomerni protein sa mol. težak 134.000, koji se sastoji od četiri podjedinice dva tipa - M (od engleskog mišića - mišić) i H (od engleskog heart - srce). Kombinacija ovih podjedinica je u osnovi formiranja pet izoforma laktat dehidrogenaze (slika 2.32, A). LDH 1 i LDH 2 su najaktivniji u srčanom mišiću i bubrezima, LDH 4 i LDH 5 - u skeletnim mišićima i jetri. Druga tkiva sadrže druge varijante ovog enzima. Izoforme LDH se međusobno razlikuju po elektroforetskoj pokretljivosti, što omogućava utvrđivanje tkivnog identiteta LDH izoforma (slika 2.32, B). Za dijagnosticiranje bolesti srca, jetre i mišića potrebno je elektroforezom proučavati izoforme LDH u krvnoj plazmi. Na sl. 2.32, B prikazuje elektroferograme

Rice. 2.31. Reakcija katalizirana laktat dehidrogenazom (LDH)

Rice. 2.32. Izoforme laktat dehidrogenaze:

A - struktura različitih LDH izoformi; B - distribucije na elektroferogramu i relativne količine LDH izoformi u različitim organima; B - sadržaj LDH izoformi u krvnoj plazmi u normalnim uslovima i u patologiji (elektroferogram - lijevo i fotometrijsko skeniranje - desno)

krvna plazma zdrave osobe, bolesnika sa infarktom miokarda i bolesnika sa hepatitisom. Detekcija tkivno specifičnih LDH izoforma u krvnoj plazmi se široko koristi kao dijagnostički test.

Drugi primjer je kreatin kinaza. kreatin kinaza (CK) koji katalizuje reakciju stvaranja kreatin fosfata (slika 2.33). Molekul KK je dimer koji se sastoji od dvije vrste podjedinica M (od engleskog mišića - mišić) i B (od engleskog mozga - mozak). Ove podjedinice formiraju tri izoenzima: BB, MB, MM. BB izoenzim se nalazi prvenstveno u mozgu, MM u skeletnim mišićima, a MV u srčanom mišiću. KK izoforme imaju različite elektroforetske pokretljivosti (slika 2.34). Određivanje aktivnosti CK u krvnoj plazmi važno je u dijagnozi infarkta miokarda (dolazi do povećanja nivoa MB izoforme). Količina MM izoforme može se povećati tokom traume i oštećenja skeletnih mišića. BB izoforma ne može prodrijeti kroz krvno-moždanu barijeru, stoga se praktički ne može detektirati u krvi čak i za vrijeme moždanog udara i nema dijagnostičku vrijednost.

Rice. 2.33. Reakcija koju katalizira enzim kreatin kinaza (CK)

Rice. 2.34. Struktura i elektroforetska pokretljivost različitih izoformi kreatin kinaze

Enzimodijagnostika koristi se za postavljanje dijagnoze za bolesti različitih organa. Skup analiza ovisi o mogućnostima određene biohemijske laboratorije i stalno se usavršava. Najčešći dijagnostički testovi enzima su:

Za bolesti srca (infarkt miokarda) - laktat dehidrogenaza, kreatin kinaza, aspartat aminotransferaza, alanin aminotransferaza. Jedan od prvih proteina koji se pojavljuje u krvi tokom infarkta miokarda je troponin;

Za bolesti jetre - alanin aminotransferaza, aspartat aminotransferaza, acetilkolinesteraza, gama-glutamil transpeptidaza. Za bolesti pankreasa - amilaza pankreasa, lipaza;

Za bolesti prostate - kisela fosfataza.

3. Upotreba enzima kao lijekova aktivno se razvijaju u sljedećim pravcima:

Nadomjesna terapija - korištenje enzima u slučaju njihovog nedostatka;

Elementi kompleksne terapije - korištenje enzima u kombinaciji s drugom terapijom.

Enzimska supstituciona terapija je efikasna kod gastrointestinalnih bolesti povezanih sa nedovoljnim lučenjem probavnih sokova. Na primjer, pepsin se koristi za gastritis sa smanjenom sekretornom funkcijom. Nedostatak enzima pankreasa može se u velikoj mjeri nadoknaditi i oralnim uzimanjem lijekova koji sadrže glavne enzime gušterače (festal, enzistal, mesimforte itd.).

Enzimi se koriste kao dodatna terapijska sredstva za niz bolesti. Proteolitički enzimi (tripsin, kimotripsin) se lokalno koriste za liječenje gnojnih rana u cilju razgradnje proteina mrtvih stanica, uklanjanja krvnih ugrušaka ili viskoznog sekreta kod upalnih bolesti respiratornog trakta. Enzimski preparati ribonukleaza i deoksiribonukleaza koriste se kao antivirusni lijekovi u liječenju adenovirusnog konjunktivitisa i herpetičnog keratitisa.

