Cheat sheet hormonski enzimi. Osnove Lehningerove biokemije Metode regulacije metaboličke aktivnosti u stanici

DINAMIČKA BIOKEMIJA

PoglavljeIV.8.

Metabolizam i energija

Metabolizam ili metabolizam – skup kemijskih reakcija u tijelu koje mu osiguravaju tvari i energiju potrebne za život. U metabolizmu se razlikuju dvije glavne faze: pripremna - kada tvar primljena putem prehrane prolazi kroz kemijske transformacije, zbog čega može ući u krv i zatim prodrijeti u stanice, i sam metabolizam, tj. kemijske transformacije spojeva koji su prodrli u stanice.

Metabolički put - ovo je priroda i slijed kemijskih transformacija određene tvari u tijelu. Međuprodukti koji nastaju tijekom metaboličkog procesa nazivaju se metaboliti, a posljednji spoj metaboličkog puta je konačni produkt.

Proces rastavljanja složenih tvari na jednostavnije naziva se katabolizam. Tako se proteini, masti i ugljikohidrati u hrani pod djelovanjem enzima u probavnom traktu razgrađuju na jednostavnije komponente (aminokiseline, masne kiseline i monosaharide). Time se oslobađa energija. Obrnuti proces, tj. sinteza složenih spojeva iz jednostavnijih naziva se anabolizam . Dolazi s utroškom energije. Od aminokiselina, masnih kiselina i monosaharida nastalih kao rezultat probave, u stanicama se sintetiziraju nove stanične bjelančevine, membranski fosfolipidi i polisaharidi.

Postoji koncept amfibolizam kada se jedan spoj uništi, ali se sintetizira drugi.

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 djelomično proteini uključeni su u energetski metabolizam).

Metabolički supstrati - spojevi koji se isporučuju s hranom. Među njima postoje glavne hranjive tvari (bjelančevine, ugljikohidrati, lipidi) i sporedne, koje dolaze u malim količinama (vitamini, minerali).

Intenzitet metabolizma određen je potrebom stanice za određenim tvarima ili se regulacija provodi na četiri načina:

1) Ukupna brzina reakcije određenog metaboličkog puta određena je koncentracijom svakog od enzima u tom putu, pH vrijednošću okoliša, unutarstaničnom koncentracijom svakog međuproizvoda i koncentracijom kofaktora i koenzima.

2) Aktivnost regulacijskih (alosteričkih) enzima, koji obično kataliziraju početne faze metaboličkih putova. Većina njih je inhibirana krajnjim proizvodom ovog puta i ova vrsta inhibicije naziva se "povratna veza".

3) Genetska kontrola koja određuje brzinu sinteze određenog enzima. Zapanjujući primjer je pojava inducibilnih enzima u stanici kao odgovor na opskrbu odgovarajućim supstratom.

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

Živi organizmi su termodinamički nestabilni sustavi. Za njihov nastanak i funkcioniranje potrebna je kontinuirana opskrba energijom u obliku pogodnom za višestruku uporabu. Za dobivanje energije, gotovo sva živa bića na planeti su se prilagodila hidrolizaciji jedne od pirofosfatnih veza ATP-a. U tom smislu, jedan od glavnih zadataka bioenergetike živih organizama je nadoknada iskorištenog ATP-a iz ADP-a i AMP-a.

Glavni izvor energije u stanici je oksidacija supstrata atmosferskim kisikom. Taj se proces odvija na tri načina: dodavanjem kisika ugljikovom atomu, oduzimanjem vodika ili gubitkom elektrona. U stanicama se oksidacija odvija u obliku sekvencijalnog prijenosa vodika i elektrona sa supstrata na kisik. U ovom slučaju kisik igra ulogu redukcijskog spoja (oksidacijskog sredstva). Oksidativne reakcije odvijaju se uz oslobađanje energije. Biološke reakcije karakteriziraju relativno male promjene energije. To se postiže dijeljenjem procesa oksidacije u više međufaza, što omogućuje pohranjivanje u malim obrocima u obliku visokoenergetskih spojeva (ATP). Redukcija atoma kisika u 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 naziva se 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.

Da. biološka oksidacija je dehidrogenacija supstrata uz pomoć srednjih nositelja vodika i njegovog konačnog akceptora.

Respiratorni lanac (enzimi tkivnog disanja) su prijenosnici protona i elektrona od oksidiranog supstrata do kisika. Oksidacijsko sredstvo je spoj koji može prihvatiti elektrone. Ova sposobnost je kvantitativno karakterizirana redoks potencijal u odnosu na standardnu ​​vodikovu elektrodu čiji je pH 7,0. Što je niži potencijal spoja, to su njegova redukcijska svojstva jača i obrnuto.

Da. bilo koji spoj može samo donirati elektrone spoju s višim redoks potencijalom. U dišnom lancu svaka sljedeća karika ima veći potencijal od prethodne.

Respiratorni lanac sastoji se od:

1. NAD-ovisna dehidrogenaza;

2. FAD-ovisna dehidrogenaza;

3. Ubikinon (Ko Q);

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

NAD-ovisne dehidrogenaze . Sadrži kao koenzim IZNAD I NADP. Piridinski prsten nikotinamida sposoban je prihvatiti elektrone i protone vodika.

FAD i FMN-ovisne dehidrogenaze sadrže fosforni ester vitamina B 2 kao koenzim ( FAD).

Ubikinon (Ko Q ) flavoproteinima oduzima vodik i pretvara se u hidrokinon.

Citokromi - kromoproteinski proteini sposobni za stjecanje elektrona zbog prisutnosti željeznih porfirina kao prostetskih skupina u svom sastavu. One primaju elektron od tvari koja je nešto jače redukcijsko sredstvo i prenose ga na jače oksidacijsko sredstvo. Atom željeza vezan je na atom dušika imidazolskog prstena histidinske aminokiseline s jedne strane ravnine porfirinskog prstena, a s druge strane na atom sumpora metionina. Stoga je potencijalna sposobnost atoma željeza u citokromima da vežu kisik potisnuta.

U citokrom c porfirinska ravnina je kovalentno povezana s proteinom preko dva cisteinska ostatka, a u citokromeksb I , nije kovalentno vezan s proteinima.

U citokrom a+a 3 (citokrom oksidaza) umjesto protoporfirina sadrži porfirin A, koji se razlikuje po nizu strukturnih značajki. Petu koordinacijsku poziciju željeza zauzima amino skupina koja pripada ostatku amino šećera koji je dio samog proteina.

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

Mehanizam rada transportnog lanca elektrona

Vanjska membrana mitohondrija (slika 4.8.1) je propusna za većinu malih molekula i iona, unutarnja membrana je propusna za gotovo sve ione (osim H protona) i za većinu nenabijenih molekula.

Sve gore navedene komponente dišnog lanca ugrađene su u unutarnju membranu. Prijenos protona i elektrona duž respiratornog lanca osigurava razlika potencijala između njegovih komponenti. U tom slučaju svako povećanje potencijala za 0,16 V oslobađa energiju dovoljnu za sintezu jedne molekule ATP iz ADP i H 3 PO 4. Kada se potroši jedna molekula O2, nastaju 3 ATP.

Procesi oksidacije i stvaranja ATP-a iz ADP-a i fosforne kiseline, tj. Fosforilacija se događa u mitohondrijima. Unutarnja membrana tvori mnogo nabora – krista. Prostor je omeđen unutarnjom membranom – matriksom. Prostor između unutarnje i vanjske membrane naziva se intermembrana.

Takva molekula sadrži tri visokoenergetske veze. Makroergički ili energetski bogata je kemijska veza koja, kada se prekine, oslobađa više od 4 kcal/mol. Hidrolitičkom razgradnjom ATP-a na ADP i fosfornu kiselinu oslobađa se 7,3 kcal/mol. Točno se toliko troši za stvaranje ATP-a iz ostatka ADP-a i fosforne kiseline, a to je jedan od glavnih načina skladištenja energije u tijelu.

Tijekom transporta elektrona duž dišnog lanca oslobađa se energija koja se troši na dodavanje ostatka fosforne kiseline ADP-u pri čemu nastaje jedna molekula ATP-a i jedna molekula vode. Tijekom prijenosa jednog para elektrona duž dišnog lanca oslobađa se 21,3 kcal/mol i pohranjuje se u obliku tri molekule ATP-a. To čini oko 40% energije oslobođene tijekom transporta elektrona.

Ovaj način pohranjivanja energije u stanici naziva se oksidativne fosforilacije ili spregnuta fosforilacija.

Molekularni mehanizmi ovog procesa najpotpunije su objašnjeni Mitchellovom kemoosmotskom teorijom, iznesenom 1961. godine.

Mehanizam oksidativne fosforilacije (Slika 4.8.2.):

1) NAD-ovisna dehidrogenaza nalazi se na površini matriksa unutarnje mitohondrijske membrane i donira par vodikovih elektrona FMN-ovisnoj dehidrogenazi. U tom slučaju par protona također prelazi iz matrice u FMN i kao rezultat nastaje FMN H 2 . U to vrijeme, par protona koji pripadaju NAD-u se gura u intermembranski prostor.

2) FAD-ovisna dehidrogenaza donira par elektrona Co Q te gura par protona u međumembranski prostor. Primivši elektrone Co Q prihvaća par protona iz matriksa i pretvara se u Co QH 2.

3) Ko Q H2 gura par protona u međumembranski prostor, a par elektrona se prenosi na citokrome, a zatim na kisik da bi se stvorila molekula vode.

Kao rezultat toga, kada se par elektrona prenosi duž lanca iz matriksa u međumembranski prostor, pumpa se 6 protona (3 para), što dovodi do stvaranja potencijalne razlike i pH razlike između površina unutarnje membrane. membrana.

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

5) Ovo obrnuto kretanje protona dovodi do aktivacije ATP sintaze i sinteze ATP-a iz ADP-a i fosforne kiseline. Prijenosom jednog para elektrona (tj. tri para protona) sintetiziraju se 3 molekule ATP (slika 4.7.3.).

Disocijacija procesa disanja i oksidativne fosforilacije nastaje kada protoni počnu probijati unutarnju membranu mitohondrija. U tom slučaju, pH gradijent se izravnava i pokretačka sila za fosforilaciju nestaje. Kemijski razdvojitelji nazivaju se protonofori; oni su sposobni prenositi protone kroz membranu. To uključuje 2,4-dinitrofenol, hormoni štitnjače itd. (Sl. 4.8.3.).

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

Brzina oksidativne fosforilacije prvenstveno ovisi o sadržaju ATP-a; što se više ADP-a akumulira, to je veća potreba za energijom i stoga je proces oksidativne fosforilacije aktivniji. Regulacija brzine oksidativne fosforilacije pomoću stanične koncentracije ADP-a naziva se respiracijska kontrola.

REFERENCE ZA POGLAVLJE IV.8.

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

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

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

4. Pustovalova L.M. Radionica o biokemiji // Rostov-on-Don: Phoenix, 1999, 540 str.;

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

Metabolizam, neraskidivo povezan s razmjenom energije, prirodni je red transformacije tvari i energije u živim sustavima, usmjeren na njihovo očuvanje i samoreprodukciju. F. Engels je zabilježio metabolizam kao najvažnije svojstvo života, čijim prestankom prestaje i sam život. Naglasio je dijalektičku prirodu ovog procesa i istaknuo da

Iz dosljedno materijalističke perspektive, utemeljitelj ruske fiziologije, I.M.Sechenov, razmatrao je ulogu metabolizma u životu organizama. K. A. Timiryazev je dosljedno slijedio ideju da je glavno svojstvo koje karakterizira žive organizme stalna aktivna izmjena između tvari koja čini organizam i tvari okoliša, koju organizam stalno percipira, asimilira, pretvara u nešto slično, opet mijenja. a razlikuje u procesu disimilacije. I.P. Pavlov smatrao je metabolizam osnovom za manifestaciju životne aktivnosti, kao osnovom fizioloških funkcija tijela. Značajan doprinos poznavanju kemije životnih procesa dao je A.I. Oparin, koji je proučavao osnovne obrasce evolucije metabolizma tijekom nastanka i razvoja života na Zemlji.

OSNOVNI POJMOVI I POJMOVI

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

U metabolizmu postoje:

• vanjska razmjena- uključuje izvanstaničnu transformaciju tvari na putu njihovog ulaska u tijelo i uklanjanje produkata metabolizma iz njega [pokazati] .

  Unos tvari u tijelo i oslobađanje metaboličkih produkata zajedno čine izmjenu tvari između okoline i organizma, a definira se kao vanjska izmjena.

  Vanjska izmjena tvari (i energije) događa se stalno.

  Ljudsko tijelo iz vanjske sredine dobiva kisik, vodu, mineralne soli, hranjive tvari, vitamine potrebne za izgradnju i obnovu strukturnih elemenata stanica i tkiva te stvaranje energije. Sve te tvari možemo nazvati prehrambenim proizvodima, od kojih su neke biološkog podrijetla (biljni i životinjski proizvodi), a manji dio nebiološke (voda i u njoj otopljene mineralne soli).

  Hranjive tvari dobivene hranom podliježu razgradnji uz stvaranje aminokiselina, monosaharida, masnih kiselina, nukleotida i drugih tvari, koje, kada se pomiješaju s istim tvarima nastalim tijekom kontinuirane razgradnje strukturnih i funkcionalnih komponenti stanice, čine ukupni skup metabolita u tijelu. Taj se fond troši u dva smjera: dio se koristi za obnovu dotrajalih strukturnih i funkcionalnih komponenti stanice; drugi dio se pretvara u krajnje produkte metabolizma koji se izlučuju iz organizma.

  Kada se tvari razgrade u konačne metaboličke produkte, oslobađa se energija; kod odrasle osobe 8000-12000 kJ (2000-3000 kcal) dnevno. Ovu energiju stanice tijela koriste za obavljanje raznih vrsta poslova, kao i za održavanje tjelesne temperature na konstantnoj razini.

• posredna razmjena- uključuje pretvorbu tvari unutar bioloških stanica od trenutka ulaska do stvaranja konačnih proizvoda (npr. metabolizam aminokiselina, metabolizam ugljikohidrata itd.)

