치트 시트 호르몬 효소. 레닝거 생화학의 기초 세포의 대사 활동을 조절하는 방법

동적생화학

장IV.8.

신진대사와 에너지

대사 또는 신진 대사-생명에 필요한 물질과 에너지를 공급하는 신체의 일련의 화학 반응입니다. 신진 대사에서는 두 가지 주요 단계로 구분할 수 있습니다. 준비 - 영양 경로를 통해 수용된 물질이 화학적 변형을 거쳐 혈액에 들어가서 세포에 침투할 수 있는 경우와 신진 대사 자체, 즉 세포에 침투한 화합물의 화학적 변형.

대사 경로 -이것은 신체의 특정 물질의 화학적 변형의 성격과 순서입니다. 대사과정에서 형성된 중간산물을 대사산물이라 하며, 대사경로의 마지막 화합물이 최종산물이다.

복잡한 물질을 단순한 물질로 분해하는 과정을 이화작용. 따라서 음식에 포함된 단백질, 지방, 탄수화물은 소화관의 효소 작용에 따라 더 간단한 구성 요소(아미노산, 지방산, 단당류)로 분해됩니다. 이것은 에너지를 방출합니다. 역과정, 즉 단순한 화합물로부터 복잡한 화합물을 합성하는 과정을 호출합니다. 동화작용 . 에너지 소비가 따르게 됩니다. 소화 결과 형성된 아미노산, 지방산 및 단당류로부터 새로운 세포 단백질, 막 인지질 및 다당류가 세포에서 합성됩니다.

개념이 있다 양서류 한 화합물이 파괴되고 다른 화합물이 합성되는 경우.

대사주기 최종 생성물 중 하나가 이 과정에 관련된 화합물 중 하나와 동일한 대사 경로입니다.

특정 대사 경로는 하나의 특정 화합물(탄수화물 또는 단백질)의 일련의 변형입니다. 일반적인 대사 경로는 두 가지 이상의 유형의 화합물이 관여하는 경우입니다(탄수화물, 지질 및 부분적으로 단백질이 에너지 대사에 관여함).

대사 기질 - 음식과 함께 제공되는 화합물. 그 중에는 주요 영양소(단백질, 탄수화물, 지질)와 소량으로 나오는 미량 영양소(비타민, 미네랄)가 있습니다.

신진대사의 강도는 세포의 특정 물질이나 에너지 필요량에 따라 결정되며, 조절은 네 가지 방식으로 수행됩니다.

1) 특정 대사 경로의 총 반응 속도는 이 경로의 각 효소 농도, 환경의 pH 값, 각 중간 생성물의 세포내 농도, 보조인자와 조효소의 농도에 따라 결정됩니다.

2) 일반적으로 대사 경로의 초기 단계를 촉매하는 조절(알로스테릭) 효소의 활성. 이들 중 대부분은 이 경로의 최종 산물에 의해 억제되며 이러한 유형의 억제를 "피드백"이라고 합니다.

3) 특정 효소의 합성 속도를 결정하는 유전적 조절. 놀라운 예는 해당 기질의 공급에 반응하여 세포에서 유도 가능한 효소의 출현입니다.

4) 호르몬 조절. 다양한 호르몬이 대사 경로에서 많은 효소를 활성화하거나 억제할 수 있습니다.

살아있는 유기체는 열역학적으로 불안정한 시스템입니다. 에너지의 형성과 기능을 위해서는 다각적인 사용에 적합한 형태로 지속적인 에너지 공급이 필요합니다. 에너지를 얻기 위해 지구상의 거의 모든 생명체는 ATP의 피로인산 결합 중 하나를 가수분해하도록 적응했습니다. 이와 관련하여 살아있는 유기체의 생물 에너지학의 주요 임무 중 하나는 ADP 및 AMP에서 사용한 ATP를 보충하는 것입니다.

세포의 주요 에너지원은 대기 산소에 의한 기질의 산화입니다. 이 과정은 탄소 원자에 산소가 추가되거나, 수소가 추출되거나, 전자가 손실되는 세 가지 방식으로 발생합니다. 세포에서 산화는 수소와 전자가 기질에서 산소로 순차적으로 전달되는 형태로 발생합니다. 이 경우 산소는 환원화합물(산화제) 역할을 한다. 산화 반응은 에너지 방출과 함께 발생하며, 생물학적 반응은 상대적으로 에너지 변화가 작은 것이 특징입니다. 이는 산화 공정을 여러 중간 단계로 나누어 고에너지 화합물(ATP) 형태로 작은 부분에 저장할 수 있도록 함으로써 달성됩니다. 한 쌍의 양성자와 전자와 상호 작용할 때 산소 원자가 환원되면 물 분자가 형성됩니다.

조직호흡

이것은 생물학적 산화에 관여하는 신체 조직의 세포에 의한 산소 소비 과정입니다. 이러한 유형의 산화를 산화라고 합니다. 호기성 산화 . 수소 전달 사슬의 최종 수용체가 산소가 아니라 다른 물질(예: 피루브산)인 경우 이러한 유형의 산화를 호출합니다. 혐기성.

저것. 생물학적 산화는 중간 수소 운반체와 최종 수용체의 도움으로 기질의 탈수소화입니다.

호흡 사슬 (조직 호흡 효소)는 산화된 기질에서 산소로 양성자와 전자를 운반하는 운반체입니다. 산화제는 전자를 받아들일 수 있는 화합물이다. 이 능력은 정량적으로 특성화됩니다. 산화환원 전위 pH가 7.0인 표준 수소 전극에 비해. 화합물의 전위가 낮을수록 환원 특성이 강해지고 그 반대도 마찬가지입니다.

저것. 모든 화합물은 산화환원 전위가 더 높은 화합물에만 전자를 기증할 수 있습니다. 호흡 사슬에서 각 후속 링크는 이전 링크보다 더 높은 잠재력을 갖습니다.

호흡 사슬은 다음으로 구성됩니다.

1. NAD 의존성 탈수소효소;

2. FAD 의존성 탈수소효소;

3. 유비퀴논(Ko Q);

4. 시토크롬 b, c, a + a 3.

NAD 의존성 탈수소효소 . 보효소로 함유되어 있습니다. 위에그리고 NADP. 니코틴아미드의 피리딘 고리는 전자와 수소 양성자를 수용할 수 있습니다.

FAD 및 FMN 의존성 탈수소효소 보조효소로 비타민 B2의 인 에스테르를 함유하고 있습니다( 일시적 유행).

유비퀴논 (고 큐 ) 플라보단백질에서 수소를 빼앗아 플라보단백질로 변합니다. 하이드로퀴논.

시토크롬 - 구성에 보철단으로 철 포르피린이 존재하기 때문에 전자를 획득할 수 있는 색소단백질 단백질. 그들은 약간 더 강한 환원제인 물질로부터 전자를 받아 더 강한 산화제로 옮깁니다. 철 원자는 포르피린 고리 평면의 한쪽 면에서 히스티딘 아미노산의 이미다졸 고리의 질소 원자에 결합되고, 다른 쪽에서는 메티오닌의 황 원자에 결합됩니다. 따라서 시토크롬에 있는 철 원자가 산소와 결합할 수 있는 잠재적인 능력이 억제됩니다.

안에 시토크롬 C 포르피린 평면은 두 개의 시스테인 잔기를 통해 단백질에 공유결합으로 연결되어 있습니다. 시토크롬xb 그리고 , 공유 결합되지 않음 단백질로.

안에 시토크롬 a+a 3 프로토포르피린 대신 시토크롬 산화효소(cytochrome 옥시다제)에는 포르피린 A가 포함되어 있는데, 이는 여러 구조적 특징이 다릅니다. 철의 다섯 번째 배위 위치는 단백질 자체의 일부인 아미노당 잔기에 속하는 아미노 그룹이 차지합니다.

헴, 헤몰고빈과 달리 시토크롬의 철 원자는 2가 상태에서 3가 상태로 가역적으로 변환될 수 있으며, 이는 전자 전달을 보장합니다(자세한 내용은 부록 1 "혈단백질의 원자 및 전자 구조" 참조).

전자 수송 사슬의 작동 메커니즘

미토콘드리아의 외막(그림 4.8.1)은 대부분의 작은 분자와 이온에 투과성이 있고, 내막에는 거의 모든 이온(H 양성자 제외)과 대부분의 전하를 띠지 않는 분자에 투과성이 있습니다.

위의 호흡 사슬 구성 요소는 모두 내막에 내장되어 있습니다. 호흡 사슬을 따라 양성자와 전자의 이동은 구성 요소 간의 전위차에 의해 보장됩니다. 이 경우 전위가 0.16V씩 증가할 때마다 ADP와 H 3 PO 4에서 하나의 ATP 분자를 합성하는 데 충분한 에너지가 방출됩니다. O2 1분자가 소모되면 3이 생성된다. ATP.

ADP와 인산으로부터 ATP의 산화 및 형성 과정, 즉 인산화는 미토콘드리아에서 일어난다. 내부 막은 여러 개의 주름(cristae)을 형성합니다. 공간은 내부 막인 매트릭스로 둘러싸여 있습니다. 내부 막과 외부 막 사이의 공간을 막간이라고합니다.

이러한 분자에는 세 개의 고에너지 결합이 포함되어 있습니다. 거시성 또는 에너지가 풍부한 결합은 깨지면 4kcal/mol 이상을 방출하는 화학 결합입니다. ATP가 ADP와 인산으로 가수분해되어 7.3kcal/mol이 방출됩니다. ADP와 인산 잔류물로부터 ATP를 형성하는 데 정확히 동일한 양이 소비되며 이는 신체에 에너지를 저장하는 주요 방법 중 하나입니다.

호흡 사슬을 따라 전자를 운반하는 동안 에너지가 방출되며, 이는 ADP에 인산 잔류물을 추가하여 ATP 한 분자와 물 한 분자를 형성하는 데 소비됩니다. 호흡 사슬을 따라 한 쌍의 전자가 전달되는 동안 21.3 kcal/mol이 방출되어 세 개의 ATP 분자 형태로 저장됩니다. 이는 전자 수송 중에 방출되는 에너지의 약 40%를 차지합니다.

세포에 에너지를 저장하는 이러한 방법을 산화적 인산화 또는 결합된 인산화.

이 과정의 분자 메커니즘은 1961년에 제시된 Mitchell의 화학삼투 이론에 의해 가장 완벽하게 설명됩니다.

산화적 인산화 메커니즘 (그림 4.8.2.):

1) NAD 의존성 탈수소효소는 내부 미토콘드리아 막의 기질 표면에 위치하며 FMN 의존성 탈수소효소에 수소 전자 한 쌍을 기증합니다. 이 경우 한 쌍의 양성자도 매트릭스에서 FMN으로 전달되고 결과적으로 FMN H 2가 형성됩니다. 이때 NAD에 속하는 양성자 한 쌍이 막간 공간으로 밀려납니다.

2) FAD 의존성 탈수소효소는 Co에 전자쌍을 기증합니다.큐 그리고 두 개의 양성자를 막간 공간으로 밀어냅니다. 전자 Co를 받은 후큐 매트릭스로부터 양성자 한 쌍을 받아 Co로 바뀐다. QH 2.

3) 고Q H2는 한 쌍의 양성자를 막간 공간으로 밀어넣고, 한 쌍의 전자는 시토크롬으로 전달된 다음 산소로 전달되어 물 분자를 형성합니다.

결과적으로 한 쌍의 전자가 사슬을 따라 매트릭스에서 막간 공간으로 전달되면 6개의 양성자(3쌍)가 펌핑되어 내부 표면 사이에 전위차와 pH 차이가 발생합니다. 막.

4) 전위차와 pH 차이는 양성자 채널을 통해 양성자가 매트릭스로 다시 이동하는 것을 보장합니다.

5) 이러한 양성자의 역방향 이동은 ATP 합성효소의 활성화와 ADP와 인산으로부터 ATP의 합성을 유도합니다. 한 쌍의 전자(즉, 세 쌍의 양성자)를 전달할 때 3개의 ATP 분자가 합성됩니다(그림 4.7.3.).

호흡 및 산화적 인산화 과정의 해리 양성자가 미토콘드리아의 내막을 관통하기 시작할 때 발생합니다. 이 경우 pH 구배가 평준화되고 인산화의 추진력이 사라집니다. 화학적 분리기는 양성자 운반체(protonophores)라고 불리며 막을 통해 양성자를 운반할 수 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다 2,4-디니트로페놀, 갑상선 호르몬 등 (그림 4.8.3.).

기질에서 생성된 ATP는 트랜스로카제 효소에 의해 세포질로 전달되는 반면, 반대 방향으로 ADP 한 분자와 인산 한 분자가 기질로 전달됩니다. ADP와 인산염 수송이 중단되면 ATP 합성이 억제된다는 것은 분명합니다.

산화적 인산화 속도는 주로 ATP 함량에 따라 달라집니다. ATP가 더 빨리 소비될수록 ADP가 더 많이 축적되고 에너지 요구량이 많아지므로 산화적 인산화 과정이 더 활발해집니다. ADP의 세포 농도에 따라 산화적 인산화 속도를 조절하는 것을 호흡 조절이라고 합니다.

해당 장에 대한 참고 자료 IV.8.

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에너지 교환과 불가분하게 연결된 신진대사는 보존과 자기 재생산을 목표로 하는 생명체의 물질과 에너지 변형의 자연스러운 순서입니다. F. Engels는 신진 대사를 생명의 가장 중요한 속성으로 지적했으며, 생명 자체가 중단되면 생명이 중단됩니다. 그는 이 과정의 변증법적 성격을 강조하고 다음과 같이 지적했습니다.