Enzimski preparati su se široko koristili kod tromboze i tromboembolije za uništavanje krvnog ugruška. U tu svrhu koriste se preparati fibrinolizina, streptoliaze, streptodekaze i urokinaze.

Enzim hijaluronidaza (lidaza), koji katalizuje razgradnju hijaluronske kiseline, koristi se supkutano i intramuskularno za uklanjanje adhezija i ožiljaka nakon opekotina i operacija.

Enzim asparaginaza (uništava aminokiselinu Asn u krvi) koristi se za rak krvi, ograničavajući protok amino kiseline Asn u tumorske ćelije. Ćelije leukemije nisu sposobne samostalno sintetizirati ovu aminokiselinu, pa smanjenje njenog sadržaja u krvi otežava rast ovih stanica.

TEMA 2.10. ENZIMOPATIJE

Osnova mnogih bolesti je poremećaj funkcionisanja enzima u ćeliji – tzv. enzimopatije. Postoje primarne (nasljedne) i sekundarne (stečene) enzimopatije. Čini se da se stečene enzimopatije, kao i proteinopatije općenito, javljaju kod svih bolesti.

Kod primarnih enzimopatija, defektni enzimi se nasljeđuju uglavnom na recesivni autozomni način. U ovom slučaju, metabolički put koji sadrži defektni enzim je poremećen (slika 2.35). Razvoj bolesti u ovom slučaju može se dogoditi prema jednom od "scenarija":

Poremećeno je stvaranje konačnih proizvoda, što uzrokuje nedostatak određenih tvari (na primjer, kod albinizma, pigment se ne proizvodi u stanicama kože);

Akumuliraju se supstrati prekursora koji imaju toksični učinak na tijelo (na primjer, kod alkaptonurije se akumulira intermedijarni metabolit - homogenezna kiselina, koja se taloži u zglobovima, izazivajući upalne procese u njima).

Rice. 2.35. Metabolički put sa enzim E3 enzimopatijom

ZADACI ZA VANNASTAVNI RAD

Riješiti probleme

1. U ćelijama masnog tkiva dolazi do prebacivanja metaboličkih procesa iz anaboličkih u kataboličke u zavisnosti od ritma ishrane. Hormoni koji regulišu aktivnost ključnih enzima fosforilacijom-defosforilacijom igraju važnu ulogu u regulaciji ovog prekidača. Dopunite šemu za regulaciju aktivnosti ključnog enzima za razgradnju masti (slika 2.36), ako je poznato da je ovaj enzim (TAG lipaza) aktivan u fosforilisanom obliku, a neaktivan u defosforilisanom obliku. Da odgovorim na pitanje:

a) prepisati dijagram u svesku i naznačiti nazive enzima koji izazivaju fosforilaciju i defosforilaciju proteina (u pravougaonike upiši njihova imena);

b) navedite klasu ovih enzima;

c) zapišite dodatne supstrate i proizvode koji su uključeni u ove reakcije (upišite njihove nazive u kvadratiće);

d) izvući zaključak o ulozi hormona u regulaciji ćelijskog metabolizma.

Rice. 2.36. Regulacija aktivnosti TAG lipaze

2. Asparaginaza, koja katalizuje reakciju katabolizma asparagina, našla je primjenu u liječenju leukemije. Preduslov za antileukemijsko dejstvo asparaginaze bila je činjenica da je u ćelijama leukemije identifikovan defektni enzim za sintezu asparagina, asparagin sintetaza. Obrazložite terapijski učinak asparaginaze. Odgovoriti:

a) napišite reakcije koje kataliziraju enzimi asparagin sintetaza (odjeljak 7) i asparaginaza;

b) naznačiti klase kojima ovi enzimi pripadaju;

c) izvući zaključak o koncentraciji Asn u tumorskim ćelijama pri upotrebi asparaginaze;

d) objasni zašto upotreba asparaginaze smanjuje brzinu rasta tumorskog tkiva.

3. Prenesite ga u svoju bilježnicu i popunite tabelu. 2.7 o upotrebi enzima u medicini koristeći materijal iz ovog priručnika, udžbenik.

4. Prenesite ga u svoju bilježnicu i popunite tabelu. 2.8 o lijekovima - inhibitorima enzima, korištenjem tekućeg odjeljka, udžbenika, dodatne literature.