Metabolički stadiji. Postoje tri uzastopne faze.

Pročitajte više o

• unos (prehrana je sastavni dio metabolizma (unošenje tvari iz okoliša u organizam))
• probava (Biokemija probave (probava hranjivih tvari))
• apsorpcija (biokemija probave (apsorpcija hranjivih tvari))

Intermedijarni metabolizam (ili metabolizam) je pretvorba tvari u tijelu od trenutka ulaska u stanice do nastanka konačnih metaboličkih produkata, tj. skup kemijskih reakcija koje se odvijaju u živim stanicama i opskrbljuju tijelo tvarima i energijom. za njegovu vitalnu aktivnost, rast i reprodukciju. Ovo je najsloženiji dio metabolizma.

Jednom kada uđe u stanicu, hranjiva tvar se metabolizira – prolazi kroz niz kemijskih promjena kataliziranih enzimima. Specifični slijed takvih kemijskih promjena naziva se metabolički put, a nastali intermedijarni proizvodi nazivaju se metaboliti. Metabolički putovi mogu se prikazati u obliku metaboličke karte.

Kao rezultat metaboličke aktivnosti u svim dijelovima tijela stvaraju se štetne tvari koje ulaze u krv i moraju se ukloniti. Tu funkciju obavljaju bubrezi koji odvajaju štetne tvari i šalju ih u mokraćni mjehur, odakle se zatim izlučuju iz organizma. U metaboličkom procesu sudjeluju i drugi organi: jetra, gušterača, žučni mjehur, crijeva, žlijezde znojnice.

Glavne krajnje produkte metabolizma čovjek izlučuje urinom, izmetom, znojem i izdahnutim zrakom - CO 2, H 2 O, ureu H 2 N - CO - NH 2. Vodik organskih tvari izlučuje se u obliku H 2 O, a tijelo otpušta više vode nego što troši (vidi tablicu 24): iz vodika organskih tvari i udahnutog kisika dnevno u tijelu nastaje približno 400 g vode. zrak (metabolička voda). Ugljik i kisik organskih tvari uklanjaju se u obliku CO 2, a dušik se uklanja u obliku ureje.

Osim toga, čovjek izlučuje puno drugih tvari, ali u malim količinama, tako da je njihov doprinos ukupnoj ravnoteži metabolizma između tijela i okoline mali. Međutim, treba napomenuti da fiziološki značaj otpuštanja takvih tvari može biti značajan. Na primjer, poremećaj otpuštanja produkata razgradnje hema ili metaboličkih produkata stranih spojeva, uključujući lijekove, može izazvati teške metaboličke poremećaje i tjelesne funkcije.

Metabolički supstrati- kemijski spojevi koji dolaze iz hrane. Među njima se mogu razlikovati dvije skupine: glavne hranjive tvari (ugljikohidrati, bjelančevine, lipidi) i sporedne, koje se unose u malim količinama (vitamini, mineralni spojevi).

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

Metabolički put- ovo je priroda i slijed kemijskih transformacija određene tvari u tijelu. Međuprodukti koji nastaju tijekom procesa transformacije nazivaju se metaboliti, a posljednji spoj metaboličkog puta je konačni produkt.

U tijelu se kontinuirano događaju kemijske transformacije. Kao rezultat prehrane tijela, polazne tvari prolaze kroz metaboličke transformacije; Krajnji produkti metabolizma neprestano se uklanjaju iz tijela. Dakle, organizam je termodinamički otvoren kemijski sustav. Najjednostavniji primjer metaboličkog sustava je jedan nerazgranati metabolički lanac:

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

Uz stalni protok tvari u takvom sustavu uspostavlja se dinamička ravnoteža kada je brzina stvaranja svakog metabolita jednaka brzini njegove potrošnje. To znači da koncentracija svakog metabolita ostaje konstantna. Ovo stanje sustava nazivamo stacionarnim, a koncentracije tvari u tom stanju nazivamo stacionarnim koncentracijama.

Živi organizam u bilo kojem trenutku ne zadovoljava zadanu definiciju stacionarnog stanja. Međutim, s obzirom na prosječnu vrijednost njegovih parametara tijekom relativno velikog vremenskog razdoblja, može se primijetiti njihova relativna postojanost i time opravdati primjenu koncepta stacionarnog sustava na žive organizme. [pokazati] .

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

Uz konstantnu brzinu ulaska tekućine u sustav, visina stupca tekućine 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 sustav: sustav je prešao u novo stacionarno stanje. Slični prijelazi događaju se u metaboličkim procesima u živoj stanici.

Regulacija koncentracije metabolita

Tipično, postoji reakcija u metaboličkom lancu koja se odvija mnogo sporije od svih drugih reakcija - ovo je korak koji ograničava brzinu u putu. Na slici je takav stupanj modeliran uskom spojnom cijevi između prvog i drugog cilindra. Faza ograničavanja brzine određuje ukupnu brzinu pretvorbe početne tvari u konačni produkt metaboličkog lanca. Često je enzim koji katalizira reakciju ograničavanja brzine regulatorni enzim: njegova se aktivnost može promijeniti pod utjecajem staničnih inhibitora i aktivatora. Na taj način se osigurava regulacija metaboličkog puta. Na sl. 64, prijelazna cijev s ventilom između prvog i drugog cilindra modelira regulacijski enzim: podizanjem ili spuštanjem ventila, sustav se može prenijeti u novo stacionarno stanje, s različitim ukupnim protokom tekućine i drugim razinama tekućine u cilindri.

U razgranatim metaboličkim sustavima, regulatorni enzimi obično kataliziraju prve reakcije na mjestu grananja, kao što su reakcije b --> c i b --> i na slici. 65. Time se osigurava mogućnost neovisne regulacije svake grane metaboličkog sustava.

Mnoge metaboličke reakcije su reverzibilne; smjer njihova toka u živoj stanici određen je utroškom produkta u naknadnoj reakciji ili uklanjanjem produkta iz reakcijske sfere, na primjer, izlučivanjem (slika 65).

Promjenom stanja organizma (prehrana, prijelaz iz mirovanja u tjelesnu aktivnost i sl.) mijenja se i koncentracija metabolita u tijelu, odnosno uspostavlja se novo stacionarno stanje. Međutim, pod istim uvjetima, na primjer, nakon noćnog sna (prije doručka), one su približno jednake kod svih zdravih ljudi; Zbog djelovanja regulatornih mehanizama, koncentracija svakog metabolita održava se na karakterističnoj razini. Prosječne vrijednosti ovih koncentracija (koje ukazuju na granice fluktuacija) služe kao jedna od karakteristika norme. U bolestima se koncentracije metabolita u stanju ravnoteže mijenjaju, a te su promjene često specifične za određenu bolest. Na tome se temelje mnoge biokemijske metode za laboratorijsku dijagnostiku bolesti.

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

• Anaboličke reakcije usmjerene su na pretvaranje jednostavnijih tvari u složenije koje tvore strukturne i funkcionalne komponente stanice, kao što su koenzimi, hormoni, proteini, nukleinske kiseline itd. Te su reakcije pretežno reduktivne i praćene su trošenjem slobodnih kemijskih tvari. energija (endergonske reakcije). Izvor energije za njih je proces katabolizma. Osim toga, katabolička energija se koristi za osiguranje funkcionalne aktivnosti stanice (motoričke i druge).
• Kataboličke transformacije su procesi razgradnje složenih molekula, kako onih primljenih s hranom tako i onih koje ulaze u stanicu, na jednostavne komponente (ugljični dioksid i vodu); te su reakcije obično oksidativne i praćene oslobađanjem slobodne energije (egzergonske reakcije).

Amfibolički put(dualno) - put tijekom kojeg se kombiniraju kataboličke i anaboličke transformacije, tj. Zajedno s razgradnjom jednog spoja dolazi do sinteze drugog.

Amfibolički putovi povezani su s terminalnim, odnosno konačnim, oksidacijskim sustavom tvari, gdje one izgaraju do konačnih proizvoda (CO 2 i H 2 O) uz stvaranje velikih količina energije. Osim njih, konačni produkti metabolizma su urea i mokraćna kiselina, koje nastaju u posebnim reakcijama izmjene aminokiselina i nukleotida. Veza između metabolizma kroz ATP-ADP sustav i amfiboličkog ciklusa metabolita shematski je prikazana na Sl. 2.

ATP-ADP sustav(ATP-ADP ciklus) je ciklus u kojem dolazi do kontinuiranog stvaranja ATP molekula, čiju energiju hidrolize tijelo koristi u različitim vrstama rada.

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

Anaplerotični put- metabolički, čiji je konačni produkt identičan jednom od intermedijarnih proizvoda bilo kojeg cikličkog puta. Anaplerotični put u primjeru na Sl. 3 nadopunjuje ciklus produktom X (anapleroza – nadopunjavanje).

Poslužimo se ovim primjerom. Autobusi marki X, Y, Z prometuju u gradu. Njihove rute prikazane su na dijagramu.

Na temelju ovog primjera definiramo sljedeće.

• Određeni metabolički put skup je transformacija karakterističnih samo za određeni spoj (na primjer, ugljikohidrate, lipide ili aminokiseline).
• Opći metabolički put skup je transformacija koje uključuju dvije ili više vrsta spojeva (na primjer, ugljikohidrate i lipide ili ugljikohidrate, lipide i aminokiseline).

Lokalizacija metaboličkih putova

Katabolički i anabolički putovi u eukariotskih jedinki razlikuju se po lokalizaciji u stanici (Tablica 22.).

Do ove podjele dolazi zbog ograničenja enzimskih sustava na određena područja stanice (kompartmentalizacija), što osigurava i segregaciju i integraciju unutarstaničnih funkcija, kao i odgovarajuću kontrolu.

Trenutno, zahvaljujući elektronsko-mikroskopskim i histokemijskim studijama, kao i metodi diferencijalnog centrifugiranja, postignut je značajan napredak u određivanju intracelularne lokalizacije enzima. Kao što se može vidjeti sa Sl. 74, u stanici se nalazi stanična, odnosno plazma membrana, jezgra, mitohondrije, lizosomi, ribosomi, sustav tubula i vezikula - endoplazmatski retikulum, lamelarni kompleks, razne vakuole, unutarstanične inkluzije itd. Glavni nediferencirani dio stanična citoplazma u smislu mase je hijaloplazma (ili citosol).

Utvrđeno je da su RNA polimeraze, odnosno enzimi koji kataliziraju stvaranje mRNA, lokalizirane u jezgri (točnije u jezgrici). U jezgri se nalaze enzimi koji sudjeluju u procesu replikacije DNA i neki drugi (tablica 23).

Odnos između enzima i staničnih struktura:

• Mitohondriji. Uz mitohondrije su povezani enzimi lanca biološke oksidacije (tkivnog disanja) i oksidativne fosforilacije, kao i enzimi kompleksa piruvat dehidrogenaze, ciklusa trikarboksilnih kiselina, sinteze uree, oksidacije masnih kiselina itd.
• Lizosomi. Lizosomi sadrže uglavnom hidrolitičke enzime s optimalnim pH u području od 5. Zbog hidrolitičke prirode enzima te se čestice nazivaju lizosomima.
• Ribosomi. Enzimi sinteze proteina su lokalizirani u ribosomima; u tim česticama se mRNA prevodi i aminokiseline se povezuju u polipeptidne lance kako bi se 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 s ATP-azom, koja prenosi Na + i K +, adenilat ciklazu i niz drugih enzima.
• Cytosol. Citosol (hijaloplazma) sadrži enzime glikolize, pentoznog ciklusa, sintezu masnih kiselina i mononukleotida, aktivaciju aminokiselina, kao i mnoge enzime glukoneogeneze.

U tablici 23 sažima podatke o lokalizaciji najvažnijih enzima i pojedinih metaboličkih faza u različitim substaničnim strukturama.

Multienzimski sustavi su lokalizirani u strukturi organela na takav način da se svaki enzim nalazi u neposrednoj blizini sljedećeg enzima u određenom nizu reakcija. Zbog toga se smanjuje vrijeme potrebno za difuziju reakcijskih intermedijera, a cijeli slijed reakcija je strogo vremenski i prostorno usklađen. To vrijedi, primjerice, za enzime koji sudjeluju u oksidaciji pirogrožđane kiseline i masnih kiselina, u sintezi proteina, kao i za enzime prijenosa elektrona i oksidativne fosforilacije.

Kompartmentalizacija također osigurava da se kemijski nekompatibilne reakcije odvijaju u isto vrijeme, tj. neovisnost putova katabolizma i anabolizma. Dakle, u stanici se istovremeno može odvijati oksidacija dugolančanih masnih kiselina do stupnja acetil-CoA i suprotan proces, sinteza masnih kiselina iz acetil-CoA. Ovi kemijski nekompatibilni procesi odvijaju se u različitim dijelovima stanice: oksidacija masnih kiselina u mitohondrijima i njihova sinteza izvan mitohondrija u hijaloplazmi. Kad bi se ti putovi poklapali i razlikovali samo u smjeru procesa, tada bi u razmjeni nastajali takozvani beskorisni ili uzaludni ciklusi. Takvi se ciklusi javljaju u patologiji, kada je moguća beskorisna cirkulacija metabolita.

Razjašnjavanje pojedinih karika metabolizma u različitim klasama biljaka, životinja i mikroorganizama otkriva temeljnu zajedništvo putova biokemijskih transformacija u živoj prirodi.

OSNOVNE ODREDBE REGULACIJE METABOLIZMA

Provodi se regulacija metabolizma na staničnoj i substaničnoj razini

1. reguliranjem sinteze i katalitičke aktivnosti enzima.