일관되게 물질주의적인 관점에서 러시아 생리학의 창시자인 I.M. 세체노프(I.M. Sechenov)는 유기체의 삶에서 신진대사의 역할을 고려했습니다. K. A. Timiryazev는 살아있는 유기체를 특징 짓는 주요 특성은 유기체를 구성하는 물질과 환경의 물질 사이의 끊임없는 활발한 교환이라는 아이디어를 일관되게 추구했습니다. 유기체는 끊임없이 인식하고, 동화하고, 유사한 것으로 변형하고, 다시 변화합니다. 그리고 이화되는 과정에서 구별된다. I.P. Pavlov는 신진 대사를 신체의 생리 기능의 기초로 생명 활동 발현의 기초로 간주했습니다. 생명 과정의 화학적 지식에 대한 중요한 공헌은 지구상 생명체의 출현과 발달 동안 신진대사 진화의 기본 패턴을 연구한 A.I.Oparin에 의해 이루어졌습니다.

기본 개념 및 용어

또는 신진 대사는 생명에 필요한 물질과 에너지, 즉 자기 보존과 자기 재생산을 제공하는 신체의 일련의 화학 반응입니다. 자기 재생산은 외부에서 들어오는 물질이 신체 자체의 물질과 구조로 변형되어 지속적인 조직 재생, 성장 및 재생산을 일으키는 것으로 이해됩니다.

신진 대사에는 다음이 있습니다.

• 외부 교환- 신체로 들어가는 경로를 따라 물질의 세포 외 변형과 대사 산물의 제거를 포함합니다. [보여주다] .

  물질의 체내 섭취와 대사산물의 방출은 함께 환경과 유기체 사이의 물질 교환을 구성하며 외부 교환으로 정의됩니다.

  물질(및 에너지)의 외부 교환은 지속적으로 발생합니다.

  외부 환경으로부터 인체는 세포와 조직의 구조적 요소의 구성 및 재생, 에너지 형성에 필요한 산소, 물, 미네랄 염, 영양소, 비타민을 섭취합니다. 이러한 모든 물질은 식품이라고 할 수 있으며, 그 중 일부는 생물학적 기원(식물 및 동물 제품)이고 더 작은 부분은 비생물학적(물과 무기염이 용해되어 있음)입니다.

  식품과 함께 공급되는 영양소는 아미노산, 단당류, 지방산, 뉴클레오티드 및 기타 물질의 형성으로 분해되며, 이는 세포의 구조적 및 기능적 구성 요소가 지속적으로 분해되는 동안 형성된 동일한 물질과 혼합되면 전체 풀을 구성합니다. 신체의 대사산물. 이 자금은 두 가지 방향으로 사용됩니다. 일부는 부패한 세포의 구조적, 기능적 구성 요소를 재생하는 데 사용됩니다. 다른 부분은 대사의 최종 산물로 전환되어 신체에서 배설됩니다.

  물질이 최종 대사산물로 분해되면 에너지가 방출되는데, 성인의 경우 하루 8,000~12,000kJ(2,000~3,000kcal)입니다. 이 에너지는 신체의 세포에서 다양한 유형의 작업을 수행하고 체온을 일정한 수준으로 유지하는 데 사용됩니다.

• 중간 교환- 생물학적 세포 내부의 물질이 세포에 들어가는 순간부터 최종 산물이 형성될 때까지의 변형을 포함합니다(예: 아미노산 대사, 탄수화물 대사 등).

대사 단계. 세 가지 연속 단계가 있습니다.

자세히 알아보기

• 섭취(영양은 신진대사(환경에서 신체로 물질을 섭취하는 것)의 필수적인 부분입니다)
• 소화 (소화의 생화학 (영양소 소화))
• 흡수(소화의 생화학(영양소 흡수))

중간 대사(또는 대사)는 세포에 들어가는 순간부터 최종 대사 산물, 즉 살아있는 세포에서 발생하고 신체에 물질과 에너지를 제공하는 일련의 화학 반응이 형성될 때까지 신체 내 물질의 변형입니다. 중요한 활동, 성장 및 번식을 위해. 이것은 신진 대사의 가장 복잡한 부분입니다.

세포 내부로 들어가면 영양소가 대사됩니다. 즉, 효소에 의해 촉매되는 일련의 화학적 변화를 겪습니다. 이러한 화학적 변화의 특정 순서를 대사 경로라고 하며, 그 결과로 생성되는 중간 생성물을 대사산물이라고 합니다. 대사 경로는 대사 지도의 형태로 표현될 수 있습니다.

대사 활동의 결과로 신체의 모든 부분에 유해한 물질이 형성되며, 이는 혈액으로 들어가므로 제거되어야 합니다. 이 기능은 신장에 의해 수행되는데, 신장에서는 유해 물질을 분리하여 방광으로 보낸 후 방광에서 몸 밖으로 배설합니다. 간, 췌장, 담낭, 내장, 땀샘 등 다른 기관도 대사 과정에 참여합니다.

사람은 소변, 대변, 땀 및 호기 공기에서 대사의 주요 최종 산물인 CO 2, H 2 O, 요소 H 2 N - CO - NH 2를 배설합니다. 유기 물질의 수소는 H 2 O의 형태로 배설되며 신체는 소비하는 것보다 더 많은 물을 방출합니다 (표 24 참조). 유기 물질의 수소와 흡입 된 산소로부터 체내에서 하루 약 400g의 물이 형성됩니다 공기(대사수). 유기물의 탄소와 산소는 CO 2 형태로 제거되고, 질소는 요소 형태로 제거됩니다.

또한 사람은 다른 물질을 많이 분비하지만 소량이므로 신체와 환경 사이의 전반적인 신진 대사 균형에 대한 기여도가 적습니다. 그러나 그러한 물질 방출의 생리학적 중요성은 상당할 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 예를 들어, 헴 분해 산물이나 약물을 포함한 외부 화합물의 대사 산물의 방출이 중단되면 심각한 대사 장애와 신체 기능이 발생할 수 있습니다.

대사 기질- 음식에서 나오는 화학물질. 그중에는 주요 영양 물질(탄수화물, 단백질, 지질)과 소량으로 공급되는 부영양 물질(비타민, 미네랄 화합물)의 두 그룹이 구분됩니다.

대체 가능한 영양소와 대체 불가능한 영양소를 구별하는 것이 관례입니다. 필수 영양소는 체내에서 합성이 불가능하므로 음식을 통해 공급해야 합니다.

대사 경로-이것은 신체의 특정 물질의 화학적 변형의 성격과 순서입니다. 형질전환 과정에서 형성된 중간산물을 대사산물이라고 하며, 대사경로의 마지막 화합물이 최종산물이다.

화학적 변형은 신체에서 지속적으로 발생합니다. 신체 영양의 결과로 출발 물질은 대사 변형을 겪습니다. 신진대사의 최종 산물은 지속적으로 신체에서 제거됩니다. 따라서 유기체는 열역학적으로 개방된 화학 시스템입니다. 대사 시스템의 가장 간단한 예는 분지되지 않은 단일 대사 사슬입니다.

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

이러한 시스템에서 물질의 일정한 흐름으로 인해 각 대사 산물의 형성 속도가 소비 속도와 같을 때 동적 평형이 설정됩니다. 이는 각 대사산물의 농도가 일정하게 유지된다는 의미입니다. 시스템의 이러한 상태를 고정이라고 하며, 이 상태의 물질 농도를 고정 농도라고 합니다.

주어진 순간에 살아있는 유기체는 정지 상태에 대한 주어진 정의를 충족하지 않습니다. 그러나 상대적으로 오랜 기간 동안 매개변수의 평균값을 고려하면 상대적인 불변성을 확인할 수 있으며 이를 통해 고정 시스템 개념을 살아있는 유기체에 적용하는 것을 정당화할 수 있습니다. [보여주다] .

그림에서. 도 64는 비분지 대사 사슬의 유체역학적 모델을 제시한다. 이 장치에서 실린더의 액체 기둥 높이는 각각 대사산물 a~d의 농도를 모델링하고, 실린더 사이의 연결 튜브의 처리량은 해당 효소 반응의 속도를 모델링합니다.

시스템에 유입되는 액체의 비율이 일정할 때 모든 실린더의 액체 기둥 높이는 일정하게 유지됩니다. 이는 정지 상태입니다.

유체 유입 속도가 증가하면 모든 실린더의 액체 기둥 높이와 전체 시스템을 통한 유체 흐름 속도가 증가합니다. 즉, 시스템이 새로운 정지 상태로 이동했습니다. 살아있는 세포의 대사 과정에서도 비슷한 전환이 일어납니다.

대사물질 농도 조절

일반적으로 대사 사슬에는 다른 모든 반응보다 훨씬 느리게 진행되는 반응이 있습니다. 이는 경로의 속도 제한 단계입니다. 그림에서 이러한 스테이지는 첫 번째 실린더와 두 번째 실린더 사이의 좁은 연결 튜브로 모델링됩니다. 속도 제한 단계에서는 출발 물질이 대사 사슬의 최종 생성물로 전환되는 전체 속도를 결정합니다. 속도 제한 반응을 촉매하는 효소는 조절 효소인 경우가 많습니다. 이 효소의 활성은 세포 억제제 및 활성화제의 영향으로 바뀔 수 있습니다. 이러한 방식으로 대사 경로의 조절이 보장됩니다. 그림에서. 64에서, 첫 번째와 두 번째 실린더 사이에 밸브가 있는 전이 튜브는 조절 효소를 모델링합니다. 밸브를 올리거나 내림으로써 시스템은 전체 유체 유량과 다른 유체 수준이 다른 새로운 정지 상태로 전환될 수 있습니다. 실린더.

분지형 대사 시스템에서 조절 효소는 일반적으로 그림 1의 b --> c 및 b --> i 반응과 같이 분지 부위에서 첫 번째 반응을 촉매합니다. 65. 이는 대사체계의 각 분야에 대한 독립적인 조절 가능성을 보장합니다.

많은 대사 반응은 가역적입니다. 살아있는 세포에서의 흐름 방향은 후속 반응에서 생성물의 소비 또는 배설과 같은 반응 영역에서 생성물의 제거에 의해 결정됩니다 (그림 65).

신체 상태가 변하면(음식 섭취, 휴식에서 신체 활동으로의 전환 등) 신체의 대사물질 농도가 변합니다. 즉, 새로운 정지 상태가 설정됩니다. 그러나 동일한 조건에서, 예를 들어 밤에 잠을 자고 난 후(아침 식사 전), 이는 모든 건강한 사람에게서 거의 동일합니다. 규제 메커니즘의 작용으로 인해 각 대사산물의 농도는 특유의 수준으로 유지됩니다. 이러한 농도의 평균값(변동 한계를 나타냄)은 표준의 특성 중 하나입니다. 질병에서는 대사물질의 정상 상태 농도가 변하며, 이러한 변화는 종종 특정 질병에 따라 다릅니다. 질병의 실험실 진단을 위한 많은 생화학적 방법은 이에 기초합니다.

대사 경로에는 동화작용과 이화작용이라는 두 가지 방향이 있습니다(그림 1).

• 동화작용 반응은 단순한 물질을 조효소, 호르몬, 단백질, 핵산 등과 같은 세포의 구조적, 기능적 구성 요소를 형성하는 더 복잡한 물질로 전환하는 것을 목표로 합니다. 이러한 반응은 주로 환원적이며 자유 화학 에너지의 소비를 동반합니다. (에너지성 반응). 그들에게 에너지의 원천은 이화 과정입니다. 또한 이화 에너지는 세포(모터 및 기타)의 기능적 활동을 보장하는 데 사용됩니다.
• 이화작용 변환은 음식과 함께 섭취된 분자와 세포에 포함된 분자 모두를 단순한 구성 요소(이산화탄소 및 물)로 분해하는 과정입니다. 이러한 반응은 일반적으로 산화적이며 자유 에너지 방출(발열 반응)을 동반합니다.

양서류 경로(이중) - 이화작용과 동화작용 변환이 결합되는 경로, 즉 한 화합물의 파괴와 함께 다른 화합물의 합성이 발생합니다.

양서류 경로는 최종 생성물(CO 2 및 H 2 O)로 연소되어 많은 양의 에너지를 형성하는 물질의 최종 또는 최종 산화 시스템과 관련됩니다. 그 외에도 대사의 최종 산물은 아미노산과 뉴클레오티드 교환의 특수 반응에서 형성되는 요소와 요산입니다. ATP-ADP 시스템을 통한 대사와 대사산물의 양서류 순환 사이의 연결은 그림 1에 개략적으로 표시되어 있습니다. 2.

ATP-ADP 시스템(ATP-ADP 사이클)은 ATP 분자가 지속적으로 형성되는 사이클이며, 그 가수분해 에너지는 신체에서 다양한 작업에 사용됩니다.

이는 최종 산물 중 하나가 이 과정에 관련된 화합물 중 하나와 동일한 대사 경로입니다(그림 3).

보충 경로- 대사의 최종 산물은 모든 순환경로의 중간 산물 중 하나와 동일합니다. 그림의 예에서 보충 경로는 다음과 같습니다. 3은 제품 X(보충증 - 보충)로 주기를 보충합니다.

이 예를 사용해 보겠습니다. X, Y, Z 브랜드의 버스가 도시에서 운행되며, 해당 노선은 다이어그램에 나와 있습니다(그림 4).

이 예를 바탕으로 다음을 정의합니다.

• 특정 대사 경로는 특정 화합물(예: 탄수화물, 지질 또는 아미노산)에만 특징적인 일련의 변형입니다.
• 일반적인 대사 경로는 두 가지 이상의 유형의 화합물(예: 탄수화물과 지질 또는 탄수화물, 지질과 아미노산)을 포함하는 일련의 변환입니다.

대사 경로의 국지화

진핵생물 개체의 이화 및 동화 경로는 세포 내 위치가 다릅니다(표 22).

이러한 분할은 효소 시스템을 세포의 특정 영역에 국한(구획화)하여 세포 내 기능의 분리 및 통합과 적절한 제어를 보장하기 때문입니다.