Tabela 2.7. Lijekovi - inhibitori enzima

ZADACI SAMOKONTROLE

1. Izaberi tačan odgovor.

Kompetitivni inhibitori:

A. Formiraju kovalentne veze sa aktivnim centrom enzima B. Interaguju sa alosteričnim centrom

B. Interaguju sa aktivnim mestom enzima, formirajući slabe veze

D. Smanjenje K w D. Smanjenje V max

2. Izaberi tačan odgovor. Ireverzibilni inhibitori:

A. Oni su strukturni analozi supstrata B. Oni formiraju kovalentne veze sa enzimom

B. Formiraju slabe veze sa enzimom

D. Interakcija sa regulatornim centrom

D. Smanjite njihov učinak povećanjem koncentracije supstrata

3. Odaberite tačne odgovore. Alosterični enzimi su općenito:

O. To su proteini sa tercijarnom strukturom

B. Sastoji se od nekoliko protomera C. Nepovratno inhibirano

D. Imaju aktivne i alosterične centre smještene na različitim protomerima

D. Regulisan metabolitima ovog procesa

4. Odaberite tačne odgovore.

Kada se enzimi reguliraju djelomičnom proteolizom, događa se sljedeće:

A. Skraćivanje proteinskog peptidnog lanca

B. Promjene u sekundarnoj i tercijarnoj strukturi enzima

B. Nepovratna aktivacija

D. Nepovratna inhibicija

D. Formiranje aktivnog centra

5. Izaberi tačan odgovor.

Regulaciju aktivnosti enzima putem proteinsko-proteinskih interakcija prati:

A. Nepovratna inhibicija

B. Spajanje ili odvajanje regulatornih proteinskih podjedinica

B. Vezanje efektorske molekule za alosterični centar D. Fosforilacija enzima

D. Defosforilacija enzima

6. Odaberite tačne odgovore. Enzimodijagnostika se zasniva na:

A. Oslobađanje enzima u krv tokom oštećenja tkiva B. Specifičnost organa

B. Visoka stabilnost enzima

D. Prevlast određenih izoenzima u različitim tkivima D. Niska aktivnost ili potpuno odsustvo aktivnosti dijagnostički značajnih enzima u krvi je normalno

7. Match.

Koristi se za dijagnostiku bolesti:

B. Prostata

B. Pankreas D. Bubreg

D. Hearts enzim:

1. Kreatin kinaza

2. Amilaza

3. Kisela fosfataza

8. Dovršite zadatak "lanac":

a) jedan od enzima utvrđenih tokom enzimske dijagnoze infarkta miokarda je:

A. Kisela fosfataza B. Laktat dehidrogenaza

B. Amylaze

b) ovaj enzim pripada klasi enzima:

A. Hidrolaza B. Ligaza

B. Oksidoreduktaza

V) jedan od koenzima ove klase enzima je:

A. Piridoksal fosfat B. Biotin

G) Vitamin koji je prekursor ovog koenzima je:

A. Nikotinska kiselina B. Piridoksin

9. Dovršite zadatak "lanac":

A) Nakon trovanja organskim fluorofosfatima, osoba doživljava:

A. Dilatacija zenice

B. Povećana kontrakcija glatkih mišića

B. Opuštanje glatkih mišića

b) Razlog za ovaj efekat je:

A. Poremećaj funkcionisanja Na+, E+-ATPaze B. Povećana količina acetilholina

B. Smanjenje količine acetilholina

V) To je zbog činjenice da fluorofosfati:

A. Oni su kompetitivni inhibitor acetilholinesteraze (AChE)

B. Formirajte kovalentne veze sa AChE

B. Remetiti sintezu acetilholina

G) Ova metoda inhibicije naziva se:

A. Nepovratan B. Reverzibilan

B. Konkurentno

d) slična metoda inhibicije se primjećuje kada se koristi:

A. Trasilol B. Aspirin

B. Proserina

STANDARDI ODGOVORA NA “ZADAKE SAMOKONTROLE”

3. B, G, D

4. A, B, C, D

6. A, B, D, D

7. 1-D, 2-B, 3-B

8. a) B, b) C, c) C, d) A

9. a) B, b) B, c) B, d) A, e) B

OSNOVNI POJMOVI I POJMOVI

1. Metabolički put

2. Inhibicija enzima

3. Aktivacija enzima

4. Reverzibilna inhibicija

5. Nepovratna inhibicija

6. Konkurentska inhibicija

7. Alosterična regulacija

8. Alosterični efektori

9. Ključni enzimi

10. Regulacija forsforilacijom - defosforilacijom

11. Regulacija interakcijama protein-protein

12. Djelomična proteoliza

13. Izoenzimi

14. Enzimopatija

15. Enzimodijagnostika

ZADACI ZA RAD U UČIONICI

Riješiti probleme

1. U ljudskim stanicama, metabolički put za sintezu purinskih nukleotida neophodnih za sintezu nukleinskih kiselina počinje molekulom riboza-5-fosfata. Tokom procesa sinteze, u određenoj fazi, ovaj proces se grana i završava formiranjem dva purinska nukleotida – AMP i GMP (slika 2.37). Da bi se formirali ekvimolarni omjeri ovih nukleotida u ćeliji, postoji višestepena regulacija nekoliko ključnih enzima pomoću mehanizma negativne povratne sprege. Dakle, s viškom formiranja AMP usporava se stvaranje adenilosukcinata, a s viškom GMP usporava stvaranje ksantozin monofosfata. U isto vrijeme, ako se oba ova nukleotida ne potroše, usporava se formiranje fosforibozil difosfata. Pogodite koji enzimi metaboličkog puta za sintezu purinskih nukleotida su regulatorni. Odgovoriti:

a) dati definicije: “metabolički put” i “ključni enzimi metaboličkog puta”;

b) pogodite koji od enzima prikazanih na sl. 2.37 su regulatorni;

c) naznačiti mehanizam regulacije ovih enzima, njihovu lokalizaciju u metaboličkom putu i strukturne karakteristike;

d) navedite koja jedinjenja i za koje enzime su efektori;

e) opravdati koncept regulacije „mehanizmom negativne povratne informacije“.