   Takvi regulatorni mehanizmi uključuju

   • supresija sinteze enzima krajnjim produktima metaboličkog puta,
   • indukcija sinteze jednog ili više enzima pomoću supstrata,
   • modulacija aktivnosti već prisutnih enzimskih molekula,
   • regulacija brzine ulaska metabolita u stanicu. Ovdje vodeću ulogu igraju biološke membrane koje okružuju protoplazmu i jezgru, mitohondrije, lizosome i druge substanične organele smještene u njoj.
2. reguliranjem sinteze i aktivnosti hormona. Tako na metabolizam proteina utječu hormoni štitnjače - tiroksin; na metabolizam masti utječu hormoni gušterače i štitnjače, nadbubrežne žlijezde i hipofize; na metabolizam ugljikohidrata utječu hormoni gušterače (inzulin) i nadbubrežne žlijezde ( adrenalin). Posebnu ulogu u mehanizmu djelovanja hormona imaju ciklički nukleotidi (cAMP i cGMP).

   Kod životinja i ljudi hormonska regulacija metabolizma usko je povezana s koordinacijskom aktivnošću živčanog sustava. Primjer utjecaja živčanog sustava na metabolizam ugljikohidrata je takozvana injekcija šećera Claude Bernarda, koja dovodi do hiperglikemije i glikozurije.

3. Najvažniju ulogu u procesima metaboličke integracije ima moždana kora. Kao što je istaknuo I. P. Pavlov: „Što je živčani sustav životinjskog organizma savršeniji, što je više centraliziran, to je njegov odjel sve više i više upravitelj i distributer svih aktivnosti organizma... Ovaj viši odjel sadrži pod njegovom jurisdikcijom sve pojave koje se događaju u tijelu".

Dakle, posebna kombinacija, stroga koordinacija i brzina metaboličkih reakcija zajedno čine sustav koji otkriva svojstva mehanizma povratne sprege (pozitivne ili negativne).

METODE ZA PROUČAVANJE INTERMEDIJALNOG METABOLIZMA

Za proučavanje metabolizma koriste se dva pristupa:

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

  Klasičan primjer istraživanja cijelog organizma, provedenog početkom ovog stoljeća, jesu Knoopovi pokusi. Proučavao je način na koji se masne kiseline razgrađuju 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 skupini zamijenjen fenilnim radikalom C6H5:

  U prvom slučaju, feniloctena kiselina C 6 H 5 -CH 2 -COOH uvijek se izlučuje u mokraći pasa, au drugom - benzojeva kiselina C 6 H 5 -COOH. Na temelju ovih rezultata, Knoop je zaključio da se razgradnja masnih kiselina u tijelu odvija kroz sekvencijalno uklanjanje fragmenata s 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

  Taj je zaključak kasnije potvrđen i drugim metodama.

  U biti, Knoop je u tim studijama koristio metodu označavanja molekula: kao oznaku je koristio fenilni radikal koji se ne mijenja u tijelu. Počevši oko 40-ih godina XX. stoljeća. Korištenje tvari čije molekule sadrže radioaktivne ili teške izotope elemenata postalo je rašireno. Na primjer, hranjenjem pokusnih životinja raznim spojevima koji sadrže radioaktivni ugljik (14 C) utvrđeno je da svi atomi ugljika u molekuli kolesterola potječu od atoma ugljika acetata:

  

  Obično se koriste stabilni izotopi elemenata koji se razlikuju po masi od elemenata koji se obično nalaze u tijelu (obično teški izotopi) ili radioaktivni izotopi. Od stabilnih izotopa najčešće se koriste izotopi vodika mase 2 (deuterij, 2 H), dušika mase 15 (15 N), ugljika mase 13 (13 C) i kisika mase od 18 (18 C). Od radioaktivnih izotopa izdvajaju se izotopi vodika (tricij, 3 H), fosfora (32 P i 33 P), ugljika (14 C), sumpora (35 S), joda (131 I), željeza (59 Fe), natrija. (54 Na) koriste se ) itd.

  Nakon što se molekula proučavanog spoja označi stabilnim ili radioaktivnim izotopom i unese u tijelo, određuju se označeni atomi ili kemijske skupine koje ih sadrže, a nakon njihovog otkrivanja u određenim spojevima zaključuje se o načinima kojim se označena tvar transformira u tijelu. Pomoću oznake izotopa također možete odrediti vrijeme zadržavanja tvari u tijelu, koje u određenoj mjeri karakterizira biološki poluživot, tj. vrijeme tijekom kojeg se količina izotopa ili označenog spoja prepolovi, ili dobiti točne podatke o propusnosti membrana pojedinih stanica. Izotopi se također koriste za određivanje je li određena tvar prekursor ili produkt razgradnje drugog spoja te za određivanje brzine izmjene tkiva. Konačno, kada postoji nekoliko metaboličkih putova, moguće je odrediti koji je dominantan.

  U studijama na cijelim organizmima proučavaju se i prehrambene potrebe organizma: ako izbacivanje neke tvari iz prehrane dovodi do poremećaja rasta i razvoja ili fizioloških funkcija tijela, tada je ta tvar bitan prehrambeni čimbenik. Na sličan način određuju se i potrebne količine hranjiva.

• i studije na izoliranim dijelovima tijela - analitičko-dezintegrativne metode (pokusi in vitro, tj. izvan tijela, u epruveti ili drugim laboratorijskim posudama). Princip ovih metoda je postupno pojednostavljenje, odnosno dezintegracija složenog biološkog sustava kako bi se izolirali pojedinačni procesi. Ako ove metode promatramo silaznim redoslijedom, odnosno od složenijih prema jednostavnijim sustavima, tada se mogu poredati sljedećim redoslijedom:
  • uklanjanje pojedinih organa [pokazati]

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

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

    Slični pokusi mogu se provoditi na organima bez izolacije od tijela (metoda arteriovenske diferencije): u tim se slučajevima krv za analizu uzima pomoću kanila umetnutih u arteriju i venu organa ili pomoću šprice. Na taj se način, primjerice, može ustanoviti da je u krvi koja teče iz mišića koji rade povećana koncentracija mliječne kiseline, a pri strujanju kroz jetru krv se oslobađa mliječne kiseline.

  • metoda presjeka tkiva [pokazati]

    Sekcije su tanki komadići tkiva koji se izrađuju pomoću mikrotoma ili jednostavno oštrice. Presjeci se inkubiraju u otopini koja sadrži hranjive tvari (glukozu ili druge) i tvar čije se transformacije u stanicama određene vrste žele utvrditi. Nakon inkubacije analiziraju se produkti metabolizma ispitivane tvari u tekućini za inkubaciju.

    Metodu rezova tkiva prvi je predložio Warburg ranih 20-ih godina. Pomoću ove tehnike moguće je proučavati disanje tkiva (potrošnja kisika i oslobađanje ugljičnog dioksida iz tkiva). Značajno ograničenje u proučavanju metabolizma u slučaju korištenja isječaka tkiva su stanične membrane, koje često djeluju kao barijere između sadržaja stanice i "hranjive" otopine.

  • homogenati i subcelularne frakcije [pokazati]

    

    Homogenati su pripravci bez stanica. Dobivaju se razaranjem staničnih membrana trljanjem tkanine pijeskom ili u posebnim uređajima – homogenizatorima (slika 66). U homogenatima ne postoji nepropusna barijera između dodanih supstrata i enzima.

    Uništavanje staničnih membrana omogućuje izravan kontakt između sadržaja stanice i dodanih spojeva. To omogućuje utvrđivanje koji su enzimi, koenzimi i supstrati važni za proces koji se proučava.

    Frakcioniranje homogenata. Iz homogenata se mogu izolirati subcelularne čestice, kako supramolekularne (stanične organele), tako i pojedinačni spojevi (enzimi i drugi proteini, nukleinske kiseline, metaboliti). Na primjer, koristeći diferencijalno centrifugiranje, možete dobiti frakcije jezgri, mitohondrija i mikrosoma (mikrosomi su fragmenti endoplazmatskog retikuluma). Ove organele variraju u veličini i gustoći i stoga se talože pri različitim brzinama centrifugiranja. Korištenje izoliranih organela omogućuje proučavanje metaboličkih procesa povezanih s njima. Na primjer, izolirani ribosomi koriste se za proučavanje putova i mehanizama sinteze proteina, a mitohondriji se koriste za proučavanje oksidativnih reakcija Krebsovog ciklusa ili lanca dišnih enzima.

    Nakon taloženja mikrosoma u supernatantu ostaju topljive komponente stanice – topljivi proteini, metaboliti. Svaka od ovih frakcija može se dalje frakcionirati različitim metodama, izolirajući njihove sastavne komponente. Iz izoliranih komponenti moguće je rekonstruirati biokemijske sustave, na primjer, jednostavan sustav "enzim + supstrat" ​​i tako složene kao što su sustavi za sintezu proteina i nukleinskih kiselina.

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

    Koristi se za integraciju visoko pročišćenih enzima i koenzima. Na primjer, korištenjem ove metode postalo je moguće potpuno reproducirati sustav fermentacije koji ima sve bitne značajke vrenja s kvascem.

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

ZNAČAJKE PROUČAVANJA HUMANE BIOKEMIJE

Postoje dalekosežne sličnosti u molekularnim procesima različitih organizama koji nastanjuju Zemlju. Takvi temeljni procesi kao što su biosinteza matriksa, mehanizmi transformacije energije i glavni putovi metaboličkih transformacija tvari približno su 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 biokemiji dobiva se na ovaj način: na temelju poznatih biokemijskih procesa kod drugih životinja gradi se hipoteza o najvjerojatnijoj verziji tog procesa u ljudskom tijelu, a zatim se hipoteza testira izravnim studijama ljudske stanice i tkiva. Ovaj pristup omogućuje provođenje istraživanja na maloj količini biološkog materijala dobivenog od ljudi. Najčešće korištena tkiva su tkiva izvađena tijekom operativnih zahvata, krvne stanice (eritrociti i leukociti), kao i stanice ljudskog tkiva uzgojene u kulturi in vitro.

Proučavanje nasljednih bolesti čovjeka, neophodno za razvoj učinkovitih metoda za njihovo liječenje, istovremeno pruža mnoštvo podataka o biokemijskim procesima u ljudskom tijelu. Konkretno, urođeni defekt enzima uzrokuje nakupljanje njegovog supstrata u tijelu; pri proučavanju takvih metaboličkih poremećaja ponekad se otkrivaju novi enzimi i reakcije, kvantitativno beznačajne (zbog čega nisu uočene pri proučavanju norme), koje, međutim, imaju životno značenje.

Modularna cjelina 1 ENZIMI KAO PROTEINSKI KATALIZATORI

Ciljevi učenja Biti u stanju:

1. Objasniti svojstva enzima i značajke enzimske katalize prema njihovoj proteinskoj prirodi.

2. Ocijeniti ulogu vitamina u ljudskoj prehrani kao supstrata za sintezu koenzima.

3. Odrediti pripadaju li enzimi određenoj klasi i podklasi prema njihovoj nomenklaturi.

4. Izračunajte aktivnost enzima i procijenite afinitet enzima prema supstratu.

Znati:

1. Strukturne značajke enzima kao proteinskih katalizatora.

2. Vrste specifičnosti enzima.

3. Osnove klasifikacije enzima, klase enzima, primjeri reakcija kataliziranih enzimima.

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

5. Osnove enzimske kinetike.

6. Jedinice aktivnosti enzima i metode za njihovo određivanje.

TEMA 2.1. SVOJSTVA ENZIMA KAO PROTEINA

KATALIZATOR

1. Enzimi su proteinski katalizatori ubrzavanje kemijskih reakcija u živim stanicama. Imaju sva svojstva karakteristična za proteine ​​i određena strukturna svojstva koja određuju njihova katalitička svojstva. Enzimi se, osim toga, pokoravaju općim zakonima katalize i imaju svojstva karakteristična za nebiološke katalizatore: ubrzavaju energetski moguće reakcije, održavaju konstantnom energiju kemijskog sustava i ne troše se tijekom procesa reakcije.

2. Za enzime je karakteristično:

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

katalitička učinkovitost. Većina reakcija kataliziranih enzimima vrlo je učinkovita, odvijaju se 10 8 -10 14 puta brže od nekataliziranih reakcija. Svaka molekula enzima sposobna je pretvoriti od 100 do 1000 molekula supstrata u proizvod u sekundi.

konformacijska labilnost. Katalitička učinkovitost enzima, kao i svake proteinske molekule, ovisi o njegovoj konformaciji, a posebno o konformaciji aktivnog centra. U stanicama postoje tvari koje mogu uzrokovati manje promjene u konformaciji molekule enzima zbog kidanja jednih i stvaranja drugih slabih veza; to može uzrokovati povećanje ili smanjenje aktivnosti enzima.

3. Aktivnost enzima se može regulirati. Djelovanje enzima u stanici, u pravilu, je strogo uređeno: produkt jedne enzimske reakcije supstrat je druge; tako nastaju metabolički putevi. Među brojnim enzimima gotovo svakog metaboličkog puta postoje ključni, odn regulatorni, enzimi čija aktivnost može varirati ovisno o potrebi stanice za konačnim produktom metaboličkog puta.

4. Optimalni uvjeti za enzimske reakcije: temperatura 37-38 °C; normalni atmosferski tlak, pH 6,9-7,7, karakterističan za većinu tkiva. Nasuprot tome, učinkovita kemijska kataliza često zahtijeva visoke temperature i tlakove, kao i ekstremne pH vrijednosti.

TEMA 2.2. AKTIVNI CENTAR: SPECIFIČNOST DJELOVANJA ENZIMA

1. Aktivno mjesto enzima- ovo je određeni dio proteinske molekule koji je sposoban komplementarno se vezati na supstrat i osigurati njegovu katalitičku transformaciju. Strukturu aktivnog centra tvore radikali aminokiselina, kao i u slučaju aktivnog centra svakog proteina. Aktivni centar enzima sadrži aminokiselinske ostatke čije funkcionalne skupine osiguravaju komplementarno vezanje supstrata (vezno mjesto) i aminokiselinske ostatke čije funkcionalne skupine provode kemijsku transformaciju supstrata (katalitičko mjesto) ( Slika 2.1).

Riža. 2.1. Shema strukture aktivnog centra enzima.