현재 전자 현미경 및 조직화학적 연구와 차등 원심분리 방법 덕분에 효소의 세포내 위치를 결정하는 데 상당한 진전이 이루어졌습니다. 그림에서 볼 수 있듯이. 74, 세포에서는 세포질, 혈장, 막, 핵, 미토콘드리아, 리소솜, 리보솜, 세관 및 소포 시스템 - 소포체, 층상 복합체, 다양한 액포, 세포 내 내포물 등을 찾을 수 있습니다. 주요 미분화 부분 질량 측면에서 세포질은 hyaloplasm (또는 세포질)입니다.

RNA 중합효소, 즉 mRNA 형성을 촉매하는 효소는 핵(보다 정확하게는 핵소체)에 국한되어 있다는 것이 확립되었습니다. 핵에는 DNA 복제 과정 및 기타 과정에 관여하는 효소가 포함되어 있습니다(표 23).

효소와 세포 구조의 관계:

• 미토콘드리아. 생물학적 산화(조직 호흡) 및 산화적 인산화 사슬의 효소뿐만 아니라 피루브산 탈수소효소 복합체, 트리카르복실산 회로, 요소 합성, 지방산 산화 등의 효소가 미토콘드리아와 관련되어 있습니다.
• 리소좀. 리소좀은 주로 5 부근의 최적 pH를 갖는 가수분해 효소를 포함합니다. 이러한 입자를 리소좀이라고 부르는 것은 효소의 가수분해 특성 때문입니다.
• 리보솜. 단백질 합성 효소는 리보솜에 위치하며, 이 입자에서 mRNA가 번역되고 아미노산이 폴리펩티드 사슬로 연결되어 단백질 분자를 형성합니다.
• 소포체. 소포체에는 지질 합성을 위한 효소와 수산화 반응에 관여하는 효소가 포함되어 있습니다.
• 플라즈마 멤브레인. Na + 및 K + 를 운반하는 ATPase, 아데닐레이트 사이클라제 및 기타 여러 효소는 주로 원형질막과 연관되어 있습니다.
• 세포질. 세포질 (hyaloplasm)에는 해당 분해 효소, 오탄당 순환, 지방산 및 모노뉴클레오티드 합성, 아미노산 활성화 및 포도당 신생 합성 효소가 포함되어 있습니다.

테이블에 도 23은 다양한 세포하 구조에서 가장 중요한 효소의 위치 및 개별 대사 단계에 대한 데이터를 요약합니다.

다중효소 시스템은 주어진 반응 순서에서 각 효소가 다음 효소에 근접하게 위치하는 방식으로 소기관의 구조에 국한됩니다. 이로 인해 반응 중간체의 확산에 소요되는 시간이 단축되고 전체 반응 순서가 시간과 공간에서 엄격하게 조정됩니다. 예를 들어, 이는 피루브산과 지방산의 산화, 단백질 합성에 관여하는 효소뿐만 아니라 전자 전달 및 산화적 인산화 효소의 경우에도 마찬가지입니다.

또한 구획화는 화학적으로 양립할 수 없는 반응이 동시에 발생하도록 보장합니다. 이화작용과 동화작용 경로의 독립성. 따라서 세포에서는 장쇄 지방산이 아세틸-CoA 단계로 산화되는 것과 반대 과정인 아세틸-CoA에서 지방산이 합성되는 과정이 동시에 일어날 수 있습니다. 이러한 화학적으로 양립할 수 없는 과정은 세포의 여러 부분에서 발생합니다. 즉, 미토콘드리아의 지방산 산화와 히알로플라스마의 미토콘드리아 외부 합성이 있습니다. 이러한 경로가 일치하고 프로세스 방향만 다른 경우 교환에서 소위 쓸모 없거나 쓸데없는 주기가 발생할 것입니다. 이러한 주기는 대사산물의 불필요한 순환이 가능한 병리학에서 발생합니다.

다양한 종류의 식물, 동물 및 미생물의 개별 대사 연결을 해명하면 살아있는 자연의 생화학적 변형 경로의 근본적인 공통성이 드러납니다.

대사 조절의 기본 조항

세포 및 세포 이하 수준에서 대사 조절이 수행됩니다.

1. 효소의 합성과 촉매 활성을 조절함으로써.

   이러한 규제 메커니즘에는 다음이 포함됩니다.

   • 대사 경로의 최종 산물에 의한 효소 합성 억제,
   • 기질에 의한 하나 이상의 효소 합성 유도,
   • 이미 존재하는 효소 분자의 활성 조절,
   • 대사산물이 세포로 유입되는 속도를 조절합니다. 여기서 주요 역할은 원형질과 핵, 미토콘드리아, 리소좀 및 그 안에 위치한 기타 세포 내 소기관을 둘러싼 생물학적 막에 의해 수행됩니다.
2. 호르몬의 합성과 활동을 조절함으로써. 따라서 단백질 대사는 갑상선 호르몬인 티록신의 영향을 받고, 지방 대사는 췌장 및 갑상선, 부신 및 뇌하수체 호르몬의 영향을 받으며, 탄수화물 대사는 췌장(인슐린) 및 부신 호르몬의 영향을 받습니다. 아드레날린). 호르몬 작용 메커니즘에서 특별한 역할은 고리형 뉴클레오티드(cAMP 및 cGMP)에 속합니다.

   동물과 인간의 경우 호르몬에 의한 신진대사 조절은 신경계의 조정 활동과 밀접한 관련이 있습니다. 탄수화물 대사에 대한 신경계의 영향에 대한 예는 고혈당증과 당뇨병을 유발하는 소위 Claude Bernard의 설탕 주입입니다.

3. 대사 통합 과정에서 가장 중요한 역할은 대뇌 피질에 속합니다. I. P. Pavlov는 다음과 같이 지적했습니다. “동물 유기체의 신경계가 더 완벽할수록 중앙 집중화되고 더 높은 부서가 유기체의 모든 활동을 관리하고 분배하는 역할이 점점 더 많아집니다... 이 더 높은 부서에는 다음이 포함됩니다. 신체에서 일어나는 모든 현상은 그 관할 하에 있다."

따라서 특별한 조합, 엄격한 조정 및 대사 반응 속도가 함께 피드백 메커니즘의 특성(긍정적 또는 부정적)을 나타내는 시스템을 형성합니다.

중간 대사 연구 방법

신진대사를 연구하는 데는 두 가지 접근법이 사용됩니다.

• 전체 유기체에 대한 연구 (생체 내 실험) [보여주다]

  금세기 초에 수행된 전체 유기체 연구의 전형적인 예는 누프(Knoop) 실험입니다. 그는 신체에서 지방산이 분해되는 방식을 연구했습니다. 이를 위해 Knoop은 개에게 짝수(I) 및 홀수(II)개의 탄소 원자를 가진 다양한 지방산을 먹였습니다. 여기서 메틸 그룹의 수소 원자 하나가 페닐 라디칼 C6H5로 대체되었습니다.

  첫 번째 경우에는 페닐 아세트산 C 6 H 5 -CH 2 -COOH가 항상 개의 소변으로 배설되었고 두 번째 경우 벤조산 C 6 H 5 -COOH로 배설되었습니다. 이러한 결과를 바탕으로 Knoop은 체내 지방산 분해가 카르복실 말단부터 시작하여 두 개의 탄소 조각을 순차적으로 제거함으로써 발생한다고 결론지었습니다.

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

  이 결론은 나중에 다른 방법으로 확인되었습니다.

  본질적으로 이러한 연구에서 Knoop은 분자를 라벨링하는 방법을 사용했습니다. 그는 신체에서 변화를 일으키지 않는 페닐 라디칼을 라벨로 사용했습니다. XX세기 40년대부터 시작됩니다. 분자에 방사성 또는 무거운 원소의 동위원소가 포함된 물질의 사용이 널리 보급되었습니다. 예를 들어, 실험 동물에게 방사성 탄소(14C)를 함유한 다양한 화합물을 먹임으로써 콜레스테롤 분자의 모든 탄소 원자가 아세테이트의 탄소 원자에서 나온다는 것이 확인되었습니다.

  

  일반적으로 신체에서 흔히 발견되는 원소(일반적으로 무거운 동위원소)와 질량이 다른 원소의 안정 동위원소 또는 방사성 동위원소가 사용됩니다. 안정 동위원소 중에서 가장 흔히 사용되는 동위원소는 질량이 2인 수소(중수소, 2H), 질량이 15(15N)인 질소, 질량이 13(13C)인 탄소, 질량이 1인 산소이다. 18 (18C). 방사성 동위원소 중 수소(삼중수소, 3H), 인(32P 및 33P), 탄소(14C), 황(35S), 요오드(131I), 철(59Fe), 나트륨의 동위원소 (54 Na) 등이 사용된다.

  안정하거나 방사성 동위원소를 사용하여 연구 중인 화합물의 분자에 표지를 지정하고 이를 신체에 도입한 후 이를 포함하는 표지된 원자 또는 화학 그룹을 결정하고 특정 화합물에서 이를 발견한 후 다음과 같은 방식에 대한 결론을 내립니다. 표지된 물질이 체내에서 변형되는 것입니다. 동위원소 라벨을 사용하면 신체 내 물질의 체류 시간을 결정할 수도 있습니다. 이는 특정 근사치로 생물학적 반감기를 특징으로 합니다. 즉, 동위원소 또는 라벨이 붙은 화합물의 양이 절반으로 줄어드는 시간입니다. 또는 개별 세포막의 투과성에 관한 정확한 정보를 얻습니다. 동위원소는 또한 특정 물질이 다른 화합물의 전구체인지 분해 산물인지 확인하고 조직 전환 속도를 결정하는 데에도 사용됩니다. 마지막으로, 여러 대사 경로가 존재하는 경우 어느 것이 지배적인지 결정하는 것이 가능합니다.

  전체 유기체에 대한 연구에서는 신체의 영양 요구 사항도 연구됩니다. 식단에서 물질을 제거하면 신체의 성장 및 발달 또는 생리적 기능이 중단되는 경우 이 물질은 필수 영양 요소입니다. 필요한 영양소의 양도 비슷한 방식으로 결정됩니다.

• 신체의 고립된 부분에 대한 연구 - 분석-분해 방법(체외 실험, 즉 신체 외부, 시험관 또는 기타 실험실 용기에서). 이러한 방법의 원리는 개별 프로세스를 분리하기 위해 복잡한 생물학적 시스템을 점진적으로 단순화하거나 오히려 분해하는 것입니다. 이러한 방법을 내림차순, 즉 더 복잡한 시스템에서 간단한 시스템으로 고려하면 다음 순서로 배열할 수 있습니다.
  • 개별 장기 제거 [보여주다]

    장기가 제거되면 두 가지 연구 대상, 즉 제거된 장기가 없는 유기체와 분리된 장기가 있습니다.

    고립된 기관. 분리된 기관의 동맥에 물질 용액을 주입하고 정맥에서 흐르는 액체에서 물질을 분석하면 이 물질이 기관에서 어떤 변형을 겪는지 확인할 수 있습니다. 예를 들어, 이러한 방식으로 간이 케톤체와 요소의 주요 형성 부위 역할을 한다는 것이 밝혀졌습니다.

    기관을 신체에서 분리하지 않고 유사한 실험을 수행할 수 있습니다(동정맥 차등법). 이 경우 기관의 동맥과 정맥에 삽입된 캐뉼라를 사용하거나 주사기를 사용하여 분석용 혈액을 채취합니다. 이런 식으로, 예를 들어, 일하는 근육에서 흐르는 혈액에서 젖산의 농도가 증가하고 간을 통해 흐를 때 혈액에서 젖산이 제거된다는 것을 확인할 수 있습니다.

  • 조직 절편 방법 [보여주다]

    절편은 마이크로톰이나 단순히 면도날을 사용하여 만든 얇은 조직 조각입니다. 섹션은 영양분(포도당 또는 기타)과 특정 유형의 세포에서 변형이 결정되는 물질을 포함하는 용액에서 배양됩니다. 배양 후, 배양액에 있는 시험물질의 대사산물을 분석합니다.

    조직 절편 방법은 20년대 초반 Warburg에 의해 처음 제안되었습니다. 이 기술을 사용하면 조직 호흡(조직의 산소 소비 및 이산화탄소 방출)을 연구할 수 있습니다. 조직 절편을 사용하는 경우 신진대사 연구에서 중요한 제한은 세포막이며, 이는 종종 세포 내용물과 "영양소" 용액 사이의 장벽 역할을 합니다.

  • 균질액 및 세포하 분획 [보여주다]

    

    균질액은 무세포 제제입니다. 그들은 직물을 모래로 문지르거나 특수 장치 (균질화 기)로 세포막을 파괴하여 얻습니다 (그림 66). 균질액에는 첨가된 기질과 효소 사이에 불침투성 장벽이 없습니다.

    세포막이 파괴되면 세포 내용물과 첨가된 화합물이 직접 접촉할 수 있습니다. 이를 통해 연구 중인 공정에 어떤 효소, 조효소 및 기질이 중요한지 확인할 수 있습니다.

    균질화물의 분별.균질액으로부터 초분자(세포 소기관)와 개별 화합물(효소 및 기타 단백질, 핵산, 대사산물) 모두의 세포 이하 입자가 분리될 수 있습니다. 예를 들어, 차등 원심분리를 사용하면 핵, 미토콘드리아 및 마이크로솜의 분획을 얻을 수 있습니다(마이크로솜은 소포체의 조각입니다). 이러한 세포 소기관은 크기와 밀도가 다양하므로 다양한 원심분리 속도로 침전됩니다. 분리된 세포 소기관을 사용하면 이와 관련된 대사 과정을 연구할 수 있습니다. 예를 들어, 분리된 리보솜은 단백질 합성의 경로와 메커니즘을 연구하는 데 사용되고, 미토콘드리아는 크렙스 회로나 호흡 효소 사슬의 산화 반응을 연구하는 데 사용됩니다.