Rice. 2.37. Shema formiranja purinskih nukleotida u ćeliji

2. Godine 1935. njemački doktor G. Domagk otkrio je antimikrobno djelovanje protonzila (crvenog streptocida), sintetiziranog kao boja. Ubrzo je ustanovljeno da je aktivni princip crvenog streptocida sulfonamid (streptocid) nastao tokom njegovog metabolizma, koji je bio predak velike grupe sulfonamidnih lijekova (slika 2.38).

Rice. 2.38. Struktura folne kiseline i opća formula sulfonamida

Bakteriostatski učinak sulfonamida je da zamjenjuju paraaminobenzojevu kiselinu (PABA) u aktivnom centru enzima dihidropteorat sintaze tokom sinteze folne kiseline od strane bakterija, koja je neophodna za stvaranje nukleinskih kiselina; kao rezultat, rast i razvoj mikroorganizama je poremećen. Folna kiselina se ne sintetiše u ljudskom organizmu, već se isporučuje hranom kao vitamin.

Objasnite mehanizam antibakterijskog djelovanja sulfonamida; da biste to učinili, odgovorite na pitanja:

a) kako se zove ova vrsta inhibicije (uporedi strukture sulfonamida i PABA)? Kako takvi inhibitori utiču na Kt i Vmax

c) zašto se udarna doza sulfonamida obično propisuje odmah tokom liječenja?

d) hoće li sulfonamidi utjecati na stvaranje nukleinskih kiselina u ljudskim stanicama? Objasnite svoj odgovor.

3. Psihijatru su se obratila 2 pacijenta koji boluju od depresivnih poremećaja. Poznato je da je uzrok depresije kod ljudi u nekim slučajevima nedostatak neurotransmitera u sinaptičkom pukotinu. Također u mozgu postoje enzimi grupe monoamin oksidaza (MAO) koji uništavaju neurotransmitere koji se oslobađaju u sinaptičkom pukotinu. Prvom pacijentu je propisan pirlindol, koji je strukturni analog medijatora serotonina. Drugi je nialamid, koji je sposoban da se kovalentno veže za aktivno mesto MAO. Objasnite mehanizme djelovanja ovih lijekova i naznačite koji pacijent će najvjerojatnije brže reagirati na lijek. Odgovoriti:

a) okarakterizirati učinak ovih lijekova na MAO, ukazati na razliku u

mehanizmi interakcije sa ovim enzimom;

b) dati šemu za inhibiciju MAO pirlindolom i nialamidom;

c) na osnovu mehanizma inhibicije ovih lijekova objasniti

koji će imati dugotrajniji efekat na organizam i zašto.

4. U posljednje vrijeme došlo je do povećanja upotrebe metanola za proizvodnju tehničkih tekućina koje se koriste u proizvodima za njegu vozila, uključujući proizvode za pranje vjetrobrana. Glavna opasnost od metil alkohola, ili metanola, je njegova upotreba kao surogat alkohola, što dovodi do smrti. Tako, prema podacima Naučno-praktičnog toksikološkog centra Roszdrava, udio pacijenata otrovanih metanolom kreće se od 0,1 do 0,5% svih hospitaliziranih pacijenata. Objasnite uzrok toksičnosti metanola i kako se liječiti ako je poznato da metanol inhibira aktivnost enzima acetaldehid dehidrogenaze, koji je uključen u katabolizam etanola, što uzrokuje nakupljanje acetaldehida. Da odgovorim na pitanje:

a) napišite reakcije oksidacije etanola, uzimajući u obzir da dolazi do oksidacije

ide u dvije faze s formiranjem međuspoja - acetaldehida; konačni proizvod je octena kiselina; koenzim obe reakcije je NAD+;

b) napišite strukturnu formulu metanola i naznačite mehanizam inhibicije aktivnosti enzima;

c) predložiti način liječenja u slučajevima trovanja metanolom.