Crvenom bojom označene su aminokiseline koje čine aktivno središte enzima: 1 - mjesto vezivanja; 2 - katalitički dio

2. Specifičnost- najvažnije svojstvo enzima koje određuje biološki značaj enzima. razlikovati supstrat I katalitička specifičnost enzima, koji su određeni građom aktivnog centra.

3. Pod, ispod specifičnost supstrata"Pojam" se odnosi na sposobnost svakog enzima da stupa u interakciju sa samo jednim ili nekoliko specifičnih supstrata.

Tamo su:

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

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

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

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

Glukoza-6-fosfat u stanicama ljudske jetre supstrat je četiri različita enzima: fosfoglukomutaze, glukoza-6-fosfat fosfataze, fosfoglukoizomeraze i glukoza-6-fosfat dehidrogenaze. Međutim, zbog strukturnih značajki katalitičkih mjesta ovih enzima, dolazi do različitih transformacija glukoza-6-fosfata s nastankom četiri različita produkta (slika 2.2).

Riža. 2.2. Katalitički putovi pretvorbe glukoza-6-fosfata.

Specifičnost puta pretvorbe supstrata omogućuje transformaciju istog supstrata pod djelovanjem različitih enzima. Molekula glukoza-6-fosfata je supstrat za različite enzime, što dovodi do stvaranja različitih produkata

TEMA 2.3. MEHANIZAM DJELOVANJA ENZIMA

1. Tijekom katalize, supstrat, vezan za aktivno mjesto enzima u kompleksu enzim-supstrat (ES), prolazi kroz kemijsku konverziju u produkt, koji se zatim oslobađa. Proces katalize može se shematski prikazati 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 inducirano dopisivanje[promjena konformacije supstrata (S) i aktivnog centra enzima] nastaje kompleks enzim-supstrat (ES). U fazi III, veze u supstratu su destabilizirane i formira se nestabilan kompleks enzim-produkt (EP). U fazi IV kompleks (EP) se raspada uz oslobađanje produkata reakcije s aktivnog mjesta i oslobađanje enzima.

2. Za razumijevanje energije kemijske reakcije potrebno je uzeti u obzir promjenu energije supstrata i produkata reakcije, kao i ulogu enzima u tom procesu. Poznato je da supstrati za odvijanje reakcije moraju dobiti toliku količinu dodatne energije (koja se naziva aktivacijska energija E a) koja je potrebna da molekule supstrata uđu u reakciju (slika 2.4). U slučaju enzimske reakcije, energija aktivacije se smanjuje, što osigurava učinkovitiju reakciju.

Riža. 2.3. Faze enzimske katalize:

I - stupanj približavanja i orijentacije supstrata u aktivnom središtu enzima; II - stvaranje kompleksa enzim-supstrat (Eb); III - stvaranje nestabilnog kompleksa enzim-produkt (EP); IV - oslobađanje produkata reakcije iz aktivnog centra enzima

Riža. 2.4. Promjena slobodne energije tijekom kemijske reakcije, nekatalizirane i katalizirane enzimima.

Enzim smanjuje aktivacijsku energiju E a, t.j. smanjuje visinu energetske barijere; zbog toga se povećava udio reaktivnih molekula i povećava se brzina reakcije

TEMA 2.4. KOFAKTORI I KOENZIMI

Većina enzima zahtijeva prisutnost određenih neproteinskih tvari - kofaktora - da bi pokazali katalitičku aktivnost. Postoje dvije skupine kofaktora: metalni ioni i koenzimi.

1. Ioni metala na razne načine sudjeluju u funkcioniranju enzima.

Promjena konformacije molekule supstrata,što osigurava komplementarnu interakciju s aktivnim centrom. Na primjer, kompleks Mg2+-ATP djeluje kao supstrat.

Pružaju nativnu konformaciju aktivnog centra enzima. Ioni

Mg 2 +, Mn 2 +, Zn 2 +, Co 2 +, Mo 2 + uključeni su u stabilizaciju aktivnog centra enzima i doprinose dodavanju koenzima.

Oni stabiliziraju konformaciju molekule proteina enzima. Na primjer, ioni cinka potrebni su za stabilizaciju kvaterne strukture enzima alkohol dehidrogenaze, koji katalizira oksidaciju etanola.

Izravno uključen u enzimatsku katalizu. Ioni Zn 2+, Fe 2+, Mn 2+, Cu 2+ sudjeluju u elektrofilnoj katalizi. Ioni metala s promjenjivom valencijom također mogu sudjelovati u prijenosu elektrona. Na primjer, u citokromima (proteini koji sadrže hem), ion željeza je sposoban vezati i donirati jedan elektron. Zbog ovog svojstva citokromi sudjeluju u redoks reakcijama:

2. Koenzimi su organske tvari, najčešće derivati ​​vitamina, koji izravno sudjeluju u enzimskoj katalizi, budući da se nalaze u aktivnom središtu enzima. Enzim koji sadrži koenzim i ima enzimsku aktivnost naziva se holoenzim. Proteinski dio takvog enzima naziva se apoenzim, koji u nedostatku koenzima nema katalitičku aktivnost.

Koenzim se može vezati na proteinski dio enzima samo u trenutku reakcije ili biti povezan s apoenzimom jakim kovalentnim vezama. U potonjem slučaju tzv protetička grupa. Primjeri najčešćih koenzima - derivata vitamina, kao i njihovo sudjelovanje u enzimskim procesima - dati su u tablici. 2.1.

Stol 2.1. Struktura i funkcija glavnih koenzima

Kraj stola. 2.1.

TEMA 2.5. KLASIFIKACIJA I NOMENKLATURA

ENZIMI

1. Naziv većine enzima sadrži sufiks "aza" vezan uz naziv supstrata reakcije (na primjer: ureaza, sukraza, lipaza, nukleaza) ili na naziv kemijske transformacije određenog supstrata (na primjer: laktat dehidrogenaza, adenilat ciklaza, fosfoglukomutaza, piruvat karboksilaza). No, u uporabi je ostao niz trivijalnih, povijesno ustaljenih naziva enzima koji ne daju nikakve podatke o supstratu ili vrsti kemijske transformacije (primjerice, tripsin, pepsin, renin, trombin itd.).

2. Kako bi se sistematizirali enzimi koji se nalaze u prirodi, Međunarodna unija za biokemiju i molekularnu biologiju (IUBMB) razvila je 1961. nomenklaturu prema kojoj su svi enzimi podijeljeni u šest glavnih klasa ovisno o vrsti kemijske reakcije koju kataliziraju. Svaka se klasa sastoji od brojnih podrazreda i podpodrazreda, ovisno o kemijskoj skupini supstrata koji se pretvara, donoru i akceptoru pretvorenih skupina, prisutnosti dodatnih molekula itd. Svaka od šest klasa ima svoj serijski broj, koji joj je strogo dodijeljen: 1. klasa - oksidoreduktaze; 2. razred - transferaze; 3. razred - hidrolaze; 4. razred - liaze; 5. razred - izomeraze; 6. razred - ligaze.

Ova klasifikacija je neophodna za točnu identifikaciju enzima: za svaki enzim postoji kodni broj. Na primjer, enzim maldehidrogenaza ima sustavni naziv L-malat: NAD oksidoreduktaza i kodni broj je 1.1.1.38. Prva znamenka 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 skupina je oksidirana); treća znamenka označava prisutnost koenzima (u ovom slučaju koenzima NAD+), zadnja znamenka je serijski broj enzima u ovoj podskupini.

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

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

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

Riža. 2.5. Reakcija dehidrogenacije malata

b) oksidaze- katalizirati oksidacijske reakcije uz sudjelovanje molekularnog kisika (slika 2.6);

Riža. 2.6. Reakcija katalizirana enzimom citokrom oksidazom

V) oksigenaze(hidroksilaze) kataliziraju reakcije oksidacije ugradnjom atoma kisika u hidroksilnu skupinu molekule supstrata. Reakcija se odvija uz sudjelovanje molekularnog kisika, od kojih je jedan atom vezan za supstrat, a drugi je uključen u stvaranje molekule vode (slika 2.7).

Riža. 2.7. Reakcija hidroksilacije fenilalanina.

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

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

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

PF - koenzim piridoksal fosfat

Riža. 2.9. Reakcija koju katalizira enzim protein kinaza, koji pripada klasi transferaza, potklasi fosfotransferaza.

ATP je donor ostatka fosforne kiseline

3. Hidrolaze katalizirati reakcije hidrolize (kidanje kovalentne veze uz dodatak molekule vode na mjestu prekida). Dijele se u podrazrede ovisno o podlozi. Imena se formiraju ovisno o molekuli supstrata ili specifičnoj kemijskoj vezi koja se hidrolizira: proteaza, amilaza, glikozidaza, nukleaza, esteraza, fosfataza itd. Primjer reakcijske sheme za hidrolizu proteinske molekule prikazan je na sl. 2.10.

Riža. 2.10. Reakcija hidrolize proteinske molekule

4. Liaze- u liaze spadaju enzimi koji na nehidrolitički način cijepaju određene skupine od supstrata, kao što su CO 2, H 2 O, NH 2 SH 2 itd., ili se vežu (npr. molekulu vode) dvostrukom vezom. Reakcija dekarboksilacije (eliminacija molekule CO2) prikazana je na slici. 2.11, a reakcija dodavanja molekule vode (reakcija hidrataze) je na sl. 2.12.

Riža. 2.11. Reakcija dekarboksilacije (eliminacija CO 2 molekule)

PF koenzim piridoksal fosfat

Riža. 2.12. Reakcija dodavanja molekule vode u fumarat

5. Izomeraze kataliziraju razne intramolekulske transformacije (sl. 2.13).

Riža. 2.13. Reakcija koju katalizira enzim fosfoglukoizomeraza

6. Ligaze(sintetaze) kataliziraju reakcije usložnjavanja molekule spajanjem dviju molekula jednu na drugu kako bi se stvorila kovalentna veza; u ovom slučaju koristi se energija ATP-a ili drugih visokoenergetskih spojeva (slika 2.14).

Riža. 2.14. Reakcija katalizirana enzimom glutamin sintetazom

TEMA 2.6. OSNOVE ENZIMSKE KINETIKE

KATALIZA

1. Kinetika enzimskih reakcija grana je enzimologije koja proučava ovisnost brzine kemijskih reakcija kataliziranih enzimima o kemijskoj prirodi tvari koje reagiraju i čimbenicima okoliša.

Za mjerenje katalitičke aktivnosti enzima koriste se pokazatelji kao što su brzina reakcije ili aktivnost enzima. Brzina enzimske reakcije određena 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 koriste konvencionalne vrijednosti za karakterizaciju aktivnosti enzima: 1 međunarodna jedinica aktivnosti (IU) odgovara količini enzima koja katalizira pretvorbu 1 µmol supstrata u 1 minuti pod optimalnim uvjetima (temperatura 37° C, optimalna pH vrijednost otopine) za enzimatsku reakciju

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

Za procjenu broja molekula enzima među ostalim proteinima danog tkiva, odredite specifičnu aktivnost (Sp.A.) enzima, numerički jednaku količini pretvorenog supstrata (u µmol) po jedinici vremena od jednog miligrama (mg) proteina (enzim izoliran iz tkiva):

Stupanj pročišćenja enzima ocjenjuje se prema specifičnoj aktivnosti: što je manje stranih proteina, to je veća specifična aktivnost.

2. Kinetika enzimskih reakcija proučava se u optimalnim uvjetima za odvijanje enzimske reakcije. Optimalni uvjeti su individualni za svaki enzim i određeni su prvenstveno temperaturom na kojoj se odvija reakcija i pH vrijednošću otopine.

Povećanje temperature do određenih granica, ona utječe na brzinu enzimske reakcije na isti način na koji temperatura utječe na bilo koju kemijsku reakciju: s povećanjem temperature, brzina enzimske reakcije raste. Međutim, brzina enzimske kemijske reakcije ima svoj temperaturni optimum, čiji je višak popraćen smanjenjem enzimske aktivnosti, što je povezano s toplinskom denaturacijom proteinske molekule (slika 2.15). Za većinu ljudskih enzima optimalna temperatura je 37-38 °C.

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

Aktivnost enzima ovisi o pH otopina u kojoj se odvija enzimska reakcija. Utjecaj pH na aktivnost enzima posljedica je promjena u ionizaciji funkcionalnih skupina aminokiselinskih ostataka određenog proteina i supstrata, čime se osigurava optimalna tvorba kompleksa enzim-supstrat. Za svaki enzim postoji pH vrijednost pri kojoj se opaža njegova maksimalna aktivnost (slika 2.16).

Riža. 2.16. Ovisnost brzine enzimske reakcije (V) o pH medija

3. Kinetičke karakteristike enzimske reakcije ovise o koncentraciji reaktanata. Ako se koncentracija enzima ostavi konstantnom, mijenjajući samo količinu supstrata, tada je graf brzine enzimske reakcije opisan hiperbolom (slika 2.17). Kako se količina supstrata povećava, početna brzina reakcije raste. Kada enzim postane potpuno zasićen supstratom, tj. najveća moguća tvorba kompleksa enzim-supstrat događa se pri danoj koncentraciji enzima, a uočena je najveća brzina tvorbe proizvoda. Daljnji porast koncentracije supstrata ne dovodi do povećanja količine nastalog produkta, 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 produkta pri danoj koncentraciji enzima i u uvjetima viška supstrata; V max je konstantna vrijednost za danu koncentraciju enzima.

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

V max je maksimalna brzina reakcije pri danoj koncentraciji enzima pod optimalnim reakcijskim uvjetima; K m - Michaelisova konstanta

4. Glavna kinetička karakteristika učinkovitosti enzima je Michaelisova konstanta - K m. Michaelisova konstanta brojčano je jednaka koncentraciji supstrata pri kojoj se postiže polovica najveće brzine. K m karakterizira afinitet određenog enzima za određeni supstrat i konstantna je vrijednost. Što je niži Km, to je veći afinitet enzima za određeni supstrat, to je veća početna brzina reakcije, i obrnuto, što je Km veći, to je manji afinitet enzima za supstrat i manja je početna brzina reakcije.