    마이크로솜이 침전된 후 세포의 가용성 성분은 상층액(가용성 단백질, 대사산물)에 남아 있습니다. 이러한 각 분획은 다양한 방법을 사용하여 추가로 분별하여 구성 성분을 분리할 수 있습니다. 분리된 구성요소로부터 간단한 "효소 + 기질" 시스템과 같은 생화학적 시스템과 단백질 및 핵산 합성 시스템과 같은 복잡한 시스템을 재구성하는 것이 가능합니다.

  • 효소, 조효소 및 기타 반응 성분을 사용하여 시험관 내에서 효소 시스템을 부분적으로 또는 완전히 재구성하는 것 [보여주다]

    고도로 정제된 효소와 보조효소를 통합하는 데 사용됩니다.. 예를 들어, 이 방법을 사용하면 효모 발효의 필수 기능을 모두 갖춘 발효 시스템을 완벽하게 재현하는 것이 가능해졌습니다.

물론 이러한 방법은 전체 유기체의 기능을 이해하는 궁극적인 목표를 달성하는 데 필요한 단계로만 가치가 있습니다.

인간생화학 연구의 특징

지구에 서식하는 다양한 유기체의 분자 과정에는 광범위한 유사점이 있습니다. 매트릭스 생합성, 에너지 변환 메커니즘, 물질의 대사 변환의 주요 경로와 같은 기본 과정은 박테리아에서 고등 동물에 이르기까지 유기체에서 거의 동일합니다. 따라서 대장균을 대상으로 실시한 연구 결과 중 많은 부분이 인간에게도 적용 가능한 것으로 보입니다. 종의 계통발생적 관련성이 클수록 분자 과정이 더 일반적입니다.

인간 생화학에 대한 대부분의 지식은 다음과 같은 방식으로 얻어집니다. 다른 동물의 알려진 생화학적 과정을 기반으로 인체에서 이 과정의 가장 가능성 있는 버전에 대한 가설을 세운 다음, 다음과 같은 직접 연구를 통해 가설을 테스트합니다. 인간의 세포와 조직. 이 접근법을 통해 인간에게서 얻은 소량의 생물학적 물질에 대한 연구를 수행할 수 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 조직은 수술 중 제거된 조직, 혈액 세포(적혈구 및 백혈구), 체외 배양에서 배양된 인간 조직 세포입니다.

효과적인 치료 방법 개발에 필요한 유전성 인간 질병에 대한 연구는 동시에 인체의 생화학적 과정에 대한 많은 정보를 제공합니다. 특히, 효소의 선천적 결함으로 인해 그 기질이 체내에 축적됩니다. 이러한 대사 장애를 연구할 때 때로는 양적으로 중요하지 않은 새로운 효소와 반응이 발견되지만(이것이 표준을 연구할 때 발견되지 않은 이유입니다) 이는 매우 중요한 의미를 갖습니다.

모듈러 유닛 1 단백질 촉매제로서의 효소

학습 목표 다음을 할 수 있습니다:

1. 효소의 성질과 단백질의 성질에 따른 효소촉매의 특징을 설명한다.

2. 조효소 합성을 위한 기질로서 인간 영양에서 비타민의 역할을 평가합니다.

3. 효소가 명명법에 따라 특정 클래스 및 하위 클래스에 속하는지 여부를 결정합니다.

4. 효소 활성을 계산하고 기질에 대한 효소의 친화성을 평가합니다.

알다:

1. 단백질 촉매로서의 효소의 구조적 특징.

2. 효소 특이성의 종류.

3. 효소 분류의 기본, 효소의 종류, 효소에 의해 촉매되는 반응의 예.

4. 조효소와 보조 인자의 구조와 효소 촉매 작용에서의 역할, 이 과정에서 비타민의 역할.

5. 효소 동역학의 기초.

6. 효소 활성의 단위 및 측정 방법.

주제 2.1. 단백질로서의 효소의 성질

촉매

1. 효소는 단백질 촉매이다살아있는 세포의 화학 반응을 가속화합니다. 그들은 단백질의 특징적인 모든 특성과 촉매 특성을 결정하는 특정 구조적 특징을 가지고 있습니다. 또한 효소는 일반적인 촉매 법칙을 따르며 비생물학적 촉매의 특성을 가지고 있습니다. 즉, 에너지적으로 가능한 반응을 가속화하고 화학 시스템의 에너지를 일정하게 유지하며 반응 과정에서 소비되지 않습니다.

2. 효소의 특징은 다음과 같습니다.

특성.다른 단백질과 마찬가지로 효소의 생물학적 기능은 특정 리간드와 상호작용하는 활성 센터의 구조에 존재 여부에 따라 결정됩니다. 효소의 활성 부위와 상호작용하는 리간드를 리간드라고 한다. 기판.

촉매 효율.대부분의 효소 촉매 반응은 비촉매 반응보다 10 8 -10 14배 빠르게 발생하여 매우 효율적입니다. 각 효소 분자는 초당 100~1000개의 기질 분자를 생성물로 변환할 수 있습니다.

구조적 불안정성.다른 단백질 분자와 마찬가지로 효소의 촉매 효율은 그 형태, 특히 활성 중심의 형태에 따라 달라집니다. 세포에는 일부가 끊어지고 다른 약한 결합이 형성되어 효소 분자의 형태에 사소한 변화를 일으킬 수 있는 물질이 있습니다. 이는 효소 활성의 증가 또는 감소를 유발할 수 있습니다.

3. 효소 활성을 조절할 수 있습니다.일반적으로 세포 내 효소의 작용은 엄격하게 정해져 있습니다. 한 효소 반응의 생성물은 다른 효소 반응의 기질입니다. 그리하여 형성 대사 경로.거의 모든 대사 경로의 많은 효소 중에는 핵심적인 효소가 있습니다. 규제,대사 경로의 최종 산물에 대한 세포의 필요에 따라 활성이 달라질 수 있는 효소.

4. 효소 반응을 위한 최적의 조건:온도 37-38°C; 대부분의 조직의 특징 인 정상 대기압, pH 6.9-7.7. 대조적으로, 효율적인 화학적 촉매작용은 종종 높은 온도와 압력은 물론 극단적인 pH 값을 요구합니다.

주제 2.2. 활성 센터: 효소 작용의 특이성

1. 효소의 활성 부위- 이것은 기질에 상보적으로 결합하고 촉매 변환을 보장할 수 있는 단백질 분자의 특정 부분입니다. 활성 센터의 구조는 모든 단백질의 활성 센터의 경우와 마찬가지로 아미노산 라디칼에 의해 형성됩니다. 효소의 활성 중심에는 기질 (결합 부위)의 상보적인 결합을 보장하는 작용기 인 아미노산 잔기와 기질 (촉매 부위)의 화학적 변형을 수행하는 작용기 인 아미노산 잔기가 포함되어 있습니다. 그림 2.1).

쌀. 2.1. 효소의 활성 중심 구조 구조.

효소의 활성 중심을 형성하는 아미노산은 빨간색으로 표시됩니다. 1 - 결합 부위; 2 - 촉매 섹션

2. 특성- 효소의 생물학적 중요성을 결정하는 효소의 가장 중요한 특성. 구별하다 기판그리고 효소의 촉매 특이성,이는 활성 센터의 구조에 의해 결정됩니다.

3. 아래에 기질 특이성각 효소가 하나 또는 여러 개의 특정 기질과 상호작용하는 능력을 말합니다.

다음이 있습니다:

- 절대 기질 특이성,효소의 활성 부위가 단 하나의 기질에만 상보적인 경우;

- 그룹 기질 특이성,효소가 구조적으로 유사한 소량의 기질(그룹)과 동일한 유형의 반응을 촉매하는 경우;

- 입체특이성,효소가 기질의 기존 입체이성질체 중 단 하나에 대해서만 절대 특이성을 나타내는 경우.

4. 촉매 특이성또는 기질 전환 경로의 특이성은 서로 다른 효소의 작용 하에서 동일한 기질의 전환을 보장합니다. 이는 해당 효소의 활성 중심의 촉매 부위 구조에 의해 보장됩니다. 예를 들어, 분자

인간 간 세포의 포도당-6-인산은 포스포글루코뮤타제, 포도당-6-인산 포스파타제, 포스포글루코이소머라제 및 포도당-6-인산 탈수소효소의 네 가지 효소의 기질입니다. 그러나 이들 효소의 촉매 부위의 구조적 특징으로 인해 포도당-6-인산의 다양한 변형이 일어나 네 가지 다른 생성물이 형성됩니다(그림 2.2).

쌀. 2.2. 포도당-6-인산염의 전환을 위한 촉매 경로.

기질 전환 경로의 특이성은 서로 다른 효소의 작용에 따라 동일한 기질을 변형시키는 것을 가능하게 합니다. 포도당-6-인산 분자는 다양한 효소의 기질이며, 이로 인해 다양한 생성물이 형성됩니다.

주제 2.3. 효소 작용의 메커니즘

1. 촉매작용 동안 효소-기질(ES) 복합체에서 효소의 활성 부위에 결합된 기질은 생성물로 화학적 전환을 거쳐 방출됩니다. 촉매작용 과정은 다음과 같이 도식적으로 표현될 수 있다:

효소 촉매작용 과정은 여러 단계로 나눌 수 있습니다(그림 2.3). 단계 I에서 기질은 효소의 활성 중심 영역에 접근하고 방향을 잡습니다. 그 결과 2단계에서는 유도된 서신[기질(S)의 형태 변화와 효소의 활성 중심] 효소-기질 복합체(ES)가 형성됩니다. III 단계에서는 기질의 결합이 불안정해지고 불안정한 효소-산물 복합체(EP)가 형성됩니다. IV 단계에서 복합체(EP)는 활성 부위로부터 반응 생성물이 방출되고 효소가 방출되면서 분해됩니다.

2. 화학 반응의 에너지를 이해하려면 기질과 반응 생성물의 에너지 변화뿐 아니라 이 과정에서 효소의 역할을 고려해야 합니다. 반응이 일어나기 위해서는 기질 분자가 반응에 참여하는 데 필요한 만큼의 추가 에너지(활성화 에너지 Ea라고 함)를 기질이 받아야 하는 것으로 알려져 있습니다(그림 2.4). 효소 반응의 경우 활성화 에너지가 감소하여 보다 효율적인 반응이 보장됩니다.

쌀. 2.3. 효소 촉매작용의 단계:

I - 효소의 활성 중심에서 기질의 접근 및 방향 단계; II - 효소-기질 복합체(Eb)의 형성; III - 불안정한 효소-산물 복합체(EP)의 형성; IV - 효소의 활성 중심에서 반응 생성물 방출

쌀. 2.4. 화학 반응 중 자유 에너지의 변화. 촉매가 없거나 효소에 의해 촉매됩니다.

효소는 활성화 에너지 E a를 감소시킵니다. 에너지 장벽의 높이를 줄입니다. 결과적으로 반응성 분자의 비율이 증가하고 반응 속도가 증가합니다.

주제 2.4. 보조인자와 보조효소

대부분의 효소는 촉매 활성을 나타내기 위해 특정 비단백질 물질(보조인자)이 필요합니다. 보조인자에는 금속 이온과 보조효소라는 두 그룹이 있습니다.

1. 금속 이온은 다양한 방식으로 효소의 기능에 참여합니다.

기질 분자의 구조를 변경하고,활성 센터와의 상호 보완적인 상호 작용을 보장합니다. 예를 들어, Mg2+-ATP 복합체는 기질 역할을 합니다.

효소 활성 중심의 기본 형태를 제공합니다.이온

Mg 2 +, Mn 2 +, Zn 2 +, Co 2 +, Mo 2 + 는 효소의 활성 중심을 안정화시키는 데 관여하고 조효소 첨가에 기여합니다.

그들은 효소 단백질 분자의 형태를 안정화시킵니다.예를 들어, 아연 이온은 에탄올의 산화를 촉매하는 알코올 탈수소효소의 4차 구조를 안정화하는 데 필요합니다.

효소 촉매작용에 직접적으로 관여합니다.이온 Zn 2 +, Fe 2 +, Mn 2 +, Cu 2 +는 친전자성 촉매 작용에 참여합니다. 가변 원자가를 갖는 금속 이온도 전자 이동에 참여할 수 있습니다. 예를 들어 시토크롬(헴 함유 단백질)에서 철 이온은 전자 1개를 부착하고 기증할 수 있습니다. 이 특성으로 인해 시토크롬은 산화 환원 반응에 참여합니다.

2. 보조효소효소의 활성 중심에 위치하기 때문에 효소 촉매 작용에 직접적으로 관여하는 유기 물질, 가장 흔히 비타민 유도체입니다. 보효소를 함유하고 효소활성을 갖는 효소를 효소라고 한다. 홀로효소.그러한 효소의 단백질 부분을 아포효소,보조효소가 없으면 촉매 활성이 없습니다.

조효소는 반응 시에만 효소의 단백질 부분에 결합하거나 강한 공유 결합으로 아포효소와 결합할 수 있습니다. 후자의 경우에 호출됩니다. 보철 그룹.가장 일반적인 조효소(비타민 유도체 및 효소 과정에 대한 참여)의 예가 표에 나와 있습니다. 2.1.

테이블 2.1. 주요 조효소의 구조와 기능

테이블 끝. 2.1.