5. Nekada su italijanske dame kapale sok od beladone u oči, zbog čega su se zjenice proširile, a oči dobile poseban sjaj. Sada je poznato da sličan efekat izaziva alkaloid atropin, sadržan u mnogim biljkama: beladoni, kokošinji, daturi. Objasnite mehanizam djelovanja atropina. Za ovo:

a) navedite receptore koje atropin inhibira (vidi modul 1), navedite vrste receptora i redoslijed događaja kada atropin dospije u oči;

b) odgovori gde se atropin i lekovi sa sličnim dejstvom koriste u medicini;

c) naznačiti koje mjere se mogu preduzeti u slučaju predoziranja atropinom? Objasnite moguće načine povećanja koncentracije acetilholina i objasnite potrebu za ovim djelovanjem.

6. Upotreba velikih doza kofein izaziva simptome kod ljudi slične efektima adrenalina: ubrzan rad srca; proširenje bronha, uzbuđenje, promjene u metabolizmu u tkivima koja talože nosioce energije. Objasnite mehanizam djelovanja kofeina, imajući na umu da je kompetitivni inhibitor enzima fosfodiesteraze (PDE), odgovornog za razgradnju cAMP:

Da odgovorite na ovo pitanje:

a) odgovor, koncentracija koje supstance će se povećati u ćeliji pod uticajem kofeina;

b) objasni mehanizam regulatornog dejstva cAMP u ćeliji; shematski prikazati strukturu enzima, koji se aktivira zbog povećanja koncentracije cAMP u stanici;

c) navedite koji će se procesi u ćeliji aktivirati kao rezultat upotrebe kofeina? Napišite dijagram ovih reakcija;

d) zapamtite da se sličan mehanizam djelovanja primjećuje i kod lijekova koji poboljšavaju reološka svojstva krvi (npr. trental), kao i lijekovi koji se koriste za opuštanje bronha i ublažavanje bronhospazma (npr. teofilin).

7. Pacijent L. je primljen u bolnicu sa sumnjom na infarkt miokarda. Prema riječima pacijenta, 5 sati prije dolaska ljekara osjetio je kratak dah. Doktor je posumnjao na infarkt miokarda i hospitalizirao pacijenta. U bolnici je tokom nekoliko dana rađen biohemijski test krvi kako bi se potvrdila dijagnoza. Rezultati analiza prikazani su u tabeli. 2.9. Da li dobijeni podaci potvrđuju dijagnozu ljekara? Odgovoriti:

Tri tipa mehanizama su uključeni u regulaciju metaboličkih puteva. Prvi od njih, koji najbrže reagira na svaku promjenu situacije, povezan je s djelovanjem alosteričnih enzima (sl. 13-15), čija se katalitička aktivnost može promijeniti pod utjecajem posebnih supstanci koje imaju stimulativno ili inhibitorni efekat (oni se nazivaju efektori ili modulatori; dio 9.18).

Po pravilu, alosterični enzimi zauzimaju mjesto na početku ili blizu početka date multienzimske sekvence i kataliziraju onu fazu koja ograničava brzinu cijelog procesa u cjelini; Obično ulogu takve faze igra praktički nepovratna reakcija.

Rice. 13-15. Regulacija kataboličkog puta putem povratne sprege, tj. zbog inhibicije alosteričnog enzima krajnjim produktom ovog procesa. Slova J, K, L itd. označavaju međuprodukte ovog metaboličkog puta, a slova E1, E2, E3 itd. označavaju enzime koji kataliziraju pojedine faze. Prvi korak katalizira alosterični enzim (ED) koji je inhibiran krajnjim proizvodom ove sekvence reakcije. Alosterična inhibicija je označena izlomljenom crvenom strelicom koja povezuje inhibitorni metabolit sa reakcijom koju katalizira alosterični enzim. Regulisani korak (katalizovana enzimom EJ je obično gotovo ireverzibilna reakcija u ćelijskim uslovima.

U kataboličkim procesima praćenim sintezom ATP-a iz ADP-a, ovaj konačni proizvod, ATP, često djeluje kao alosterički inhibitor jedne od ranih faza katabolizma. Alosterični inhibitor jedne od ranih faza anabolizma često je konačni proizvod biosinteze, na primjer, neke aminokiseline (Odjeljak 9.18). Aktivnost nekih alosteričnih enzima stimuliraju specifični pozitivni modulatori. Alosterični enzim koji reguliše jednu od sekvenci kataboličke reakcije može, na primjer, biti podložan stimulativnom utjecaju pozitivnih modulatora, ADP ili AMP, i inhibitornom efektu negativnog modulatora, ATP. Postoje i slučajevi kada alosterični enzim metaboličkog puta reagira na specifičan način na međuprodukte ili finalne produkte drugih metaboličkih puteva. Zahvaljujući tome, moguće je koordinirati brzinu djelovanja različitih enzimskih sistema.