1. Prepišite tablicu u svoju bilježnicu. 2.2. Pomoću udžbenika i dodatne literature popunite tablicu. Izvedite zaključak o potrebi raznolike prehrane za ljudsko zdravlje.

2. Prepišite tablicu u svoju bilježnicu. 2.3 i ispunite ga. Koristeći udžbenik, zapišite po jednu reakciju koja uključuje svaki koenzim.

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

slučaj. Koje je biokemijsko značenje konstante K?

Tablica 2.2. Karakteristike glavnih vitamina topljivih u vodi koji su prekursori koenzima

Tablica 2.3. Osnovni koenzimi

Riža. 2.18. Ovisnost brzine enzimskih reakcija o koncentraciji supstrata

ZADACI ZA SAMOKONTROLU

1. Izaberite ispravne odgovore. Enzimi:

A. Jesu li proteini

B. Smanjiti brzinu enzimskih reakcija

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

2. Izaberite ispravne odgovore. Michaelisova konstanta (Km):

A. Karakteristika je supstratne specifičnosti enzima B. Brojčano jednaka koncentraciji supstrata pri kojoj se opaža polovica Vmax

B. Karakterizira afinitet enzima za supstrat

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

3. Izaberite ispravne odgovore. Koenzim PF djeluje s enzimima sljedećih klasa:

A. Oksidoreduktaza B. Transferaza

B. Hidrolaza G. Liaz D. Izomeraze

4. Podudaranje. Vrsta reakcije u kojoj sudjeluje koenzim:

A. Karboksilacija B. Oksidacijsko-redukcijska

B. Transaminacija D. Acilacija E. Acetilacija

Koenzim:

2. Piridoksal fosfat

5. Podudaranje. Enzim katalizira:

A. Samo ireverzibilne reakcije

B. Reakcije istog tipa s malim brojem (skupinom) strukturno sličnih supstrata

B. Pretvorba samo jednog od postojećih stereoizomera supstrata

D. Reakcije u prisutnosti koenzima E. Pretvorba samo jednog supstrata Specifičnost supstrata:

1. Apsolutni

2. Skupina

3. Stereospecifičnost

6. Izvršite "lanac" zadatak:

A) redoks reakcije kataliziraju enzimi klase

A. Transferaze

B. Oksidoreduktaze

b) enzimi koji pripadaju potklasi ove klase provode reakcije

odvajanje vodikovih atoma od supstrata:

A. Oksidaze

B. Hidroksilaze

B. Dehidrogenaze

V) Koenzim za ove enzime je:

B. Koenzim A

G) koenzim se temelji na vitaminima:

A. Nikotinska kiselina B. Biotin

B. Vitamin B 2

d) Nedostatak ovog vitamina dovodi do sljedećih bolesti:

B. Pelagra

B. Makrocitna anemija

7. Podudaranje. Klasa enzima:

A. Oksidoreduktaza B. Hidrolaza

B. Ligaza G. Liase

D. Transferaza

Enzim:

1. Sukcinat dehidrogenaza

2. Piruvat karboksilaza.

3. DNaza.

8. Dopuni rečenice riječima koje nedostaju:

aktivnost. Koenzim povezan s apoenzimom 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 skupina

OSNOVNI POJMOVI I POJMOVI

1. Enzimologija

2. Enzimska kataliza

3. Kompleks enzim-supstrat

4. Kinetika enzimske katalize

5. Podloga

6. Aktivno mjesto enzima

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 biokemijskim laboratorijima koriste automatski biokemijski analizatori za određivanje aktivnosti enzima u ljudskim biološkim tekućinama. Pomozite laboratorijskom tehničaru razumjeti reagense koji će se koristiti za određivanje aktivnosti laktat dehidrogenaze (LDH) i izračunati aktivnost LDH u dva pacijenta. Za ovo:

a) napišite reakciju koju katalizira LDH;

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

c) navesti uvjete reakcije (temperatura, vrijeme);

d) objasniti kojim se parametrom može procijeniti brzina enzimske reakcije;

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

Tablica 2.4. Podaci za određivanje aktivnosti LDH

2. Ljudi su homeotermni (temperatura se održava na konstantnoj razini) živi organizmi. U medicini se u nekim slučajevima za liječenje koriste ekstremne temperature. Konkretno, hipotermija se koristi za dugotrajne operacije, posebno na mozgu i srcu) hipertermija se koristi u svrhu koagulacije tkiva. Objasnite valjanost ovih pristupa sa stajališta enzimologa. Odgovoriti:

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

b) nacrtati graf ovisnosti brzine enzimskih reakcija o temperaturi;

c) objasniti potrebu dugotrajnih kirurških zahvata u hipotermiji;

d) opisati na čemu se temelji metoda termalne koagulacije tkiva;

e) ukazati na posljedice izlaganja kritičnim temperaturama na ljude.

3. Bolesnica stara 35 godina javila se u ambulantu s pritužbama na upalne procese sluznice usne šupljine, umor mišića i konjuktivitis. Bolesnica se dugo vremena hranila jednoličnom hranom, isključujući iz prehrane namirnice kao što su jetra, raž, mlijeko i kvasac. Liječnik je dijagnosticirao hipovitaminozu B2. Objasnite razloge uočenih simptoma. Za ovo:

a) navedite koenzime koji nastaju iz vitamina B2;

b) naznačiti u kojim reakcijama ti koenzimi sudjeluju;

c) napisati radne dijelove formule za oksidirani i reducirani oblik koenzima;

d) navesti primjere reakcija u kojima sudjeluju ovi koenzimi (koristiti materijal iz udžbenika).

4. Enzim kisela fosfataza hidrolizira estere fosforne kiseline. Ovaj enzim nastaje u stanicama jetre, slezene i prostate; sadrže ga crvene krvne stanice, trombociti, makrofagi i osteoklasti. Ovaj enzim također je sadržan u akrosomu spermija i tijekom oplodnje razgrađuje fosfolipide plazmaleme oocita. Najveća enzimska aktivnost kisele fosfataze javlja se pri kiselim pH vrijednostima (4,7-6,0). Nacrtajte graf ovisnosti brzine reakcije u odnosu na pH i objasnite zašto se aktivnost kisele fosfataze mijenja s promjenama pH. Navedite dijagram reakcije. Odredite klasu enzima i njegovu specifičnost.

5. Proučavanjem brzine reakcije pretvorbe dipeptida pod djelovanjem peptidaze tankog crijeva dobiveni su sljedeći 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 o zadatku:

a) napišite reakcijsku shemu, odredite klasu enzima i vezu koju on razara u supstratu;

b) nacrtati graf brzine reakcije ovisno o koncentraciji supstrata i odgovoriti na pitanje zadatka;

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

6. Student je odredio specifičnu aktivnost enzima lizozima izoliranog iz bjelanjka kokošjeg jajeta. Lizozim hidrolizira glikoproteine ​​stanične stijenke bakterija. Student je inkubirao reakcijsku smjesu koja je sadržavala supstrat, enzim i pufer koji osigurava optimalnu pH vrijednost od 5,2 i otkrio da je pod utjecajem 1 mg lizozima u 15 minuta nastalo samo 12 µmol produkta. Napravivši izračun i saznavši razlog

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

7. Djelovanje mnogih enzima u stanici regulirano je drugim enzimima – protein kinazom i fosfoprotein fosfatazom. Navedite značajke tih reakcija; napiši reakcije koje kataliziraju ti enzimi, označi kojoj klasi enzima pripadaju. Obratite pozornost na specifičnost supstrata.

Modularna cjelina 2 REGULACIJA AKTIVNOSTI ENZIMA. MEDICINSKI ASPEKTI ENZIMOLOGIJE

Ciljevi učenja Biti u stanju:

1. Protumačiti rezultate utjecaja inhibitora - lijekova, otrova - na enzimske reakcije organizma.

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

3. Objasniti osnove primjene enzima kao lijekova.

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

5. Interpretirati rezultate određivanja aktivnosti enzima u dijagnostici bolesti.

Znati:

1. Podjela inhibitora enzima prema mehanizmu djelovanja.

2. Primjeri lijekova - inhibitora enzima.

3. Osnovni mehanizmi regulacije aktivnosti enzima u organizmu.

4. Načela regulacije metaboličkih putova i uloga enzima u regulaciji metabolizma.

5. Osnove primjene enzima u dijagnostici i liječenju bolesti.

TEMA 2.7. INHIBITORI AKTIVNOSTI ENZIMA

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

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

2. Inhibitori se mogu vezati na enzime s različitim stupnjevima snage. Na temelju toga razlikuju reverzibilan I ireverzibilna inhibicija. Reverzibilni inhibitori vežu se na enzim slabim nekovalentnim vezama i pod određenim uvjetima lako se odvajaju od enzima:

E+I↔ EI.

Ireverzibilna inhibicija uočeno u slučaju stvaranja kovalentnih stabilnih veza između molekule inhibitora i enzima:

E+I→ E-I.

3. Prema mehanizmu djelovanja reverzibilne inhibitore dijelimo na natjecateljski I nenatjecateljski.

Kompetitivna inhibicija uzrokuje reverzibilno smanjenje brzine enzimske reakcije kao rezultat vezanja inhibitora na aktivno mjesto enzima, što sprječava stvaranje kompleksa enzim-supstrat. Ova vrsta inhibicije javlja se kada je inhibitor strukturni analog supstrata; Kao rezultat toga dolazi do natjecanja između molekula supstrata i inhibitora za vezanje na aktivno središte enzima. U ovom slučaju ili supstrat ili inhibitor stupaju u interakciju s enzimom, tvoreći komplekse enzim-supstrat (ES) ili enzim-inhibitor (EI). Kada se formira kompleks enzim-inhibitor (EI), ne nastaje produkt reakcije (slika 2.19).

Riža. 2.19. Shema kompetitivne inhibicije aktivnosti enzima

Za kompetitivni tip inhibicije vrijede sljedeće jednadžbe:

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 odsutnosti inhibitora, tj. konkurentski 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 (prisutnost dviju karboksilnih skupina) i također može djelovati s aktivnim mjestom sukcinat dehidrogenaze. Međutim, prijenos dva atoma vodika na prostetičku skupinu FAD iz malonske kiseline nije moguć i stoga je brzina reakcije smanjena.

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

A - sukcinat se ionskim vezama veže na aktivno središte enzima sukcinat dehidrogenaze; B - tijekom enzimske reakcije dva atoma vodika se uklanjaju iz sukcinata i dodaju koenzimu FAD. Kao rezultat, formira se fumarat, koji se uklanja s aktivnog mjesta sukcinat dehidrogenaze; B - malonat je strukturni analog sukcinata; također se veže na aktivno mjesto sukcinat dehidrogenaze, ali ne dolazi do kemijske reakcije

4. Mnogi lijekovi svoj terapeutski učinak ostvaruju putem mehanizma kompetitivne inhibicije. Na primjer, reakciju hidrolize acetilkolina u kolin i octenu kiselinu katalizira enzim acetilkolinesteraza (AChE) (Sl. 2.21) i može se inhibirati u prisutnosti kompetitivnih inhibitora ovog enzima (npr. proserin, endrofonij itd.) (slika 2.22). Dodavanjem takvih inhibitora smanjuje se aktivnost acetilkolinesteraze, povećava se koncentracija acetilkolina (supstrata), što je popraćeno povećanjem provođenja živčanih impulsa. Kompetitivni inhibitori acetilkolinske esteraze koriste se u liječenju mišićnih distrofija, kao i za liječenje poremećaja kretanja nakon ozljeda, paraliza i poliomijelitisa.

Riža. 2.21. Reakcija hidrolize acetilkolina pod utjecajem AChE

Riža. 2.22. Vezanje kompetitivnih inhibitora na aktivno mjesto AChE

A - dodatak supstrata (acetilkolina) u aktivno središte enzima.

Strelica označava mjesto hidrolize acetilkolina; B - dodatak kompetitivnog inhibitora proserina aktivnom centru enzima. Nema reakcije; B - vezanje kompetitivnog inhibitora endrofonija na aktivno središte enzima. Vezanje inhibitora na aktivno mjesto AChE sprječava vezanje acetilkolina

Drugi primjer lijekova čiji se mehanizam djelovanja temelji na kompetitivnoj inhibiciji enzima je primjena peptidnih inhibitora proteolitičkog enzima tripsina za bolesti gušterače (akutni pankreatitis, nekroza), kao npr. aprotinin, trasilol, kontrikal. Ovi lijekovi inhibiraju tripsin koji se otpušta u okolna tkiva i krv i time sprječavaju neželjene autolitičke događaje kod bolesti gušterače.

5. U nekim slučajevima, kompetitivni inhibitori, u interakciji s aktivnim središtem enzima, mogu se koristiti kao pseudosupstrati(antimetaboliti), što dovodi do sinteze proizvoda s nepravilnom strukturom. Dobivene tvari nemaju "željenu" strukturu i stoga nemaju funkcionalnu aktivnost. Ovi lijekovi uključuju sulfonamidne lijekove.

6. Nenatjecateljski 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 enzimsku aktivnost. Primjer nekompetitivnog inhibitora može biti djelovanje iona teških metala, koji stupaju u interakciju s funkcionalnim skupinama molekule enzima, ometajući katalizu.

7. Ireverzibilni inhibitori smanjuju enzimsku aktivnost kao rezultat stvaranja kovalentnih veza s molekulom enzima. Najčešće, aktivno središte enzima prolazi kroz modifikaciju. Zbog toga enzim ne može obavljati svoju katalitičku funkciju.

Primjena ireverzibilnih inhibitora je od većeg interesa za rasvjetljavanje mehanizma djelovanja enzima. Važne podatke o strukturi aktivnog centra enzima daju spojevi koji blokiraju određene skupine aktivnog centra. Takvi inhibitori se nazivaju specifično. Specifični inhibitori uključuju diizopropil fluorofosfat (DFP). DPP stvara kovalentnu vezu s OH skupinom serina, koja se nalazi u aktivnom središtu enzima i izravno je uključena u katalizu, stoga se DPP klasificira 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 tvore kovalentne veze s određenim enzimskim skupinama koje se nalaze ne samo u aktivnom centru, već iu bilo kojem dijelu molekule enzima. Na primjer, jod acetat (slika 2.24) stupa u interakciju s bilo kojom SH skupinom proteina. Ova interakcija mijenja konformaciju molekule enzima, a time i konformaciju aktivnog središta te smanjuje katalitičku aktivnost.