주제 2.5. 분류 및 명칭

효소

1. 대부분의 효소 이름에는 반응 기질의 이름(예: 우레아제, 수크라아제, 리파아제, 뉴클레아제) 또는 특정 기질의 화학적 변형 이름(예: 젖산)에 접미사 "ase"가 붙어 있습니다. 탈수소효소, 아데닐레이트 시클라제, 포스포글루코뮤타제, 피루베이트 카르복실라제). 그러나 기질이나 화학적 변형 유형에 대한 정보를 제공하지 않는 사소하고 역사적으로 고정된 효소 이름이 많이 사용되고 있습니다(예: 트립신, 펩신, 레닌, 트롬빈 ​​등).

2. 자연에서 발견되는 효소를 체계화하기 위해 국제 생화학 및 분자 생물학 연합(IUBMB)은 1961년 명명법을 개발했습니다. 이에 따라 모든 효소는 촉매되는 화학 반응의 유형에 따라 6가지 주요 클래스로 구분됩니다. 각 클래스는 변환되는 기질의 화학 그룹, 변환된 그룹의 공여체 및 수용체, 추가 분자의 존재 등에 따라 수많은 하위 클래스와 하위 클래스로 구성됩니다. 6개 클래스 각각에는 엄격하게 할당된 고유한 일련 번호가 있습니다. 1등급 - 산화환원효소; 2학년 - 전이효소; 3학년 - 가수분해효소; 4학년 - 리아제; 5 학년 - 이성질화효소; 6 학년 - 리가제

이 분류는 효소를 정확하게 식별하는 데 필요합니다. 각 효소에는 코드 번호가 있습니다. 예를 들어, 말데히드로게나제 효소의 체계적 이름은 L-말산염: NAD 산화환원효소이고 코드 번호는 1.1.1.38입니다. 첫 번째 숫자는 효소 클래스 번호를 나타냅니다(이 경우 숫자 1은 효소가 산화환원효소 클래스에 속함을 나타냄). 두 번째 숫자는 촉매되는 반응의 유형을 나타냅니다(이 예에서는 하이드록실 그룹이 산화됨). 세 번째 숫자는 보조효소(이 경우 NAD+ 보조효소)의 존재를 의미하고, 마지막 숫자는 이 하위 그룹에 있는 효소의 일련번호입니다.

3. 주요 효소 종류의 특성과 그들이 촉매하는 반응의 예.

1. 산화환원효소다양한 산화환원 반응을 촉매합니다. 클래스는 하위 클래스로 나뉩니다.

ㅏ) 탈수소효소탈수소화 반응을 촉매합니다(탈수소화된 기질에서 다른 수용체로 전자가 전달되어 수소가 제거됨). 보조효소 NAD+, NADP+, FAD, FMN은 전자 수용체로 사용됩니다. 이 하위 클래스에는 말산염 탈수소효소(그림 2.5), 이소시트레이트 탈수소효소, 숙신산 탈수소효소, α-케토부티레이트 탈수소효소 등이 포함됩니다.

쌀. 2.5. 말산염 탈수소화 반응

비) 산화효소- 분자 산소의 참여로 산화 반응을 촉매합니다(그림 2.6).

쌀. 2.6. 사이토크롬 산화효소에 의해 촉매되는 반응

V) 산소화효소(수산화효소)은 산소 원자를 기질 분자의 수산기에 결합시켜 산화 반응을 촉매합니다. 반응은 분자 산소의 참여로 발생하며 그 중 하나의 원자는 기질에 부착되고 두 번째 원자는 물 분자 형성에 관여합니다 (그림 2.7).

쌀. 2.7. 페닐알라닌의 수산화 반응.

반응 보조효소: 테트라히드로비오테린(H 4 BP) 및 디히드로비오테린(H 2 BP)

2. 트랜스퍼라제- 작용기 전달 반응을 촉매합니다. 전달된 그룹에 따라 이들은 아미노트랜스퍼라제(그림 2.8), 아실트랜스퍼라제, 메틸트랜스퍼라제, 글리코실트랜스퍼라제, 키나제(포스포트랜스퍼라제)(그림 2.9)의 하위 클래스로 나뉩니다.

쌀. 2.8. 아미노트랜스퍼라제의 하위 클래스인 트랜스퍼라제 클래스에 속하는 효소 ALT(알라닌-α-케토글루타레이트 아미노트랜스퍼라제)에 의해 촉매되는 반응입니다.

PF - 코엔자임 피리독살 인산염

쌀. 2.9. 포스포트랜스퍼라제의 하위 클래스인 트랜스퍼라제 클래스에 속하는 효소 단백질 키나제에 의해 촉매되는 반응입니다.

ATP는 인산 잔기의 기증자입니다.

3. 가수분해효소가수분해 반응(단절 부위에 물 분자를 첨가하여 공유 결합의 절단)을 촉매합니다. 이들은 기판에 따라 하위 클래스로 구분됩니다. 이름은 가수분해되는 기질 분자 또는 특정 화학 결합(프로테아제, 아밀라아제, 글리코시다아제, 뉴클레아제, 에스테라아제, 포스파타아제 등)에 따라 형성됩니다. 단백질 분자의 가수분해에 대한 반응식의 예가 그림 1에 나와 있습니다. 2.10.

쌀. 2.10. 단백질 분자 가수분해 반응

4. 리아제- 리아제에는 CO 2, H 2 O, NH 2 SH 2 등과 같은 비가수분해 방식으로 기질로부터 특정 그룹을 절단하거나 이중 결합을 통해 부착(예: 물 분자)하는 효소가 포함됩니다. 탈카르복실화 반응(CO 2 분자 제거)은 그림 1에 나와 있습니다. 2.11에 물 분자를 첨가하는 반응(하이드라타제 반응)은 그림 2.11에 나와 있다. 2.12.

쌀. 2.11. 탈탄산 반응(CO 2 분자 제거)

PF 보효소 피리독살 인산염

쌀. 2.12. 푸마르산염에 물 분자를 첨가하는 반응

5. 이성질화효소다양한 분자 내 변형을 촉매합니다(그림 2.13).

쌀. 2.13. 포스포글루코이소머라제 효소에 의해 촉매되는 반응

6. 리가제(합성효소) 두 분자를 서로 연결하여 공유 결합을 형성함으로써 분자를 복잡하게 만드는 반응을 촉매합니다. 이 경우 ATP 또는 기타 고에너지 화합물의 에너지가 사용됩니다(그림 2.14).

쌀. 2.14. 글루타민 합성효소에 의해 촉매되는 반응

주제 2.6. 효소 동역학의 기초

촉매작용

1. 효소 반응의 동역학은 반응 물질의 화학적 성질과 환경 요인에 대한 효소에 의해 촉매되는 화학 반응 속도의 의존성을 연구하는 효소학의 한 분야입니다.

효소의 촉매 활성을 측정하려면 반응 속도나 효소 활성과 같은 지표가 사용됩니다. 효소 반응 속도기질 분자 수의 감소 또는 단위 시간당 생성물 분자 수의 증가에 의해 결정됩니다. 효소 반응 속도는 효소의 촉매 활성을 측정한 것으로서 다음과 같이 표시됩니다. 효소 활성.

실제로, 효소의 활성을 특성화하는 데 기존 값이 사용됩니다. 1 국제 활성 단위(IU)는 최적의 조건(온도 37°)에서 1분 안에 1μmol의 기질 전환을 촉매하는 효소의 양에 해당합니다. C, 용액의 최적 pH 값) 효소 반응을 위한

반응. 이러한 활동 단위는 의료 및 제약 실습에서 효소 활동을 평가하는 데 사용됩니다.

주어진 조직의 다른 단백질 중에서 효소 분자의 수를 추정하려면 1밀리그램(mg)의 ​​단위 시간당 변환된 기질의 양(μmol 단위)과 수치적으로 동일한 효소의 비활성(Sp.A.)을 결정하십시오. 단백질(조직에서 분리된 효소):

효소의 정제 정도는 비활성에 따라 판단됩니다. 외부 단백질이 적을수록 비활성이 높아집니다.

2. 효소 반응의 동역학은 효소 반응을 위한 최적의 조건에서 연구됩니다. 최적의 조건은 각 효소마다 다르며 주로 반응이 수행되는 온도와 용액의 pH 값에 따라 결정됩니다.

온도 상승특정 한계까지는 온도가 화학 반응에 영향을 미치는 것과 같은 방식으로 효소 반응 속도에 영향을 미칩니다. 온도가 증가하면 효소 반응 속도도 증가합니다. 그러나 효소 화학 반응의 속도에는 자체 최적 온도가 있으며, 그 온도가 초과되면 단백질 분자의 열적 변성과 관련된 효소 활성 감소가 동반됩니다(그림 2.15). 대부분의 인간 효소의 최적 온도는 37~38°C입니다.

쌀. 2.15. 온도에 따른 효소 반응 속도(V)의 의존성

효소 활성은 pH에 따라 달라집니다.효소반응이 일어나는 용액. 효소 활성에 대한 pH의 영향은 주어진 단백질과 기질의 아미노산 잔기의 작용기 이온화 변화로 인해 발생하며, 이는 효소-기질 복합체의 최적 형성을 보장합니다. 각 효소에는 최대 활성이 관찰되는 pH 값이 있습니다(그림 2.16).

쌀. 2.16. 배지의 pH에 ​​따른 효소 반응 속도(V)의 의존성

3. 효소 반응의 동역학적 특성은 반응물의 농도에 따라 달라집니다. 효소의 농도를 일정하게 유지하고 기질의 양만 변경하면 효소 반응 속도 그래프는 쌍곡선으로 표시됩니다(그림 2.17). 기질의 양이 증가할수록 초기 반응속도는 증가한다. 효소가 기질로 완전히 포화되면, 즉 효소-기질 복합체의 가능한 최대 형성은 주어진 효소 농도에서 발생하며 가장 높은 생성물 형성 속도가 관찰됩니다. 기질 농도가 더 증가해도 생성되는 생성물의 양은 증가하지 않습니다. 반응속도가 증가하지 않습니다. 이 상태는 최대 반응 속도에 해당합니다. Vmax

V max 값은 효소의 촉매 활성을 특성화하고 주어진 효소 농도와 과잉 기질 조건에서 생성물 형성의 최대 가능성을 결정합니다. Vmax는 주어진 효소 농도에 대한 일정한 값입니다.

쌀. 2.17. 기질 농도 S에 대한 반응 속도(V)의 의존성:

V max 는 최적의 반응 조건 하에서 주어진 효소 농도에서의 최대 반응 속도입니다. Km - 미카엘리스 상수

4. 효소 효율의 주요 동역학 특성은 다음과 같습니다. 미카엘리스 상수 - Km.미카엘리스 상수는 최대 속도의 절반이 달성되는 기질 농도와 수치적으로 동일합니다. Km은 주어진 기질에 대한 주어진 효소의 친화도를 나타내며 일정한 값입니다. Km이 낮을수록 주어진 기질에 대한 효소의 친화력이 커지고 초기 반응 속도가 빨라지며, 반대로 Km이 클수록 기질에 대한 효소의 친화력이 낮아지고 초기 반응 속도가 낮아집니다.

1. 테이블을 노트북에 복사하세요. 2.2. 교과서와 추가 문헌을 사용하여 표를 작성하세요. 인간 건강을 위한 다양한 식단의 필요성에 대한 결론을 도출하십시오.

2. 테이블을 노트북에 복사하세요. 2.3을 작성하고 작성합니다. 교과서를 사용하여 각 조효소와 관련된 반응을 하나씩 적어보세요.

3. 효소 활동 그래프를 노트북으로 전송합니다(그림 2.18). 이러한 반응의 Vmax를 정의하고 표시합니다. 첫 번째와 두 번째에 K를 지정하세요.

사례. 상수 K의 생화학적 의미는 무엇입니까?

표 2.2. 보효소의 전구체인 주요 수용성 비타민의 특성

표 2.3. 기본 보조효소

쌀. 2.18. 기질 농도에 따른 효소 반응 속도의 의존성

자기 통제 작업

1. 정답을 선택하세요. 효소:

A. 단백질인가?

B. 효소 반응 속도를 줄입니다.

B. 작용 특이성을 가지고 있습니다 D. 단순한 단백질입니다 E. 조절이 가능합니다

2. 정답을 선택하세요. 미카엘리스 상수(Km):

A. 효소의 기질 특이성의 특징이다. B. Vmax의 절반이 관찰되는 기질 농도와 수치적으로 동일하다.

B. 기질에 대한 효소의 친화성을 특성화합니다.

D. 기질에 의한 효소의 활성 중심 포화를 특성화합니다. D. 효소의 동역학 특성입니다

3. 정답을 선택하세요. 코엔자임 PF는 다음 클래스의 효소와 함께 기능합니다.

A. 산화환원효소 B. 전이효소

B. 가수분해효소 G. Liaz D. 이성질화효소

4. 성냥. 보조효소가 관여하는 반응 유형:

A. 카르복실화 B. 산화-환원

B. 아미노전이 D. 아실화 E. 아세틸화

보조효소:

2. 피리독살 인산염

5. 성냥. 효소는 다음을 촉매합니다.

A. 되돌릴 수 없는 반응만

B. 구조적으로 유사한 소수(그룹)의 기질을 사용한 동일 유형 반응

B. 기질의 기존 입체이성질체 중 하나만 전환

D. 조효소 존재 하의 반응 E. 단 하나의 기질 전환 기질 특이성:

1. 절대

2. 그룹

3. 입체특이성

6. "체인" 작업을 완료합니다.

ㅏ) 산화 환원 반응은 해당 계열의 효소에 의해 촉매됩니다.

A. 전이효소

B. 산화환원효소

비) 이 클래스의 하위 클래스에 속하는 효소는 반응을 수행합니다.

기판으로부터 수소 원자의 추출:

A. 산화효소

B. 하이드록실라제

B. 탈수소효소

V) 이들 효소의 보조효소는 다음과 같습니다.

B. 조효소 A

G) 코엔자임은 비타민을 기본으로 합니다.

A. 니코틴산 B. 비오틴

B. 비타민 B 2

디) 이 비타민이 결핍되면 다음과 같은 질병이 발생합니다.