Druga vrsta mehanizama koji regulišu metabolizam u višim organizmima je hormonska regulacija (sl. 13-16). Hormoni su posebne hemijske supstance (hemijski „glasnici“) koje proizvode različite endokrine žlezde i oslobađaju se direktno u krv; oni se krvlju transportuju u druga tkiva ili organe i ovdje stimuliraju ili inhibiraju određene vrste metaboličke aktivnosti. Hormon epinefrin, na primjer, luči srž nadbubrežne žlijezde, a krv ga prenosi do jetre, gdje stimulira razgradnju glikogena u glukozu, što uzrokuje povećanje razine šećera u krvi. Osim toga, adrenalin stimulira razgradnju glikogena u skeletnim mišićima; ovaj proces dovodi do stvaranja laktata i skladištenja energije u obliku ATP-a. Epinefrin proizvodi ove efekte vezivanjem za specifična receptorska mjesta na površini mišićnih ćelija ili ćelija jetre.

Vezivanje adrenalina služi kao signal; ovaj signal se prenosi na unutrašnje dijelove ćelije i ovdje uzrokuje kovalentnu modifikaciju, pod utjecajem koje glikogen fosforilaza (prvi enzim u sistemu koji katalizuje pretvaranje glikogena u glukozu i druge produkte; odjeljak 9.22) prelazi iz manje aktivni oblik u aktivniji (sl. 13-16).

Treći tip mehanizama koji reguliraju metabolizam povezan je s promjenama koncentracije ovog enzima u ćeliji. Koncentracija bilo kojeg enzima u bilo kojem trenutku određena je omjerom brzina njegove sinteze i raspada. Brzina sinteze nekih enzima naglo raste pod određenim uslovima; Shodno tome, koncentracija ovog enzima u ćeliji se povećava. Ako, na primjer, životinja prima hranu bogatu ugljikohidratima, ali siromašnu proteinima, tada njena jetra sadrži izuzetno niske razine enzima koji u normalnim uvjetima kataliziraju razgradnju aminokiselina do acetil-CoA. Budući da ovi enzimi praktički nisu potrebni uz takvu ishranu, oni se ne proizvode u velikim količinama. Vrijedi, međutim, životinju prebaciti na ishranu bogatu proteinima, a u roku od jednog dana značajno će se povećati sadržaj enzima u njenoj jetri, koji će sada biti potrebni za razgradnju probavljivih aminokiselina.

Rice. 13-16. Hormonska regulacija enzimskih reakcija. Kao rezultat vezivanja hormona adrenalina na specifične receptore koji se nalaze na površini ćelija jetre, nastaje ciklički adenilat uz sudjelovanje enzima vezanog za membranu (adenilat ciklaze). Potonji djeluje kao alosterični aktivator ili intracelularni medijator, pod utjecajem kojeg glikogen fosforilaza prelazi iz neaktivnog oblika u aktivni, što podrazumijeva ubrzanje pretvaranja glikogena jetre u glukozu u krvi. Ovaj metabolički put je detaljno opisan u Pogl. 25.

Rice. 13-17. Indukcija enzima. Visoka intracelularna koncentracija supstrata A može stimulirati biosintezu enzima E1, E2 i E3. Sadržaj ovih enzima u ćeliji se povećava i time stvara mogućnost da se te reakcije ubrzaju, zbog čega se uklanja višak supstrata A. Višak supstrata A stoga služi kao signal za ćelijsko jezgro, prisiljavajući ga da "uključuje" gene koji kontroliraju stvaranje enzima El, E2 i E3. Uključivanje gena znači sintezu odgovarajuće glasničke RNK; ulazi u ribozome i kao rezultat toga u njima se odvija sinteza enzima E1, E2 i E3.

Ćelije jetre, dakle, imaju sposobnost uključivanja ili isključivanja biosinteze specifičnih enzima, ovisno o prirodi hranjivih tvari koje ulaze u njih. Ova pojava se naziva indukcija enzima (sl. 13-17).

1. Sve hemijske reakcije u ćeliji odvijaju se uz učešće enzima. Dakle, da bi se utjecalo na brzinu metaboličkog puta (uzastopna transformacija jedne tvari u drugu), dovoljno je regulirati broj molekula enzima ili njihovu aktivnost. Obično postoje u metaboličkim putevima ključni enzimi zbog čega se reguliše brzina čitavog puta. Ovi enzimi (jedan ili više u metaboličkom putu) se nazivaju regulatorni enzimi. Regulacija brzine enzimskih reakcija vrši se na tri nezavisna nivoa: promjenom broja molekula enzima, dostupnosti supstrata i molekula koenzima i promjenom katalitičke aktivnosti molekula enzima (tabela 2.6).

Tabela 2.5. Metode za regulaciju brzine enzimskih reakcija

Razmotrimo načine za regulaciju brzine enzimskih reakcija promjenom katalitičke aktivnosti molekula enzima.

2. Alosterična regulacija. Alosterični enzimi pozvao enzimi, aktivnost koji može se podesiti korišćenjem efektorske supstance. Efektori uključeni u alosterijsku regulaciju su ćelijski metaboliti koji su često sudionici u samom putu koji regulišu.