Riža. 2.23. Specifična inhibicija aktivnosti kimotripsina primjenom DPP-a

Riža. 2.24. Nespecifična inhibicija aktivnosti enzima jod acetatom.

Nespecifična inhibicija nastaje zbog kovalentne modifikacije cisteinskih SH skupina 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 katalizira stvaranje prostaglandina iz arahidonske kiseline. Kao rezultat, acetilni ostatak aspirina dodaje se slobodnoj terminalnoj OH skupini serina jedne od podjedinica ciklooksigenaze (slika 2.25). Time se blokira stvaranje prostaglandina (vidi modul 8), koji imaju širok raspon bioloških funkcija, uključujući medijatore upale. Stoga se aspirin svrstava u protuupalne lijekove. Inhibirane enzimske molekule se uništavaju, sinteza prostaglandina se obnavlja tek nakon sinteze novih enzimskih molekula.

Riža. 2.25. Mehanizam inaktivacije ciklooksigenaze primjenom ireverzibilnog inhibitora - aspirina

TEMA 2.8. REGULACIJA AKTIVNOSTI ENZIMA

1. Sve kemijske reakcije u stanici odvijaju se uz sudjelovanje enzima. Dakle, da bi se utjecalo na brzinu metaboličkog puta (sekvencijalne transformacije jedne tvari u drugu), dovoljno je regulirati broj molekula enzima ili njihovu aktivnost. Obično u metaboličkim putovima postoje ključni enzimi zbog čega se regulira brzina cijele staze. Ti se enzimi (jedan ili više u metaboličkom putu) nazivaju regulatorni enzimi. Regulacija brzine enzimskih reakcija provodi se na tri neovisne razine: promjenom broja molekula enzima, dostupnošću molekula supstrata i koenzima te promjenom katalitičke aktivnosti molekule enzima (tablica 2.6).

Tablica 2.5. Metode regulacije brzine enzimskih reakcija

Razmotrimo načine reguliranja brzine enzimskih reakcija promjenom katalitičke aktivnosti molekule enzima.

2. Alosterična regulacija. Alosterični enzimi nazvao enzimi, aktivnost koji može se prilagoditi pomoću efektorske tvari. Efektori uključeni u alosterijsku regulaciju su stanični metaboliti koji su često sudionici u samom putu koji reguliraju.

Djelotvorac koji uzrokuje smanjenje (inhibicija) aktivnost enzima naziva se inhibitor. Djelotvorac koji uzrokuje povećanje (aktivacija) aktivnost enzima naziva se aktivator.

Alosterični enzimi imaju određene strukturne značajke:

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

Imati alosterički centar, prostorno udaljen od katalitičkog aktivnog mjesta;

Efektori se nekovalentno vežu za enzim u alosteričkim (regulacijskim) centrima.

Alosterički centri, poput katalitičkih, mogu pokazivati ​​različitu specifičnost u odnosu na ligande: ona može biti apsolutna ili grupna. Neki enzimi imaju nekoliko alosteričnih centara, od kojih su neki specifični za aktivatore, drugi za inhibitore.

Protomer na kojem se nalazi alosterički centar naziva se regulatorni protomer Za razliku od katalitički protomer, koji sadrži aktivno središte u kojem se odvija kemijska reakcija.

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

Regulacija alosteričnih enzima reverzibilan: odvajanjem efektora od regulacijske podjedinice obnavlja se izvorna katalitička aktivnost enzima.

Alosterični enzimi katalizirati ključne reakcije ovog metaboličkog puta.

Alosterički enzimi igraju važnu ulogu u različitim metaboličkim putovima, jer iznimno brzo reagiraju i na najmanje promjene unutarnjeg sastava stanice. Brzina metaboličkih procesa ovisi o koncentraciji tvari, kako upotrijebljenih tako i nastalih u određenom lancu reakcija. Prekursori mogu biti aktivatori alosteričnih enzima u metaboličkom putu. U isto vrijeme, kada se krajnji produkt bilo kojeg metaboličkog puta akumulira, on može djelovati kao alosterički inhibitor enzima. Ova metoda regulacije uobičajena je u tijelu i naziva se "negativna povratna sprega":

Riža. 2.26. Shema strukture i funkcioniranja alosteričkog enzima:

A - djelovanje negativnog efektora (inhibitora). Inhibitor (I) se veže za alosterički centar, što uzrokuje kooperativne konformacijske promjene u molekuli enzima, uključujući i aktivno središte enzima. Afinitet enzima prema supstratu se smanjuje, a kao rezultat toga smanjuje se brzina enzimske reakcije; B - djelovanje pozitivnog efektora (aktivatora). Aktivator (A) se veže za alosterički 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 alosteričku regulaciju procesa katabolizma glukoze, koji završava stvaranjem molekule ATP (slika 2.27). U slučaju da se molekule ATP u stanici ne troše, on je inhibitor alosteričnih enzima ovog metaboličkog puta: fosfofruktokinaze i piruvat kinaze. U isto vrijeme, intermedijarni metabolit katabolizma glukoze, fruktoza-1,6-bisfosfat, je alosterički aktivator enzima piruvat kinaze. Inhibicija krajnjim produktom metaboličkog puta i aktivacija početnim metabolitima omogućuje

Riža. 2.27. Alosterična regulacija procesa katabolizma glukoze.

Molekula ATP je alosterički inhibitor enzima metaboličkog puta – fosfofruktokinaze i piruvat kinaze. Molekula fruktoza-1,6-bisfosfata je alosterički aktivator enzima piruvat kinaze

reguliraju brzinu metaboličkog puta. Alosterički enzimi u pravilu kataliziraju početne reakcije metaboličkog puta, ireverzibilne reakcije, reakcije koje ograničavaju brzinu (najsporije) ili reakcije na mjestu grananja metaboličkog puta.

3. Regulacija interakcijama protein-protein. Neki enzimi mijenjaju svoju aktivnost kao rezultat interakcija protein-protein. Mogu se razlikovati najmanje dva mehanizma za promjenu aktivnosti enzima na ovaj način: aktivacija enzima kao rezultat dodatka aktivatorskih proteina (aktivacija enzima adenilat ciklaze α-podjedinicom 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-ovisan) sastoji se od četiri podjedinice dva tipa: dvije regulatorne (R) i dvije katalitičke (C). Ovaj tetramer nema katalitičku aktivnost. Regulacijske podjedinice imaju vezna mjesta za ciklički 3",5"-AMP (cAMP) (dva za svaku podjedinicu). Vezanje četiriju cAMP molekula na dvije regulacijske podjedinice dovodi do promjene u konformaciji regulacijskih protomera i do disocijacije tetramernog kompleksa; ovo oslobađa dvije aktivne katalitičke podjedinice (slika 2.28). Aktivna protein kinaza A katalizira prijenos ostatka fosforne kiseline s ATP-a na specifične OH skupine aminokiselinskih ostataka proteina (tj. uzrokuje fosforilaciju proteina).

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

PKA aktiviraju četiri cAMP molekule, koje se vežu na dvije regulacijske podjedinice, što dovodi do promjene konformacije regulacijskih protomera i disocijacije tetramernog kompleksa. Ovo oslobađa dvije aktivne katalitičke podjedinice koje mogu uzrokovati fosforilaciju proteina

Cijepanje cAMP molekula od regulatornih podjedinica dovodi do povezivanja regulatornih i katalitičkih podjedinica proten kinaze A uz stvaranje neaktivnog kompleksa.

4. Regulacija katalitičke aktivnosti enzima fosforilacijom-defosforilacijom. U biološkim sustavima mehanizam za regulaciju aktivnosti enzima često se nalazi pomoću njihove kovalentne modifikacije. Brza i raširena metoda kemijske modifikacije enzima je njihova fosforilacija-defosforilacija.

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

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

Fosforilacija enzima odvija se uz pomoć enzima protein kinaze. Donor ostatka fosforne kiseline je molekula ATP. Fosforilacija enzima mijenja njegovu konformaciju i konformaciju aktivnog mjesta, čime se mijenja afinitet enzima prema supstratu. U ovom slučaju, neki enzimi se aktiviraju tijekom fosforilacije, dok su drugi inhibirani. Obrnuti proces - defosforilaciju - uzrokuju enzimi fosfoprotein fosfataze, koji odcjepljuju ostatke fosforne kiseline iz enzima i vraćaju enzim u prvobitno stanje

5. Regulacija katalitičke aktivnosti enzima djelomičnom (ograničenom) proteolizom. Neki enzimi koji djeluju 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 molekule. U preostalom dijelu proteinske molekule dolazi do konformacijskog preustroja i formiranja aktivnog središta enzima (sl. 2.30). Djelomična proteoliza je primjer regulacije kada se promijeni aktivnost enzima

Riža. 2.30. Aktivacija pepsina djelomičnom proteolizom.

Kao rezultat hidrolize jedne ili više peptidnih veza pepsinogena (neaktivne molekule), dio molekule se odvaja i nastaje aktivno središte enzima pepsin

nepovratan. Takvi enzimi obično djeluju kratko vrijeme, određeno životnim vijekom proteinske molekule. Djelomična proteoliza je u osnovi aktivacije probavnih proteolitičkih enzima (pepsin, tripsin, kimotripsin, elastaza), peptidnih hormona (inzulin), proteina sustava zgrušavanja krvi i niza drugih proteina.

TEMA 2.9. PRIMJENA ENZIMA U MEDICINI

1. Enzimi se široko koriste u medicinskoj praksi kao dijagnostika (enzimodijagnostika) i terapeutski (enzimska terapija) fondovi. Enzimi se također koriste kao specifični reagensi

za određivanje broja metabolita. Na primjer, enzim glukoza oksidaza koristi se za kvantitativno određivanje glukoze u mokraći i krvi; enzim ureaza se koristi za procjenu sadržaja uree u biološkim tekućinama; pomoću različitih dehidrogenaza detektira se prisutnost odgovarajućih supstrata, na primjer, piruvata, laktata, etilnog alkohola itd.

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

Principi enzimske dijagnostike temelje se na sljedećim principima:

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

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

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

Količina oslobođenog enzima trebala bi biti proporcionalna stupnju oštećenja tkiva i dovoljna za određivanje njegove aktivnosti;

Aktivnost enzima u biološkim tekućinama otkrivena kada su stanice oštećene razlikuje se od normalnih vrijednosti 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, poput nekroze.

Nazivaju se enzimi koji kataliziraju istu kemijsku reakciju, ali s različitim primarnim proteinskim strukturama izoenzimi. Međusobno se razlikuju po kinetičkim parametrima, uvjetima aktivacije i karakteristikama veze između apoenzima i koenzima. Priroda pojave izoenzima je raznolika, ali najčešće zbog razlika u strukturi gena koji kodiraju te izoenzime ili njihove podjedinice. Metode određivanja izoenzima temelje se na razlikama u fizikalno-kemijskim svojstvima. Izoenzimi su često specifično za organe, 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 omogućuje njihovo korištenje za dijagnosticiranje 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 s mol. težine 134.000, koja se sastoji od četiri podjedinice dva tipa - M (od engleskog mišića - mišića) i H (od engleskog srca - srca). Kombinacija ovih podjedinica je temelj formiranja pet izoformi laktat dehidrogenaze (slika 2.32, A). LDH 1 i LDH 2 najaktivniji su u srčanom mišiću i bubrezima, LDH 4 i LDH 5 - u skeletnim mišićima i jetri. Druga tkiva sadrže druge varijante ovog enzima. Izoforme LDH razlikuju se jedna od druge u elektroforetskoj pokretljivosti, što omogućuje utvrđivanje tkivnog identiteta izoformi LDH (slika 2.32, B). Za dijagnosticiranje bolesti srca, jetre i mišića potrebno je proučavati izoforme LDH u krvnoj plazmi pomoću elektroforeze. Na sl. 2.32, B prikazuje elektroferograme

Riža. 2.31. Reakcija katalizirana laktat dehidrogenazom (LDH)

Riža. 2.32. Izoforme laktat dehidrogenaze:

A - struktura različitih izoformi LDH; B - raspodjele na elektroferogramu i relativne količine izoformi LDH u različitim organima; B - sadržaj izoformi LDH u krvnoj plazmi u normalnim uvjetima iu patologiji (elektroferogrami - lijevo i fotometrijsko skeniranje - desno)

krvna plazma zdrave osobe, bolesnika s infarktom miokarda i bolesnika s hepatitisom. Detekcija tkivno specifičnih LDH izoformi u krvnoj plazmi naširoko se koristi kao dijagnostički test.

Drugi primjer je kreatin kinaza. Kreatin kinaza (CK) koji katalizira reakciju stvaranja kreatin-fosfata (slika 2.33). Molekula KK je dimer koji se sastoji od dvije vrste podjedinica M (od engleskog muscle - mišić) i B (od engleskog brain - mozak). Ove podjedinice tvore tri izoenzima: BB, MB, MM. Izoenzim BB nalazi se prvenstveno u mozgu, MM u skeletnim mišićima, a MV u srčanom mišiću. Izoforme KK imaju različite elektroforetske pokretljivosti (slika 2.34). U dijagnostici infarkta miokarda važno je određivanje aktivnosti CK u krvnoj plazmi (dolazi do porasta razine izoforme MB). Količina izoforme MM može se povećati tijekom traume i oštećenja skeletnih mišića. Izoforma BB ne može prodrijeti kroz krvno-moždanu barijeru, stoga se praktički ne može detektirati u krvi čak ni tijekom moždanog udara i nema dijagnostičku vrijednost.

Riža. 2.33. Reakcija katalizirana enzimom kreatin kinazom (CK)

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

Enzimodijagnostika koristi se za postavljanje dijagnoze bolesti raznih organa. Skup analiza ovisi o mogućnostima pojedinog biokemijskog laboratorija i stalno se usavršava. Najčešći enzimski dijagnostički testovi su:

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

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

Za bolesti prostate - kisela fosfataza.