B. 펠라그라

B. 대적혈구빈혈

7. 성냥. 효소 종류:

A. 산화환원효소 B. 가수분해효소

B. 리가자 G. 리아세

D. 전이효소

효소:

1. 숙신산탈수소효소

2. 피루베이트 카르복실라제.

3. DNase.

8. 누락된 단어로 문장을 완성하세요.

활동. 강한 공유 결합으로 아포효소에 연결된 조효소를 ....

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

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

6. 가) 나; b) 나; 다) 나; d) 가. 마) ㄴ

7. 1-가; 2-B; 3-B

8. 홀로효소, 아포효소, 조효소, 보결효소군

기본 용어 및 개념

1. 효소학

2. 효소 촉매작용

3. 효소-기질 복합체

4. 효소촉매의 동역학

5. 기판

6. 효소 활성 부위

7. 최대 반응 속도 - V max

8. 미카엘리스 상수 - Km

9. 효소활성단위

10. 효소 수업

11. 효소 특이성

12. 효소 보조인자

13. 효소의 비활성

14. 아포효소

15. 홀로효소

문제를 해결하다

1. 현재 생화학 실험실에서는 자동 생화학 분석기가 인간 체액의 효소 활성을 결정하는 데 사용됩니다. 실험실 기술자가 젖산탈수소효소(LDH) 활성을 결정하고 두 환자의 LDH 활성을 계산하는 데 사용되는 시약을 이해하도록 도와주세요. 이를 위해:

a) LDH에 의해 촉매되는 반응을 쓰십시오.

b) 기질, 조효소, 전구체 비타민, 효소 공급원을 표시합니다.

c) 반응 조건(온도, 시간)을 나열합니다.

d) 효소 반응 속도를 평가할 수 있는 매개변수를 설명합니다.

f) 환자의 혈액 내 LDH 활성을 IU/l 단위로 계산합니다. 결론을 내리십시오. 어떤 환자가 더 활동적입니까?

표 2.4. LDH 활동을 결정하기 위한 데이터

2. 인간은 항온성(온도가 일정한 수준으로 유지되는) 살아있는 유기체입니다. 의학에서는 어떤 경우에는 치료를 위해 극한의 온도가 사용됩니다. 특히 저체온 조건은 장기간의 수술, 특히 뇌와 심장에 사용됩니다) 온열 조건은 조직 응고를 목적으로 사용됩니다. 효소학자의 관점에서 이러한 접근법의 타당성을 설명하십시오. 대답하려면:

a) 대부분의 인간 효소에 최적의 온도를 나타냅니다.

b) 온도에 대한 효소 반응 속도의 의존성을 나타내는 그래프를 그립니다.

c) 저체온 상태에서 장기적인 외과적 개입의 필요성을 설명합니다.

d) 열조직 응고 방법의 기반이 무엇인지 설명합니다.

e) 인간이 임계 온도에 노출되었을 때의 결과를 나타냅니다.

3. 35세 환자가 구강점막 염증, 근육피로, 결막염을 주소로 내원하였다. 환자는 간, 호밀, 우유, 효모 등의 식품을 식단에서 제외하고 오랫동안 단조로운 식사를 했습니다. 의사는 비타민 결핍증 B2를 진단했습니다. 관찰된 증상의 이유를 설명하십시오. 이를 위해:

a) 비타민 B2로부터 형성된 보조효소의 이름을 말하십시오.

b) 이러한 보조효소가 어떤 반응에 관여하는지 표시합니다.

c) 산화 및 환원 형태의 조효소에 대한 공식의 작동 부분을 작성하십시오.

d) 이러한 조효소와 관련된 반응의 예를 제시하십시오(교과서 자료 사용).

4. 산성 인산분해효소는 인산 에스테르를 가수분해합니다. 이 효소는 간, 비장, 전립선 세포에서 형성됩니다. 그것은 적혈구, 혈소판, 대식세포 및 파골세포에 포함되어 있습니다. 이 효소는 정자의 첨체에도 함유되어 있으며 수정 중에 난모세포 원형질의 인지질을 분해합니다. 산성 포스파타제의 가장 큰 효소 활성은 산성 pH 값(4.7-6.0)에서 발생합니다. pH에 따른 반응 속도의 그래프를 그리고 pH 변화에 따라 산성 포스파타제 활성이 변하는 이유를 설명하십시오. 반응 다이어그램을 제공하십시오. 효소 종류와 특이성을 결정합니다.

5. 소장 펩티다제의 작용 하에서 디펩티드 전환의 반응 속도를 연구할 때 다음과 같은 결과가 얻어졌습니다: 최대 효소 활성은 40 µmol/min/mg, Km 0.01입니다. 어떤 기질 농도에서 반응 속도가 10 µmol/min/mg과 같습니까? 작업 데이터 사용:

a) 반응식을 작성하고 효소의 종류와 기질에서 파괴되는 결합을 결정합니다.

b) 기질 농도에 따른 반응 속도의 그래프를 그리고 문제의 질문에 답하십시오.

c) Ksh의 정의를 제시하고, Ksh 값과 기질에 대한 효소의 친화도 사이의 관계를 나타냅니다.

6. 그 학생은 닭고기 달걀 흰자에서 분리한 리소자임 효소의 특정 활성을 측정했습니다. 리소자임은 박테리아 세포벽의 당단백질을 가수분해합니다. 그 학생은 최적의 pH 값인 5.2를 제공하는 기질, 효소 및 완충액을 함유한 반응 혼합물을 배양했으며 1mg의 라이소자임의 영향으로 15분 안에 12μmol의 생성물만이 형성된다는 것을 발견했습니다. 계산을 하고 원인을 알아낸 결과

효소의 비활성이 낮았기 때문에 그는 온도 조절 장치를 켜지 않았으므로 샘플을 실온에서 배양했고 효소 t는 37°C였다는 것을 기억했습니다. 최적의 조건에서 실험을 반복한 결과, 그는 1mg의 라이소자임이 작용하여 15분 안에 45μmol의 생성물이 형성된다는 것을 발견했습니다. 두 경우 모두에서 효소의 비활성을 계산하고 온도가 효소 반응 속도에 미치는 영향의 메커니즘을 설명하십시오.

7. 세포 내 많은 효소의 활성은 단백질 키나제 및 인단백질 포스파타제와 같은 다른 효소에 의해 조절됩니다. 이러한 반응의 특징을 나타냅니다. 이 효소들에 의해 촉매되는 반응을 쓰고, 그들이 속한 효소의 종류를 표시하십시오. 기질 특이성을 참고하십시오.

모듈러 유닛 2 효소 활동의 규제. 효소학의 의학적 측면

학습 목표 다음을 할 수 있습니다:

1. 신체의 효소 반응에 대한 억제제(약물, 독극물)의 영향 결과를 해석합니다.

2. 대사 경로의 속도에 영향을 미치는 효소 활성 조절의 중요성을 설명하십시오.

3. 효소를 의약품으로 활용하는 기본 원리를 설명하시오.

4. 정상적인 조건과 다양한 대사 장애에서 효소의 특성과 장기의 효소 구성에 대한 지식을 적용합니다.

5. 질병 진단에서 효소 활성 측정 결과를 해석합니다.

알다:

1. 작용 메커니즘에 따른 효소 억제제의 분류.

2. 약물의 예 - 효소 억제제.

3. 체내 효소 활성을 조절하는 기본 메커니즘.

4. 대사 경로 조절의 원리와 대사 조절에서 효소의 역할.

5. 질병 진단 및 치료를 위한 효소 이용의 기초.

주제 2.7. 효소 활성 억제제

1. 해당 기간에 따라 "금지효소 활성"은 특정 화학물질에 의해 발생하는 촉매 활성의 특정 감소를 의미합니다. 억제제.

억제제는 효소 촉매 작용의 메커니즘을 밝히고 신체의 대사 경로에서 개별 효소 반응의 역할을 확립하는 데 큰 관심을 갖고 있습니다. 많은 약물과 독극물의 작용은 효소 활성 억제 원리에 기초합니다.

2. 억제제는 다양한 강도로 효소에 결합할 수 있습니다. 이를 토대로 구별한다. 거꾸로 할 수 있는그리고 돌이킬 수 없는 억제. 가역적 억제제약한 비공유 결합으로 효소에 결합하고 특정 조건에서는 효소에서 쉽게 분리됩니다.

전자+나↔ 에이.

비가역적 억제억제제 분자와 효소 사이에 안정적인 공유 결합이 형성되는 경우 관찰됩니다.

전자+나→ E-I.

3. 작용 메커니즘에 따라 가역성 억제제는 다음과 같이 구분됩니다. 경쟁력 있는그리고 경쟁력없는.

경쟁적 억제는 억제제가 효소의 활성 부위에 결합하여 효소-기질 복합체의 형성을 방지함으로써 효소 반응 속도를 가역적으로 감소시킵니다. 이러한 유형의 억제는 억제제가 다음과 같을 때 발생합니다. 기판의 구조적 유사체;결과적으로, 효소의 활성 중심에 결합하기 위한 기질 분자와 억제제 분자 사이의 경쟁이 발생합니다. 이 경우 기질이나 억제제가 효소와 상호작용하여 효소-기질(ES) 또는 효소-억제제(EI) 복합체를 형성합니다. 효소-억제제(EI) 복합체가 형성되면 반응 생성물이 형성되지 않습니다(그림 2.19).

쌀. 2.19. 효소 활성의 경쟁적 억제 계획

경쟁적 유형의 억제에 대해서는 다음 방정식이 유효합니다.

E+S↔ES →E+P; 전자+나↔ E.I.

경쟁적 억제의 독특한 특징은 가역적 억제제가 효소의 구조를 변화시키지 않기 때문에 기질 농도가 증가함에 따라 약화될 가능성이 있다는 것입니다. 따라서 높은 기질 농도에서 반응 속도는 억제제가 없을 때와 다르지 않습니다. 경쟁적 억제제는 Vmax를 변경하지 않지만 Km을 증가시킵니다.

경쟁적 억제의 전형적인 예는 말론산에 의한 숙신산 탈수소효소 반응의 억제입니다(그림 2.20). 말로네이트는 숙시네이트(두 개의 카르복실 그룹의 존재)의 구조적 유사체이며 숙시네이트 탈수소효소의 활성 부위와 상호작용할 수도 있습니다. 그러나 말론산에서 두 개의 수소 원자를 보결분자단 FAD로 전달하는 것이 불가능하므로 반응 속도가 감소합니다.

쌀. 2.20. 말론산에 의한 숙신산 탈수소효소의 경쟁적 억제의 예:

A - 숙신산은 이온 결합으로 인해 숙신산 탈수소효소 효소의 활성 중심에 결합합니다. B - 효소 반응 중에 두 개의 수소 원자가 숙신산염에서 제거되어 조효소 FAD에 첨가됩니다. 결과적으로 숙신산 탈수소효소의 활성 부위에서 제거되는 푸마르산염이 형성됩니다. B - 말로네이트는 숙신산의 구조적 유사체이며, 숙신산 탈수소효소의 활성 부위에도 결합하지만 화학 반응은 일어나지 않습니다.

4. 많은 약물은 경쟁적 억제 메커니즘을 통해 치료 효과를 발휘합니다. 예를 들어, 아세틸콜린이 콜린과 아세트산으로 가수분해되는 반응은 아세틸콜린에스테라제(AChE) 효소에 의해 촉매되며(그림 2.21) 이 효소의 경쟁적 억제제(예: 프로세린, 엔드로포늄등) (그림 2.22). 이러한 억제제를 첨가하면 아세틸콜린에스테라제의 활성이 감소하고 아세틸콜린(기질)의 농도가 증가하며 이는 신경 자극 전도의 증가를 동반합니다. 경쟁적 아세틸콜린 에스테라제 억제제는 근이영양증 치료뿐만 아니라 부상, 마비 및 소아마비 후 운동 장애 치료에도 사용됩니다.

쌀. 2.21. AChE의 영향으로 아세틸콜린 가수분해 반응

쌀. 2.22. AChE의 활성 부위에서 경쟁적 억제제의 결합

A - 효소의 활성 중심에 기질(아세틸콜린)을 첨가합니다.

화살표는 아세틸콜린 가수분해 부위를 나타냅니다. B - 효소의 활성 중심에 경쟁적 억제제인 ​​프로세린을 첨가합니다. 반응이 없습니다. B - 경쟁적 억제제인 ​​엔드로포늄을 효소의 활성 중심에 부착합니다. AChE의 활성 부위에 억제제가 부착되어 아세틸콜린의 결합을 방지합니다.

작용 기전이 효소의 경쟁적 억제에 기초한 약물의 또 다른 예는 다음과 같은 췌장 질환(급성 췌장염, 괴사)에 대한 단백질 분해 효소 트립신의 펩티드 억제제를 사용하는 것입니다. 아프로티닌, 트라실롤, 콘트리칼.이 약물은 주변 조직과 혈액으로 방출되는 트립신을 억제하여 췌장 질환에서 원치 않는 자가분해 현상을 예방합니다.

5. 어떤 경우에는 효소의 활성 중심과 상호작용하는 경쟁적 억제제를 다음과 같이 사용할 수 있습니다. 의사 기질(항대사물질), 이는 잘못된 구조를 가진 제품의 합성으로 이어집니다. 생성된 물질은 "원하는" 구조를 갖지 않으므로 기능적 활성이 부족합니다. 이러한 약물에는 설폰아미드 약물이 포함됩니다.

6. 경쟁력없는가역성은 억제제가 활성 부위가 아닌 다른 부위에서 효소와 상호 작용하는 효소 반응을 억제하는 것입니다. 비경쟁적 억제제는 기질의 구조적 유사체가 아닙니다. 효소에 비경쟁적 억제제를 첨가하면 활성 중심의 형태가 바뀌고 효소 반응 속도가 감소합니다. 효소 활성을 감소시킵니다. 비경쟁적 억제제의 예는 효소 분자의 작용기와 상호작용하여 촉매작용을 방해하는 중금속 이온의 작용일 수 있습니다.