Efektor koji uzrokuje redukcija (inhibicija) aktivnost enzima se naziva inhibitor. Efektor koji uzrokuje povećanje (aktivacija) aktivnost enzima se naziva aktivator.

Alosterični enzimi imaju određene strukturne karakteristike:

Obično jesu oligomerni proteini, koji se sastoji od nekoliko protomera;

Have alosterični centar, prostorno udaljen od katalitičkog aktivnog mjesta;

Efektori se nekovalentno vezuju za enzim u alosteričnim (regulatornim) centrima.

Alosterični centri, kao i katalitički, mogu pokazati različitu specifičnost u odnosu na ligande: može biti apsolutna ili grupna. Neki enzimi imaju nekoliko alosteričnih centara, od kojih su neki specifični za aktivatore, a drugi za inhibitore.

Protomer na kojem se nalazi alosterični centar naziva se regulatorni protomer Za razliku od katalitički protomer, sadrži aktivni centar u kojem se odvija hemijska reakcija.

Alosterični enzimi imaju svojstvo kooperativnost: interakcija alosteričkog efektora sa alosteričnim centrom uzrokuje kooperativnu promjenu u konformaciji svih podjedinica, što dovodi do promjene konformacije aktivnog centra i promjene afiniteta enzima za supstrat, što smanjuje ili povećava katalitička aktivnost enzima. Ako je inhibitor vezan za alosterični centar, tada kao rezultat kooperativnih konformacijskih promjena dolazi do promjene konformacije aktivnog centra, što uzrokuje smanjenje afiniteta enzima za supstrat i, shodno tome, smanjenje brzina enzimske reakcije. Suprotno tome, ako je aktivator vezan za alosterični centar, tada se povećava afinitet enzima za supstrat, što uzrokuje povećanje brzine reakcije. Redoslijed događaja pod djelovanjem alosteričnih efektora prikazan je na Sl. 2.26.

Regulacija alosteričnih enzima reverzibilno: odvajanje efektora od regulatorne podjedinice vraća prvobitnu katalitičku aktivnost enzima.

Alosterični enzimi katalizuju ključne reakcije ovog metaboličkog puta.

Alosterični enzimi igraju važnu ulogu u različitim metaboličkim putevima, jer izuzetno brzo reaguju na najmanje promjene u unutrašnjem sastavu ćelije. Brzina metaboličkih procesa ovisi o koncentraciji tvari, koje se koriste i formiraju u datom lancu reakcija. Prekursori mogu biti aktivatori alosteričnih enzima u metaboličkom putu. U isto vrijeme, kada se akumulira krajnji proizvod bilo kojeg metaboličkog puta, on može djelovati kao alosterički inhibitor enzima. Ova metoda regulacije je uobičajena u tijelu i naziva se “negativna povratna informacija”:

Rice. 2.26. Shema strukture i funkcioniranja alosteričnog enzima:

A - djelovanje negativnog efektora (inhibitora). Inhibitor (I) se veže za alosterični centar, što uzrokuje kooperativne konformacijske promjene u molekuli enzima, uključujući i aktivni centar enzima. Smanjuje se afinitet enzima prema supstratu, a kao rezultat, smanjuje se brzina enzimske reakcije; B - djelovanje pozitivnog efektora (aktivatora). Aktivator (A) se veže za alosterični centar, što uzrokuje kooperativne konformacijske promjene. Povećava se afinitet enzima prema supstratu i povećava se brzina enzimske reakcije. Dokazano je reverzibilno djelovanje i inhibitora i aktivatora na aktivnost enzima

Razmotrimo alosterijsku regulaciju procesa katabolizma glukoze, koji se završava formiranjem ATP molekula (slika 2.27). U slučaju da se ATP molekuli u ćeliji ne troše, on je inhibitor alosteričnih enzima ovog metaboličkog puta: fosfofruktokinaze i piruvat kinaze. Istovremeno, intermedijarni metabolit katabolizma glukoze, fruktoza-1,6-bisfosfat, je alosterički aktivator enzima piruvat kinaze. Inhibicija krajnjim produktom metaboličkog puta i aktivacija početnim metabolitima omogućava

Rice. 2.27. Alosterična regulacija procesa katabolizma glukoze.

ATP molekul je alosterički inhibitor enzima metaboličkog puta - fosfofruktokinaze i piruvat kinaze. Molekula fruktoze-1,6-bisfosfata je alosterični aktivator enzima piruvat kinaze

regulišu brzinu metaboličkog puta. Alosterični enzimi kataliziraju, po pravilu, početne reakcije metaboličkog puta, ireverzibilne reakcije, reakcije ograničavanja brzine (najsporije) ili reakcije na tački grananja metaboličkog puta.