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

Nadomjesna terapija - primjena enzima u slučaju njihovog nedostatka;

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

Nadomjesna enzimska terapija je učinkovita kod gastrointestinalnih bolesti povezanih s nedovoljnim lučenjem probavnih sokova. Na primjer, pepsin se koristi za gastritis sa smanjenom sekretornom funkcijom. Nedostatak enzima gušterače također se može u velikoj mjeri nadoknaditi 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) koriste se lokalno za liječenje gnojnih rana radi razgradnje bjelančevina mrtvih stanica, uklanjanja krvnih ugrušaka ili viskoznih sekreta kod upalnih bolesti dišnog sustava. Enzimski pripravci ribonukleaza i deoksiribonukleaza koriste se kao antivirusni lijekovi u liječenju adenovirusnog konjunktivitisa i herpetičkog keratitisa.

Enzimski pripravci postali su naširoko korišteni kod tromboze i tromboembolije za uništavanje krvnog ugruška. U tu svrhu koriste se pripravci fibrinolizina, streptoliaze, streptodekaze i urokinaze.

Enzim hijaluronidaza (lidaza), koji katalizira razgradnju hijaluronske kiseline, koristi se supkutano i intramuskularno za rješavanje priraslica i ožiljaka nakon opeklina i operacija.

Enzim asparaginaza (uništava aminokiselinu Asn u krvi) koristi se za rak krvi, ograničavajući dotok aminokiseline Asn u tumorske stanice. Stanice leukemije nisu sposobne samostalno sintetizirati ovu aminokiselinu, pa smanjenje njezinog sadržaja u krvi usporava rast tih stanica.

TEMA 2.10. ENZIMOPATIJE

U osnovi mnogih bolesti je poremećaj funkcioniranja enzima u stanici – tzv enzimopatije. Postoje primarne (nasljedne) i sekundarne (stečene) enzimopatije. Čini se da se stečene enzimopatije, kao i proteinopatije općenito, opažaju u svim bolestima.

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

Stvaranje konačnih proizvoda je poremećeno, što uzrokuje nedostatak određenih tvari (na primjer, s albinizmom, pigment se ne proizvodi u stanicama kože);

Akumuliraju se prekursorski supstrati koji imaju toksični učinak na tijelo (na primjer, kod alkaptonurije se nakuplja intermedijarni metabolit - homogentezinska kiselina, koja se taloži u zglobovima, uzrokujući upalne procese u njima).

Riža. 2.35. Metabolički put s enzimopatijom E 3

ZADACI ZA IZVANNASTAVNI RAD

Riješiti probleme

1. U stanicama masnog tkiva dolazi do prebacivanja metaboličkih procesa s anaboličkih na kataboličke ovisno o ritmu prehrane. Hormoni koji reguliraju aktivnost ključnih enzima fosforilacijom-defosforilacijom igraju važnu ulogu u regulaciji ovog prekidača. Dovršite shemu regulacije aktivnosti ključnog enzima za razgradnju masti (slika 2.36), ako je poznato da je taj enzim (TAG lipaza) aktivan u fosforiliranom obliku, a neaktivan u defosforiliranom obliku. Da odgovorim na pitanje:

a) prepišite dijagram u bilježnicu i označite nazive enzima koji uzrokuju fosforilaciju i defosforilaciju proteina (njihove nazive upiši u pravokutnike);

b) navedite klasu ovih enzima;

c) napiši dodatne supstrate i produkte koji sudjeluju u tim reakcijama (napiši njihove nazive u kvadratiće);

d) zaključiti o ulozi hormona u regulaciji metabolizma stanice.

Riža. 2.36. Regulacija aktivnosti TAG lipaze

2. Asparaginaza, koja katalizira reakciju katabolizma asparagina, našla je primjenu u liječenju leukemije. Preduvjet za antileukemijski učinak asparaginaze bila je činjenica da je u leukemijskim stanicama identificiran neispravan enzim za sintezu asparagina, asparagin sintetaza. Objasnite terapijski učinak asparaginaze. Odgovoriti:

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

b) navesti razrede kojima ti enzimi pripadaju;

c) zaključiti o koncentraciji Asn u tumorskim stanicama pri uporabi asparaginaze;

d) objasniti zašto primjena asparaginaze smanjuje brzinu rasta tumorskog tkiva.

3. Prenesite ga u svoju bilježnicu i popunite tablicu. 2.7 o primjeni enzima u medicini korištenjem materijala iz ovog priručnika, udžbenika.

4. Prenesite ga u svoju bilježnicu i popunite tablicu. 2.8 o lijekovima - inhibitorima enzima, koristeći trenutni odjeljak, udžbenik, dodatnu literaturu.

Tablica 2.7. Lijekovi – inhibitori enzima

ZADACI ZA SAMOKONTROLU

1. Izaberi točan odgovor.

Kompetitivni inhibitori:

A. Formirati kovalentne veze s aktivnim centrom enzima B. Interakcija s alosteričkim centrom

B. Interakcija s aktivnim mjestom enzima, tvoreći slabe veze

D. Smanjite K w D. Smanjite V max

2. Izaberi točan odgovor. Ireverzibilni inhibitori:

A. Oni su strukturni analozi supstrata B. Oni tvore kovalentne veze s enzimom

B. Stvaranje slabih veza s enzimom

D. Interakcija s regulatornim centrom

D. Smanjiti njihov učinak povećanjem koncentracije supstrata

3. Izaberite ispravne odgovore. Alosterički enzimi općenito su:

A. Oni su proteini s tercijarnom strukturom

B. Sastoje se od nekoliko protomera C. Nepovratno inhibirani

D. Imaju aktivne i alosterične centre smještene na različitim protomerima

D. Regulirano metabolitima ovog procesa

4. Izaberite ispravne odgovore.

Kada su enzimi regulirani djelomičnom proteolizom, događa se sljedeće:

A. Skraćivanje proteinskog peptidnog lanca

B. Promjene u sekundarnoj i tercijarnoj strukturi enzima

B. Ireverzibilna aktivacija

D. Ireverzibilna inhibicija

D. Formiranje aktivnog centra

5. Izaberi točan odgovor.

Regulacija aktivnosti enzima kroz interakcije protein-protein praćena je:

A. Ireverzibilna inhibicija

B. Pričvršćivanje ili odvajanje regulatornih proteinskih podjedinica

B. Pričvršćivanje efektorske molekule na alosterički centar D. Fosforilacija enzima

D. Defosforilacija enzima

6. Izaberite ispravne odgovore. Enzimodijagnostika se temelji na:

A. Otpuštanje enzima u krv tijekom oštećenja tkiva B. Specifičnost organa

B. Visoka stabilnost enzima

D. Prevladavanje određenih izoenzima u različitim tkivima D. Niska aktivnost ili potpuni izostanak aktivnosti dijagnostički značajnih enzima u krvi je normalna

7. Podudaranje.

Koristi se za dijagnosticiranje bolesti:

B. Žlijezda prostata

B. Gušterača D. Bubreg

D. Srca Enzim:

1. Kreatin kinaza

2. Amilaza

3. Kisela fosfataza

8. Izvršite "lanac" zadatak:

a) jedan od enzima koji se određuje tijekom enzimske dijagnostike infarkta miokarda je:

A. Kisela fosfataza B. Laktat dehidrogenaza

B. Amilaza

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. Izvršite zadatak "lanac":

A) Nakon trovanja organskim fluorofosfatima osoba doživljava:

A. Širenje zjenice

B. Povećana kontrakcija glatkih mišića

B. Opuštanje glatkih mišića

b) Razlog za ovaj učinak je sljedeće:

A. Poremećeno djelovanje Na+, E+-ATPaze B. Povećana količina acetilkolina

B. Smanjenje količine acetilkolina

V) To je zbog činjenice da fluorofosfati:

A. Oni su kompetitivni inhibitori acetilkolinesteraze (AChE)

B. Tvore kovalentne veze s AChE

B. Poremetiti sintezu acetilkolina

G) Ova metoda inhibicije se zove:

A. Nepovratni B. Povratni

B. Natjecateljski

d) slična metoda inhibicije uočena je kada se koristi:

A. Trasylol B. Aspirin

B. Proserina

STANDARDI ODGOVORA NA “ZADATKE SAMOKONTROLE”

3. B, D, 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. Ireverzibilna inhibicija

6. Natjecateljska inhibicija

7. Alosterična regulacija

8. Alosterički 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 RAZREDU

Riješiti probleme

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

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

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

c) navesti mehanizam regulacije ovih enzima, njihovu lokalizaciju u metaboličkom putu i strukturne značajke;

d) navesti koji su spojevi i za koje enzime efektori;

e) opravdati koncept regulacije “mehanizmom negativne povratne sprege”.

Riža. 2.37. Shema stvaranja purinskih nukleotida u stanici

2. Godine 1935. njemački liječnik G. Domagk otkrio je antimikrobni učinak protonzila (crveni streptocid), sintetiziranog kao boja. Ubrzo je utvrđeno da je aktivni princip crvenog streptocida sulfonamid (streptocid) nastao tijekom njegovog metabolizma, koji je bio predak velike skupine sulfonamidnih lijekova (slika 2.38).

Riža. 2.38. Struktura folne kiseline i opća formula sulfonamida

Bakteriostatski učinak sulfonamida je da zamjenjuju para-aminobenzojevu kiselinu (PABA) u aktivnom centru enzima dihidropteorat sintaze tijekom sinteze folne kiseline od strane bakterija, koja je neophodna za stvaranje nukleinskih kiselina; uslijed toga dolazi do poremećaja rasta i razvoja mikroorganizama. Folna kiselina se ne sintetizira u ljudskom tijelu, već se unosi hranom kao vitamin.

Objasniti mehanizam antibakterijskog djelovanja sulfonamida, odgovoriti na pitanja:

a) kako se naziva ova vrsta inhibicije (usporedite strukturu sulfonamida i PABA)? Kako takvi inhibitori utječu na Kt i Vmax

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

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

3. Psihijatru su se obratila 2 pacijenta s depresivnim poremećajem. Poznato je da je uzrok depresije kod ljudi u nekim slučajevima nedostatak neurotransmitera u sinaptičkoj pukotini. Također u mozgu postoje enzimi iz skupine monoaminooksidaza (MAO), koji uništavaju neurotransmitere otpuštene u sinaptičku pukotinu. Prvom pacijentu je propisan pirlindol, koji je strukturni analog medijatora serotonina. Drugi je nialamid, koji se može kovalentno vezati na aktivno mjesto MAO. Objasnite mehanizme djelovanja ovih lijekova i navedite koji će bolesnik najvjerojatnije brže reagirati na lijek. Odgovoriti:

a) okarakterizirajte učinak ovih lijekova na MAO, navedite razliku u

mehanizmi interakcije s ovim enzimom;

b) dati shemu inhibicije MAO pirlindolom i nialamidom;

c) na temelju mehanizma inhibicije ovih lijekova objasniti

koji će imati dugotrajniji učinak na organizam i zašto.

4. Nedavno je došlo do povećanja upotrebe metanola za proizvodnju tehničkih tekućina koje se koriste u proizvodima za njegu vozila, uključujući proizvode za pranje vjetrobrana. Glavna opasnost od metilnog alkohola ili metanola je njegova upotreba kao surogat alkohola, što dovodi do smrti. Prema tome, prema Znanstvenom i praktičnom toksikološkom centru 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 sudjeluje u katabolizmu etanola, što uzrokuje nakupljanje acetaldehida. Da odgovorim na pitanje:

a) napišite reakcije oksidacije etanola, vodeći računa da dolazi do oksidacije

ide u dvije faze s stvaranjem intermedijarnog spoja - acetaldehida; konačni proizvod je octena kiselina; koenzim obje reakcije je NAD+;

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

c) predložiti način liječenja u slučaju trovanja metanolom.

5. Nekada su talijanske dame kapale sok od beladone u oči, zbog čega su se zjenice proširile, a oči dobile poseban sjaj. Sada je poznato da sličan učinak uzrokuje alkaloid atropin, sadržan u mnogim biljkama: belladonna, henbane, datura. Objasnite mehanizam djelovanja atropina. Za ovo:

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

b) odgovoriti gdje se atropin i lijekovi sličnog djelovanja koriste u medicini;

c) navedite koje mjere se mogu poduzeti u slučaju predoziranja atropinom? Obrazložiti moguće načine povećanja koncentracije acetilkolina i objasniti potrebu za tim djelovanjem.

6. Upotreba velikih doza kofein kod ljudi uzrokuje simptome slične učincima adrenalina: ubrzan rad srca; bronhijalna dilatacija, uzbuđenje, promjene u metabolizmu u tkivima koja talože prijenosnike energije. Objasnite mehanizam djelovanja kofeina, imajući u vidu da je on kompetitivni inhibitor enzima fosfodiesteraze (PDE), odgovornog za razgradnju cAMP:

Da odgovorim na ovo pitanje:

a) odgovorite, koncentracija koje tvari će se povećati u stanici pod utjecajem kofeina;

b) objasniti mehanizam regulacijskog djelovanja cAMP u stanici; shematski prikazati strukturu enzima, koji se aktivira zbog porasta koncentracije cAMP u stanici;

c) navedite koji će se procesi u stanici aktivirati upotrebom kofeina? Napišite dijagram tih reakcija;

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

7. Pacijentica L. je primljena u bolnicu sa sumnjom na infarkt miokarda. Prema riječima pacijenta, 5 sati prije dolaska liječnika osjetio je nedostatak zraka. Liječnik je posumnjao na infarkt miokarda i hospitalizirao bolesnika. U bolnici je tijekom nekoliko dana rađen biokemijski test krvi za potvrdu dijagnoze. Rezultati analiza prikazani su u tablici. 2.9. Potvrđuju li dobiveni podaci liječničku dijagnozu? Odgovoriti:

U regulaciju metaboličkih putova uključene su tri vrste mehanizama. Prvi od njih, koji najbrže reagira na svaku promjenu situacije, povezan je s djelovanjem alosteričkih enzima (sl. 13-15), čija se katalitička aktivnost može promijeniti pod utjecajem posebnih tvari koje imaju stimulirajuće ili inhibicijski učinak (nazivaju se efektori ili modulatori; odjeljak 9.18).