7. 비가역적 억제제효소 분자와의 공유 결합 형성으로 인해 효소 활성이 감소합니다. 대부분의 경우 효소의 활성 중심이 변형됩니다. 결과적으로 효소는 촉매 기능을 수행할 수 없습니다.

비가역적 억제제의 사용은 효소의 작용 메커니즘을 밝히는 데 더 큰 관심을 끌고 있습니다. 효소의 활성 중심 구조에 대한 중요한 정보는 활성 중심의 특정 그룹을 차단하는 화합물에 의해 제공됩니다. 이러한 억제제를 특정한.특정 억제제에는 다음이 포함됩니다. 디이소프로필 플루오로포스페이트(DFP). DPP는 효소의 활성 중심에 포함되어 있고 촉매 작용에 직접 관여하는 세린의 OH기와 공유 결합을 형성하므로 DPP는 "세린" 효소의 비가역적 특정 억제제로 분류됩니다(그림 2.23). DPP는 효소학에서 효소의 활성 부위 구조를 연구하는 데 사용됩니다.

특정 억제제와 달리 비특이적억제제는 활성 중심뿐만 아니라 효소 분자의 모든 부분에 위치한 특정 효소 그룹과 공유 결합을 형성합니다. 예를 들어, 요오드 아세테이트(그림 2.24)는 단백질의 모든 SH 그룹과 상호작용합니다. 이 상호작용은 효소 분자의 형태를 변화시키고, 그에 따라 활성 중심의 형태를 변화시키고 촉매 활성을 감소시킵니다.

쌀. 2.23. DPP를 이용한 키모트립신 활성의 특이적 억제

쌀. 2.24. 요오드 아세테이트에 의한 효소 활성의 비특이적 억제.

요오드 아세테이트 분자에 의한 시스테인 SH 그룹의 공유 결합 변형으로 인해 비특이적 억제가 발생합니다.

8. 비가역적 효소 억제와 관련된 작용을 하는 약물의 예로는 널리 사용되는 아스피린이 있습니다. 이 항염증성 비스테로이드성 약물의 작용은 아라키돈산에서 프로스타글란딘 생성을 촉매하는 사이클로옥시게나제 효소의 억제에 기초합니다. 결과적으로, 아스피린의 아세틸 잔기는 시클로옥시게나제의 하위 단위 중 하나의 세린의 자유 말단 OH 그룹에 추가됩니다(그림 2.25). 이는 염증 매개체를 포함하여 광범위한 생물학적 기능을 갖는 프로스타글란딘(모듈 8 참조)의 형성을 차단합니다. 따라서 아스피린은 항염증제로 분류됩니다. 억제된 효소 분자는 파괴되고, 프로스타글란딘 합성은 새로운 효소 분자가 합성된 후에만 회복됩니다.

쌀. 2.25. 비가역적 억제제인 ​​아스피린을 사용한 사이클로옥시게나제 불활성화 메커니즘

주제 2.8. 효소 활성의 조절

1. 세포의 모든 화학 반응은 효소의 참여로 발생합니다. 따라서 대사 경로(한 물질이 다른 물질로 순차적으로 변환)의 속도에 영향을 미치려면 효소 분자의 수나 그 활성을 조절하는 것으로 충분합니다. 일반적으로 대사 경로에는 다음이 있습니다. 주요 효소이로 인해 전체 경로의 속도가 규제됩니다. 이러한 효소(대사 경로에 있는 하나 이상)를 효소라고 합니다. 조절 효소.효소 반응 속도의 조절은 세 가지 독립적인 수준에서 수행됩니다: 효소 분자 수, 기질 및 조효소 분자의 가용성 변경, 효소 분자의 촉매 활성 변경(표 2.6).

표 2.5. 효소 반응 속도를 조절하는 방법

효소 분자의 촉매 활성을 변화시켜 효소 반응 속도를 조절하는 방법을 고려해 봅시다.

2. 알로스테릭 조절. 알로스테릭 효소~라고 불리는 효소, 활성어느 조정될 수 있다사용하여 이펙터 물질.알로스테릭 조절에 관여하는 효과기는 종종 자신이 조절하는 바로 그 경로에 참여하는 세포 대사산물입니다.

유발하는 이펙터 감소 (억제)효소활성이라 한다 억제제.유발하는 이펙터 증가 (활성화)효소활성이라 한다 활성제.

알로스테릭 효소는 특정한 구조적 특징을 가지고 있습니다.

보통은 올리고머 단백질,여러 개의 프로토머로 구성됨;

가지다 알로스테릭 센터,촉매 활성 부위로부터 공간적으로 멀리 떨어져 있고;

효과기는 알로스테릭(조절) 센터에서 비공유적으로 효소에 부착됩니다.

촉매 센터와 마찬가지로 알로스테릭 센터는 리간드에 대해 서로 다른 특이성을 나타낼 수 있습니다. 절대 또는 그룹일 수 있습니다. 일부 효소에는 여러 개의 알로스테릭 센터가 있으며, 그 중 일부는 활성화제에 특이적이고 다른 일부는 억제제에 특이적입니다.

알로스테릭 센터가 위치한 프로토머를 프로토머라고 합니다. 규제 프로모터같지 않은 촉매 프로토머,화학 반응이 일어나는 활성 센터를 포함합니다.

알로스테릭 효소에는 다음과 같은 특성이 있습니다. 협력성:알로스테릭 효과기와 알로스테릭 중심의 상호작용은 모든 하위단위의 형태에 협동적인 변화를 일으키고, 이는 활성 중심의 형태의 변화와 기질에 대한 효소의 친화력의 변화를 가져오며, 이는 효소의 촉매 활성. 억제제가 알로스테릭 중심에 부착되면 협력적 형태 변화의 결과로 활성 중심의 형태 변화가 발생하여 기질에 대한 효소의 친화력이 감소하고 그에 따라 효소 반응 속도. 반대로 활성화제가 알로스테릭 중심에 부착되면 기질에 대한 효소의 친화력이 증가하여 반응 속도가 증가합니다. 알로스테릭 이펙터의 작용에 따른 일련의 사건이 그림 1에 나와 있습니다. 2.26.

알로스테릭 효소의 조절 거꾸로 할 수 있는:조절 서브유닛에서 이펙터가 분리되면 효소의 원래 촉매 활성이 복원됩니다.

알로스테릭 효소 핵심 반응을 촉매하다이 대사 경로의.

알로스테릭 효소는 세포 내부 구성의 사소한 변화에도 매우 빠르게 반응하므로 다양한 대사 경로에서 중요한 역할을 합니다. 대사 과정의 속도는 주어진 일련의 반응에서 사용되거나 형성되는 물질의 농도에 따라 달라집니다. 전구체는 대사 경로에서 알로스테릭 효소의 활성화제가 될 수 있습니다. 동시에 대사 경로의 최종 산물이 축적되면 효소의 알로스테릭 억제제로 작용할 수 있습니다. 이러한 조절 방법은 신체에서 흔히 발생하며 "부정적 피드백"이라고 합니다.

쌀. 2.26. 알로스테릭 효소의 구조와 기능에 대한 계획:

A - 부정적인 효과기(억제제)의 작용. 억제제(I)는 알로스테릭 중심에 부착되어 효소의 활성 중심을 포함하여 효소 분자의 협동적 구조 변화를 유발합니다. 기질에 대한 효소의 친화력이 감소하고 결과적으로 효소 반응 속도가 감소합니다. B - 긍정적인 효과기(활성제)의 작용. 활성제(A)는 알로스테릭 센터에 결합하여 협력적인 형태 변화를 일으킵니다. 기질에 대한 효소의 친화력이 증가하고 효소 반응 속도가 증가합니다. 효소 활성에 대한 억제제와 활성화제의 가역적 효과가 입증되었습니다.

ATP 분자의 형성으로 끝나는 포도당 이화 과정의 알로스테릭 조절을 고려해 봅시다(그림 2.27). 세포 내 ATP 분자가 소비되지 않는 경우 이는 이 대사 경로의 알로스테릭 효소인 포스포프럭토키나제 및 피루베이트 키나제의 억제제입니다. 동시에, 포도당 이화작용의 중간 대사산물인 과당-1,6-비스인산염은 피루베이트 키나제 효소의 알로스테릭 활성화제입니다. 대사 경로의 최종 산물에 의한 억제와 초기 대사산물에 의한 활성화는 다음을 가능하게 합니다.

쌀. 2.27. 포도당 이화작용 과정의 알로스테릭 조절.

ATP 분자는 대사 경로 효소(포스포프럭토키나제 및 피루베이트 키나제)의 알로스테릭 억제제입니다. 과당-1,6-이인산 분자는 피루브산 키나아제 효소의 알로스테릭 활성화제입니다.

대사 경로의 속도를 조절합니다. 알로스테릭 효소는 일반적으로 대사 경로의 초기 반응, 비가역적 반응, 속도 제한 반응(가장 느린) 또는 대사 경로의 분기점에서의 반응을 촉매합니다.

3. 단백질-단백질 상호작용에 의한 조절.일부 효소는 단백질-단백질 상호작용의 결과로 활성을 변화시킵니다. 이러한 방식으로 효소 활성을 변화시키는 적어도 두 가지 메커니즘이 구별될 수 있습니다: 활성화 단백질의 첨가로 인한 효소 활성화(G 단백질의 α-서브유닛에 의한 효소 아데닐레이트 시클라제의 활성화, 모듈 4 참조) 및 변화 프로토머의 결합과 해리의 결과로 촉매 활성이 나타납니다.

프로토머의 결합 또는 해리에 의한 효소의 촉매 활성 조절의 예로서, 우리는 효소 단백질 키나제 A의 조절을 고려할 수 있습니다.

단백질 키나아제 A(cAMP 의존성)은 두 가지 유형의 네 가지 하위 단위, 즉 2개의 조절(R)과 2개의 촉매(C)로 구성됩니다. 이 사량체에는 촉매 활성이 없습니다. 조절 하위 단위에는 순환 3",5"-AMP(cAMP)에 대한 결합 부위가 있습니다(각 하위 단위당 2개). 4개의 cAMP 분자가 2개의 조절 서브유닛에 부착되면 조절 프로토머의 형태가 바뀌고 4합체 복합체가 해리됩니다. 이는 두 개의 활성 촉매 하위 단위를 방출합니다(그림 2.28). 활성 단백질 키나아제 A는 인산 잔기가 ATP에서 단백질 아미노산 잔기의 특정 OH 그룹으로 전달되는 것을 촉매합니다(즉, 단백질의 인산화를 유발합니다).

쌀. 2.28. 단백질-단백질 상호작용에 의한 단백질 키나제 A(PKA) 활성의 조절.

PKA는 2개의 조절 서브유닛에 결합하는 4개의 cAMP 분자에 의해 활성화되며, 이는 조절 프로토머의 형태 변화와 4량체 복합체의 해리를 초래합니다. 이는 단백질 인산화를 일으킬 수 있는 두 개의 활성 촉매 하위 단위를 방출합니다.

조절 서브유닛으로부터 cAMP 분자의 절단은 프로텐 키나제 A의 조절 및 촉매 서브유닛과 비활성 복합체의 형성을 유도합니다.

4. 인산화-탈인산화에 의한 효소의 촉매 활성 조절.생물학적 시스템에서는 공유 결합 변형을 사용하여 효소의 활성을 조절하는 메커니즘이 종종 발견됩니다. 효소의 화학적 변형을 위한 빠르고 광범위한 방법은 인산화-탈인산화입니다.

효소의 OH 그룹은 효소에 의해 수행되는 인산화를 겪습니다. 단백질 키나제(인산화) 및 인단백질 포스파타제(탈인산화). 인산 잔기를 추가하면 활성 센터의 형태와 촉매 활성이 변경됩니다. 이 경우 결과는 두 가지가 될 수 있습니다. 일부 효소는 인산화 중에 활성화되는 반면 다른 효소는 덜 활성화됩니다 (그림 2.29). 단백질 키나제와 인산단백질 포스파타제의 활성은 호르몬에 의해 조절되며, 이로 인해 대사 경로의 주요 효소 활성이 환경 조건에 따라 빠르게 달라질 수 있습니다.

쌀. 2.29. 인산화-탈인산화에 의한 효소 활성 조절 계획.

효소의 인산화는 단백질 키나제 효소의 도움으로 발생합니다. 인산 잔기의 공여체는 ATP 분자입니다. 효소의 인산화는 효소의 형태와 활성 부위의 형태를 변화시키며, 이는 기질에 대한 효소의 친화력을 변화시킵니다. 이 경우 인산화 중에 일부 효소가 활성화되고 다른 효소는 억제됩니다. 역과정인 탈인산화는 효소에서 인산 잔기를 떼어내고 효소를 원래 상태로 되돌리는 인단백질 포스파타제 효소에 의해 발생합니다.

5. 부분(제한된) 단백질 분해에 의한 효소의 촉매 활성 조절.세포 외부(위장관 또는 혈장)에서 기능하는 일부 효소는 비활성 전구체로 합성되고 하나 이상의 특정 펩타이드 결합의 가수분해 결과로만 활성화되어 분자의 일부가 제거됩니다. 단백질 분자의 나머지 부분에서는 구조적 재배열이 일어나고 효소의 활성 중심이 형성됩니다(그림 2.30). 부분적인 단백질 분해는 효소의 활성이 변할 때 조절되는 예입니다.

쌀. 2.30. 부분적인 단백질 분해에 의한 펩신의 활성화.

펩시노겐(비활성 분자)의 하나 이상의 펩타이드 결합이 가수분해된 결과, 분자의 일부가 분리되고 펩신 효소의 활성 중심이 형성됩니다.