3. Regulacija interakcijama protein-protein. Neki enzimi mijenjaju svoju aktivnost kao rezultat interakcije protein-protein. Najmanje dva mehanizma za promjenu aktivnosti enzima na ovaj način mogu se razlikovati: aktivacija enzima kao rezultat dodavanja proteina aktivatora (aktivacija enzima adenilat ciklaze pomoću α-podjedinice G proteina, vidi modul 4) i promjene u katalitičkoj aktivnosti kao rezultat asocijacije i disocijacije protomera.

Kao primjer regulacije katalitičke aktivnosti enzima asocijacijom ili disocijacijom protomera možemo uzeti u obzir regulaciju enzima protein kinaze A.

Protein kinaza A(cAMP zavisan) sastoji se od četiri podjedinice dva tipa: dvije regulatorne (R) i dvije katalitičke (C). Ovaj tetramer nema katalitičku aktivnost. Regulatorne podjedinice imaju vezna mjesta za ciklički 3",5"-AMP (cAMP) (dva za svaku podjedinicu). Vezanje četiri cAMP molekula na dvije regulatorne podjedinice dovodi do promjene u konformaciji regulatornih protomera i do disocijacije tetramernog kompleksa; ovo oslobađa dvije aktivne katalitičke podjedinice (slika 2.28). Aktivna protein kinaza A katalizira prijenos ostatka fosforne kiseline sa ATP-a na specifične OH grupe aminokiselinskih ostataka proteina (tj. uzrokuje fosforilaciju proteina).

Rice. 2.28. Regulacija aktivnosti protein kinaze A (PKA) interakcijama protein-protein.

PKA aktiviraju četiri cAMP molekula, koji se vezuju za dvije regulatorne podjedinice, što dovodi do promjene konformacije regulatornih protomera i disocijacije tetramernog kompleksa. Ovo oslobađa dvije aktivne katalitičke podjedinice koje mogu uzrokovati fosforilaciju proteina

Cepanje cAMP molekula od regulatornih podjedinica dovodi do povezivanja regulatorne i katalitičke podjedinice proten kinaze A sa formiranjem neaktivnog kompleksa.

4. Regulacija katalitičke aktivnosti enzima fosforilacijom-defosforilacijom. U biološkim sistemima često se susreće mehanizam za regulaciju aktivnosti enzima pomoću njihove kovalentne modifikacije. Brza i rasprostranjena metoda hemijske modifikacije enzima je njihova fosforilacija-defosforilacija.

OH grupe enzima prolaze kroz fosforilaciju, koju provode enzimi protein kinaze(fosforilacija) i fosfoprotein fosfataze(defosforilacija). Dodatak ostatka fosforne kiseline dovodi do promjene konformacije aktivnog centra i njegove katalitičke aktivnosti. U ovom slučaju rezultat može biti dvostruk: neki enzimi se aktiviraju tokom fosforilacije, dok drugi, naprotiv, postaju manje aktivni (slika 2.29). Aktivnost protein kinaza i fosfoprotein fosfataza regulirana je hormonima, što omogućava da aktivnost ključnih enzima u metaboličkim putevima brzo varira ovisno o uvjetima okoline.

Rice. 2.29. Shema regulacije aktivnosti enzima fosforilacijom-defosforilacijom.

Fosforilacija enzima se odvija uz pomoć enzima protein kinaze. Donator ostatka fosforne kiseline je ATP molekul. Fosforilacija enzima mijenja njegovu konformaciju i konformaciju aktivnog mjesta, što mijenja afinitet enzima prema supstratu. U ovom slučaju, neki enzimi se aktiviraju tokom fosforilacije, dok su drugi inhibirani. Obrnuti proces - defosforilacija - uzrokovan je enzimima fosfoprotein fosfatazama, koji odcjepljuju ostatke fosforne kiseline od enzima i vraćaju enzim u prvobitno stanje.

5. Regulacija katalitičke aktivnosti enzima parcijalnom (ograničenom) proteolizom. Neki enzimi koji funkcioniraju izvan stanica (u gastrointestinalnom traktu ili krvnoj plazmi) sintetiziraju se kao neaktivni prekursori i aktiviraju se samo kao rezultat hidrolize jedne ili više specifičnih peptidnih veza, što dovodi do eliminacije dijela molekula. U preostalom dijelu proteinske molekule dolazi do konformacijskog preuređivanja i formira se aktivni centar enzima (slika 2.30). Djelomična proteoliza je primjer regulacije kada se aktivnost enzima promijeni

Rice. 2.30. Aktivacija pepsina parcijalnom proteolizom.

Kao rezultat hidrolize jedne ili više peptidnih veza pepsinogena (neaktivna molekula), dio molekule se odvaja i formira se aktivni centar enzima pepsina.

nepovratan. Takvi enzimi obično funkcioniraju kratko vrijeme, određeno životnim vijekom proteinske molekule. Djelomična proteoliza je u osnovi aktivacije digestivnih proteolitičkih enzima (pepsin, tripsin, himotripsin, elastaza), peptidnih hormona (insulin), proteina sistema zgrušavanja krvi i niza drugih proteina.