U pravilu, alosterički enzimi zauzimaju mjesto na početku ili blizu početka određenog višeenzimskog niza i kataliziraju onu fazu koja ograničava brzinu cijelog procesa u cjelini; Obično ulogu takve pozornice igra praktički nepovratna reakcija.

Riža. 13-15 (prikaz, ostalo). Regulacija kataboličkog puta putem povratne sprege, tj. zbog inhibicije alosteričkog enzima krajnjim proizvodom 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 je kataliziran alosteričkim enzimom (ED) koji je inhibiran krajnjim proizvodom ove reakcijske sekvence. Alosterična inhibicija je označena isprekidanom crvenom strelicom koja povezuje inhibitorni metabolit s reakcijom koju katalizira alosterički enzim (katalizirana enzimom EJ obično je gotovo ireverzibilna reakcija u staničnim uvjetima.

U kataboličkim procesima praćenim sintezom ATP-a iz ADP-a, ovaj konačni produkt, ATP, često djeluje kao alosterički inhibitor jedne od ranih faza katabolizma. Alosterički inhibitor jedne od ranih faza anabolizma često je konačni proizvod biosinteze, na primjer, neka aminokiselina (odjeljak 9.18). Djelovanje nekih alosteričkih enzima stimuliraju specifični pozitivni modulatori. Alosterički enzim koji regulira jednu od kataboličkih reakcijskih sekvenci može, na primjer, biti podložan stimulirajućem utjecaju pozitivnih modulatora, ADP ili AMP, i inhibitornom učinku negativnog modulatora, ATP. Također postoje slučajevi kada alosterički enzim nekog metaboličkog puta reagira na specifičan način na intermedijarne ili finalne produkte drugih metaboličkih putova. Zahvaljujući tome, moguće je uskladiti brzinu djelovanja različitih enzimskih sustava.

Druga vrsta mehanizama koji reguliraju metabolizam u višim organizmima je hormonska regulacija (Sl. 13-16). Hormoni su posebne kemijske tvari (kemijski "glasnici") koje proizvode različite endokrine žlijezde i otpuštaju izravno u krv; prenose se krvlju u druga tkiva ili organe i ovdje stimuliraju ili inhibiraju određene vrste metaboličke aktivnosti. Hormon epinefrin, primjerice, izlučuje srž nadbubrežne žlijezde i prenosi ga krvlju u jetru, gdje potiče razgradnju glikogena u glukozu, što uzrokuje povećanje razine šećera u krvi. Osim toga, adrenalin potiče razgradnju glikogena u skeletnim mišićima; ovaj proces dovodi do stvaranja laktata i skladištenja energije u obliku ATP-a. Epinefrin proizvodi ove učinke vezanjem na specifična receptorska mjesta na površini mišićnih stanica ili stanica jetre.

Vezanje adrenalina služi kao signal; taj se signal prenosi u unutarnje dijelove stanice i ovdje uzrokuje kovalentnu modifikaciju pod čijim utjecajem glikogen fosforilaza (prvi enzim u sustavu koji katalizira pretvorbu glikogena u glukozu i druge proizvode; odjeljak 9.22) prelazi iz manje aktivnog oblika u aktivniji (Sl. 13-16).

Treća vrsta mehanizama regulacije metabolizma povezana je s promjenama koncentracije ovog enzima u stanici. Koncentracija bilo kojeg enzima u bilo kojem trenutku određena je omjerom brzina njegove sinteze i raspada. Brzina sinteze nekih enzima naglo se povećava pod određenim uvjetima; Sukladno tome, povećava se koncentracija ovog enzima u stanici. Ako, na primjer, životinja dobije hranu bogatu ugljikohidratima, ali siromašnu proteinima, tada njezina jetra sadrži izuzetno niske razine enzima koji u normalnim uvjetima kataliziraju razgradnju aminokiselina do acetil-CoA. Budući da ovi enzimi praktički nisu potrebni takvom prehranom, ne proizvode se u velikim količinama. Vrijedno je, međutim, prebaciti životinju na prehranu bogatu bjelančevinama, a unutar jednog dana značajno će se povećati sadržaj enzima u jetri, koji će sada biti potrebni za razgradnju probavljivih aminokiselina.

Riža. 13-16 (prikaz, ostalo). Hormonska regulacija enzimskih reakcija. Kao rezultat vezanja hormona adrenalina na specifične receptore koji se nalaze na površini stanica jetre, nastaje ciklički adenilat uz sudjelovanje enzima vezanog na membranu (adenilatne ciklaze). Potonji djeluje kao alosterički aktivator, odnosno unutarstanični posrednik, pod utjecajem kojeg glikogen fosforilaza prelazi iz neaktivnog oblika u aktivni, što dovodi do ubrzanja pretvorbe jetrenog glikogena u glukozu u krvi. Ovaj metabolički put je detaljno opisan u Pogl. 25.

Riža. 13-17 (prikaz, ostalo). Indukcija enzima. Visoka intracelularna koncentracija supstrata A može stimulirati biosintezu enzima E1, E2 i E3. Sadržaj ovih enzima u stanici se povećava, a time se stvara mogućnost da se te reakcije ubrzaju, čime se uklanja višak supstrata A. Višak supstrata A stoga služi kao signal za jezgru stanice, prisiljavajući je da “uključi” gene koji kontroliraju stvaranje enzima El, E2 i E3. Uključivanje gena znači sintezu odgovarajuće glasničke RNA; ulazi u ribosome, a kao rezultat toga, u njima se odvija sinteza enzima E1, E2 i E3.

Jetrene stanice stoga imaju sposobnost uključiti ili isključiti biosintezu specifičnih enzima, ovisno o prirodi hranjivih tvari koje ulaze u njih. Taj se fenomen naziva indukcija enzima (Sl. 13-17).

1. Sve kemijske reakcije u stanici odvijaju se uz sudjelovanje enzima. Dakle, da bi se utjecalo na brzinu metaboličkog puta (sekvencijalne transformacije jedne tvari u drugu), dovoljno je regulirati broj molekula enzima ili njihovu aktivnost. Obično u metaboličkim putovima postoje ključni enzimi zbog čega se regulira brzina cijele staze. Ti se enzimi (jedan ili više u metaboličkom putu) nazivaju regulatorni enzimi. Regulacija brzine enzimskih reakcija provodi se na tri neovisne razine: promjenom broja molekula enzima, dostupnošću molekula supstrata i koenzima te promjenom katalitičke aktivnosti molekule enzima (tablica 2.6).

Tablica 2.5. Metode regulacije brzine enzimskih reakcija

Razmotrimo načine reguliranja brzine enzimskih reakcija promjenom katalitičke aktivnosti molekule enzima.

2. Alosterična regulacija. Alosterični enzimi nazvao enzimi, aktivnost koji može se prilagoditi pomoću efektorske tvari. Efektori uključeni u alosterijsku regulaciju su stanični metaboliti koji su često sudionici u samom putu koji reguliraju.

Djelotvorac koji uzrokuje smanjenje (inhibicija) aktivnost enzima naziva se inhibitor. Djelotvorac koji uzrokuje povećanje (aktivacija) aktivnost enzima naziva se aktivator.

Alosterični enzimi imaju određene strukturne značajke:

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

Imati alosterički centar, prostorno udaljen od katalitičkog aktivnog mjesta;

Efektori se nekovalentno vežu za enzim u alosteričkim (regulacijskim) centrima.

Alosterički centri, poput katalitičkih, mogu pokazivati ​​različitu specifičnost u odnosu na ligande: ona može biti apsolutna ili grupna. Neki enzimi imaju nekoliko alosteričnih centara, od kojih su neki specifični za aktivatore, drugi za inhibitore.

Protomer na kojem se nalazi alosterički centar naziva se regulatorni protomer Za razliku od katalitički protomer, koji sadrži aktivno središte u kojem se odvija kemijska reakcija.

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

Regulacija alosteričnih enzima reverzibilan: odvajanjem efektora od regulacijske podjedinice obnavlja se izvorna katalitička aktivnost enzima.

Alosterični enzimi katalizirati ključne reakcije ovog metaboličkog puta.

Alosterički enzimi igraju važnu ulogu u različitim metaboličkim putovima, jer iznimno brzo reagiraju i na najmanje promjene unutarnjeg sastava stanice. Brzina metaboličkih procesa ovisi o koncentraciji tvari, kako upotrijebljenih tako i nastalih u određenom lancu reakcija. Prekursori mogu biti aktivatori alosteričnih enzima u metaboličkom putu. U isto vrijeme, kada se krajnji produkt bilo kojeg metaboličkog puta akumulira, on može djelovati kao alosterički inhibitor enzima. Ova metoda regulacije uobičajena je u tijelu i naziva se "negativna povratna sprega":

Riža. 2.26. Shema strukture i funkcioniranja alosteričkog enzima:

A - djelovanje negativnog efektora (inhibitora). Inhibitor (I) se veže za alosterički centar, što uzrokuje kooperativne konformacijske promjene u molekuli enzima, uključujući i aktivno središte enzima. Afinitet enzima prema supstratu se smanjuje, a kao rezultat toga smanjuje se brzina enzimske reakcije; B - djelovanje pozitivnog efektora (aktivatora). Aktivator (A) se veže za alosterički 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 alosteričku regulaciju procesa katabolizma glukoze, koji završava stvaranjem molekule ATP (slika 2.27). U slučaju da se molekule ATP u stanici ne troše, on je inhibitor alosteričnih enzima ovog metaboličkog puta: fosfofruktokinaze i piruvat kinaze. U isto vrijeme, intermedijarni metabolit katabolizma glukoze, fruktoza-1,6-bisfosfat, je alosterički aktivator enzima piruvat kinaze. Inhibicija krajnjim produktom metaboličkog puta i aktivacija početnim metabolitima omogućuje

Riža. 2.27. Alosterična regulacija procesa katabolizma glukoze.

Molekula ATP je alosterički inhibitor enzima metaboličkog puta – fosfofruktokinaze i piruvat kinaze. Molekula fruktoza-1,6-bisfosfata je alosterički aktivator enzima piruvat kinaze

reguliraju brzinu metaboličkog puta. Alosterički enzimi u pravilu kataliziraju početne reakcije metaboličkog puta, ireverzibilne reakcije, reakcije koje ograničavaju brzinu (najsporije) ili reakcije na mjestu grananja metaboličkog puta.

3. Regulacija interakcijama protein-protein. Neki enzimi mijenjaju svoju aktivnost kao rezultat interakcija protein-protein. Mogu se razlikovati najmanje dva mehanizma za promjenu aktivnosti enzima na ovaj način: aktivacija enzima kao rezultat dodatka aktivatorskih proteina (aktivacija enzima adenilat ciklaze α-podjedinicom 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-ovisan) sastoji se od četiri podjedinice dva tipa: dvije regulatorne (R) i dvije katalitičke (C). Ovaj tetramer nema katalitičku aktivnost. Regulacijske podjedinice imaju vezna mjesta za ciklički 3",5"-AMP (cAMP) (dva za svaku podjedinicu). Vezanje četiriju cAMP molekula na dvije regulacijske podjedinice dovodi do promjene u konformaciji regulacijskih protomera i do disocijacije tetramernog kompleksa; ovo oslobađa dvije aktivne katalitičke podjedinice (slika 2.28). Aktivna protein kinaza A katalizira prijenos ostatka fosforne kiseline s ATP-a na specifične OH skupine aminokiselinskih ostataka proteina (tj. uzrokuje fosforilaciju proteina).

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

PKA aktiviraju četiri cAMP molekule, koje se vežu na dvije regulacijske podjedinice, što dovodi do promjene konformacije regulacijskih protomera i disocijacije tetramernog kompleksa. Ovo oslobađa dvije aktivne katalitičke podjedinice koje mogu uzrokovati fosforilaciju proteina

Cijepanje cAMP molekula od regulatornih podjedinica dovodi do povezivanja regulatornih i katalitičkih podjedinica proten kinaze A uz stvaranje neaktivnog kompleksa.

4. Regulacija katalitičke aktivnosti enzima fosforilacijom-defosforilacijom. U biološkim sustavima često se nalazi mehanizam za regulaciju aktivnosti enzima pomoću njihove kovalentne modifikacije. Brza i raširena metoda kemijske modifikacije enzima je njihova fosforilacija-defosforilacija.

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

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

Fosforilacija enzima odvija se uz pomoć enzima protein kinaze. Donor ostatka fosforne kiseline je molekula ATP. Fosforilacija enzima mijenja njegovu konformaciju i konformaciju aktivnog mjesta, čime se mijenja afinitet enzima prema supstratu. U ovom slučaju, neki enzimi se aktiviraju tijekom fosforilacije, dok su drugi inhibirani. Obrnuti proces - defosforilaciju - uzrokuju enzimi fosfoprotein fosfataze, koji odcjepljuju ostatke fosforne kiseline iz enzima i vraćaju enzim u prvobitno stanje

5. Regulacija katalitičke aktivnosti enzima djelomičnom (ograničenom) proteolizom. Neki enzimi koji djeluju 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 molekule. U preostalom dijelu proteinske molekule dolazi do konformacijskog preustroja i formiranja aktivnog središta enzima (sl. 2.30). Djelomična proteoliza je primjer regulacije kada se promijeni aktivnost enzima

Riža. 2.30. Aktivacija pepsina djelomičnom proteolizom.

Kao rezultat hidrolize jedne ili više peptidnih veza pepsinogena (neaktivne molekule), dio molekule se odvaja i nastaje aktivno središte enzima pepsin

nepovratan. Takvi enzimi obično djeluju kratko vrijeme, određeno životnim vijekom proteinske molekule. Djelomična proteoliza je u osnovi aktivacije probavnih proteolitičkih enzima (pepsin, tripsin, kimotripsin, elastaza), peptidnih hormona (inzulin), proteina sustava zgrušavanja krvi i niza drugih proteina.