뒤집을 수 없는. 이러한 효소는 일반적으로 단백질 분자의 수명에 따라 결정되는 짧은 시간 동안 기능합니다. 부분적인 단백질 분해는 소화 단백질 분해 효소(펩신, 트립신, 키모트립신, 엘라스타제), 펩타이드 호르몬(인슐린), 혈액 응고 시스템의 단백질 및 기타 여러 단백질의 활성화의 기초가 됩니다.

주제 2.9. 의학에서의 효소의 응용

1. 효소는 의료 행위에서 진단용으로 널리 사용됩니다. (효소진단)그리고 치료 (효소치료)자금. 효소는 다음과 같은 용도로도 사용됩니다. 특정 시약

대사산물의 수를 결정합니다. 예를 들어, 포도당 산화효소는 소변과 혈액 내 포도당을 정량적으로 측정하는 데 사용됩니다. 우레아제 효소는 생물학적 체액의 우레아 함량을 평가하는 데 사용됩니다. 다양한 탈수소효소를 사용하여 피루브산염, 젖산염, 에틸알코올 등과 같은 적절한 기질의 존재를 검출합니다.

2. 효소진단인간의 체액에 있는 효소의 활성을 측정하여 질병(또는 증후군)을 진단하는 것으로 구성됩니다.

효소 진단의 원리는 다음 원칙에 기초합니다.

일반적으로 혈청에는 혈액 응고 시스템과 관련된 특수한 기능을 수행하는 효소가 포함되어 있습니다. 세포 효소는 실제로 손상되지 않은 세포에서 혈액으로 침투하지 않습니다. 최소한의 양으로도 일부 세포 효소가 혈액에서 검출될 수 있습니다.

~에 손상혈액 또는 기타 생물학적 체액 (예 : 소변)의 세포막 (염증, 괴사), 손상된 세포의 세포 내 효소 수가 증가하고 그 활성은 특수 생화학 테스트로 기록 될 수 있습니다.

효소 진단의 경우 특정 기관에서 우세하거나 절대적인 위치를 갖는 효소가 사용됩니다. (기관 특이성);

방출되는 효소의 양은 조직 손상 정도에 비례해야 하며 효소의 활성을 결정하는 데 충분해야 합니다.

세포가 손상되었을 때 검출된 생체액의 효소 활성은 정상 수치와 다르며 꽤 오랜 시간(일) 동안 안정적입니다.

세포질에만 위치하는 효소의 혈장 내 출현은 염증 과정을 나타냅니다. 미토콘드리아 또는 핵 효소가 감지되면 괴사와 같은 더 깊은 세포 손상에 대해 이야기할 수 있습니다.

동일한 화학반응을 촉매하지만 일차 단백질 구조가 다른 효소를 효소라고 합니다. 동위효소.이들은 운동 매개변수, 활성화 조건, 아포효소와 조효소 사이의 연결 특성이 서로 다릅니다. 동위효소의 출현 특성은 다양하지만, 대부분 이러한 동위효소 또는 그 하위 단위를 암호화하는 유전자 구조의 차이로 인해 발생합니다. 동위효소를 결정하는 방법은 물리화학적 특성의 차이를 기반으로 합니다. 동위효소는 흔히 장기 특정,각 조직에는 주로 한 가지 유형의 동위효소가 포함되어 있기 때문입니다. 결과적으로, 기관이 손상되면 해당 형태의 동종효소가 혈액에 나타납니다. 특정 동종효소 형태의 효소를 검출하면 질병 진단에 사용할 수 있습니다.

예를 들어, 효소 젖산염 탈수소효소(LDH)젖산염(젖산)이 피루브산염(피루브산)으로 바뀌는 가역적 산화 반응을 촉매합니다(그림 2.31). 젖산염 탈수소효소는 mol의 올리고머 단백질입니다. 무게는 134,000이며 M(영어 근육에서 유래 - 근육) 및 H(영어 심장에서 유래 - 심장)의 두 가지 유형의 4개 하위 단위로 구성됩니다. 이들 하위단위의 조합은 젖산염 탈수소효소의 5가지 동형체 형성의 기초가 됩니다(그림 2.32, A). LDH 1과 LDH 2는 심장 근육과 신장에서 가장 활동적이며, LDH 4와 LDH 5는 골격근과 간에서 가장 활동적입니다. 다른 조직에는 이 효소의 다른 변종이 포함되어 있습니다. LDH 이소형은 전기영동 이동성이 서로 다르기 때문에 LDH 이소형의 조직 동일성을 확립할 수 있습니다(그림 2.32, B). 심장, 간, 근육 질환을 진단하려면 전기영동을 사용하여 혈장 내 LDH 이소형을 연구해야 합니다. 그림에서. 2.32, B는 전기영동도를 보여줍니다.

쌀. 2.31. 젖산탈수소효소(LDH)에 의해 촉매되는 반응

쌀. 2.32. 젖산 탈수소효소 동형:

A - 다양한 LDH 이소형의 구조; B - 다양한 기관의 전기영동도 분포 및 LDH 이소형의 상대적인 양; B - 정상 조건 및 병리학에서 혈장 내 LDH 이소형 함량(전자영동도 - 왼쪽, 광도 스캐닝 - 오른쪽)

건강한 사람, 심근경색 환자, 간염 환자의 혈장. 혈장 내 조직 특이적 LDH 이소형의 검출은 진단 테스트로 널리 사용됩니다.

또 다른 예는 크레아틴 키나아제입니다. 크레아틴 키나제(CK)이는 크레아틴 인산염 형성 반응을 촉매합니다(그림 2.33). KK 분자는 두 가지 유형의 하위 단위 M(영어 근육 - 근육)과 B(영어 뇌 - 뇌)로 구성된 이량체입니다. 이 하위 단위는 BB, MB, MM의 세 가지 동위효소를 형성합니다. BB 동종효소는 주로 뇌에서 발견되고, MM은 골격근에서, MV는 심장 근육에서 발견됩니다. KK 이소형은 전기영동 이동도가 다릅니다(그림 2.34). 혈장 내 CK 활성 측정은 심근경색 진단에 중요합니다(MB 동형단백질의 수준이 증가합니다). MM 이소형의 양은 외상 및 골격근 손상 중에 증가할 수 있습니다. BB 동종체는 혈액뇌관문을 통과할 수 없으므로 뇌졸중 중에도 혈액에서 실제로 검출할 수 없으며 진단적 가치가 없습니다.

쌀. 2.33. 크레아틴 키나제(CK) 효소에 의해 촉매되는 반응

쌀. 2.34. 다양한 크레아틴 키나제 이소형의 구조 및 전기영동 이동성

효소진단다양한 장기의 질병 진단을 확립하는 데 사용됩니다. 일련의 분석은 특정 생화학 실험실의 능력에 따라 달라지며 지속적으로 개선되고 있습니다. 가장 일반적인 효소 진단 테스트는 다음과 같습니다.

심장 질환 (심근 경색) - 젖산 탈수소 효소, 크레아틴 키나제, 아스파르 테이트 아미노 전이 효소, 알라닌 아미노 전이 효소. 심근경색 동안 혈액에 나타나는 최초의 단백질 중 하나는 트로포닌입니다.

간 질환의 경우 - 알라닌 아미노트랜스퍼라제, 아스파르테이트 아미노트랜스퍼라제, 아세틸콜린에스테라제, 감마-글루타밀 트랜스펩티다제. 췌장 질환의 경우 - 췌장 아밀라아제, 리파아제;

전립선 질환의 경우 - 산성 포스파타제.

3. 효소를 의약품으로 사용다음과 같은 방향으로 활발히 발전하고 있습니다.

대체 요법 - 결핍시 효소 사용;

복합 요법의 요소 - 다른 요법과 함께 효소를 사용합니다.

효소 대체 요법은 소화액 분비 부족으로 인한 위장 질환에 효과적입니다. 예를 들어, 펩신은 분비 기능이 저하된 위염에 사용됩니다. 췌장 효소의 결핍은 또한 주요 췌장 효소를 함유한 경구 약물(페스탈, 엔지스탈, 메심포르테 등)을 복용함으로써 상당 부분 보상될 수 있습니다.

효소는 다양한 질병에 대한 추가적인 치료제로 사용됩니다. 단백질 분해 효소(트립신, 키모트립신)는 죽은 세포의 단백질을 분해하고 호흡기 염증성 질환에서 혈전이나 점성 분비물을 제거하기 위해 화농성 상처를 치료하기 위해 국소적으로 사용됩니다. 효소 제제인 리보뉴클레아제와 데옥시리보뉴클레아제는 아데노바이러스 결막염 및 헤르페스 각막염 치료에 항바이러스제로 사용됩니다.

효소 제제는 혈전증 및 혈전색전증에 널리 사용되어 혈전을 파괴합니다. 이를 위해 fibrinolysin, streptolyase, streptodecase 및 urokinase 제제가 사용됩니다.

히알루론산의 분해를 촉매하는 효소 히알루로니다제(리다제)는 화상 및 수술 후 유착과 흉터를 해결하기 위해 피하 및 근육 내로 사용됩니다.

아스파라기나아제 효소(혈액 내 아미노산 Asn을 파괴함)는 혈액암에 사용되어 아미노산 Asn이 종양 세포로 유입되는 것을 제한합니다. 백혈병 세포는 이 아미노산을 독립적으로 합성할 수 없으므로 혈액 내 함량이 감소하면 이들 세포의 성장이 손상됩니다.

주제 2.10. 효소병증

많은 질병의 기본은 세포 내 효소 기능의 붕괴입니다. 효소병증.일차성(유전성) 효소병과 이차성(후천성) 효소병증이 있습니다. 일반적으로 단백질병증과 마찬가지로 후천성 효소병증은 모든 질병에서 관찰되는 것으로 보입니다.

원발성 효소병증에서는 결함이 있는 효소가 주로 열성 상염색체 방식으로 유전됩니다. 이 경우 결함이 있는 효소를 포함하는 대사 경로가 중단됩니다(그림 2.35). 이 경우 질병의 발병은 "시나리오"중 하나에 따라 발생할 수 있습니다.

최종 제품의 형성이 중단되어 특정 물질이 부족합니다(예: 백색증의 경우 피부 세포에서 색소가 생성되지 않음).

전구체 기질이 축적되어 신체에 독성 영향을 미칩니다 (예를 들어 알캅톤뇨증의 경우 중간 대사 산물이 축적됩니다 - 관절에 침착되어 염증 과정을 일으키는 호모겐테스산).

쌀. 2.35. 효소 E3 효소병증을 이용한 대사 경로

과외 활동을 위한 과제

문제를 해결하다

1. 지방 조직 세포에서는 영양의 리듬에 따라 대사 과정이 동화작용에서 이화작용으로 전환됩니다. 인산화-탈인산화를 통해 주요 효소의 활성을 조절하는 호르몬은 이 스위치를 조절하는 데 중요한 역할을 합니다. 이 효소(TAG 리파제)가 인산화된 형태에서는 활성이고 탈인산화된 형태에서는 비활성인 것으로 알려진 경우 주요 지방 분해 효소(그림 2.36)의 활성을 조절하기 위한 계획을 완료하십시오. 질문에 답하려면:

a) 다이어그램을 노트북에 복사하고 단백질의 인산화 및 탈인산화를 유발하는 효소의 이름을 표시합니다(사각형에 이름을 적습니다).

b) 이들 효소의 종류를 말하십시오.

c) 이러한 반응에 관련된 추가 기질과 생성물을 적습니다(사각형 안에 이름을 적습니다).

d) 세포 대사 조절에서 호르몬의 역할에 대한 결론을 도출합니다.

쌀. 2.36. TAG 리파아제 활성 조절

2. 아스파라긴 이화작용의 반응을 촉매하는 아스파라기나제는 백혈병 치료에 적용되는 것으로 나타났습니다. 아스파라기나제의 항백혈병 효과를 위한 전제조건은 아스파라긴 합성에 결함이 있는 효소인 아스파라긴 합성효소가 백혈병 세포에서 확인되었다는 사실이었습니다. 아스파라기나제의 치료 효과를 정당화합니다. 대답하려면:

a) 아스파라긴 합성효소(7장)와 아스파라기나아제 효소에 의해 촉매되는 반응을 쓰십시오.

b) 이들 효소가 속하는 클래스를 나타냅니다.

c) 아스파라기나제를 사용할 때 종양 세포 내 Asn 농도에 대한 결론을 도출합니다.

d) 아스파라기나제의 사용이 종양 조직의 성장 속도를 감소시키는 이유를 설명하십시오.

3. 그것을 노트북으로 옮기고 표를 작성하십시오. 2.7 이 매뉴얼, 교과서의 자료를 사용하여 의학에서 효소의 사용에 관한 것입니다.

4. 그것을 노트북으로 옮기고 표를 작성하십시오. 2.8 약물 - 효소 억제제, 현재 섹션, 교과서, 추가 문헌을 사용합니다.

표 2.7. 의약품 - 효소 억제제

자기 통제 작업

1. 정답을 선택하세요.

경쟁적 억제제:

A. 효소의 활성 중심과 공유 결합을 형성합니다. B. 알로스테릭 중심과 상호작용합니다.

B. 효소의 활성 부위와 상호작용하여 약한 결합을 형성합니다.

D. K w 감소 D. V max 감소

2. 정답을 선택하세요. 비가역적 억제제:

A. 이들은 기질의 구조적 유사체이다. B. 이들은 효소와 공유결합을 형성한다.

B. 효소와 약한 결합을 형성합니다.

D. 규제 센터와 상호 작용

D. 기질 농도를 높이면 효과가 감소합니다.

3. 정답을 선택하세요. 알로스테릭 효소는 일반적으로 다음과 같습니다.

A. 3차 구조를 가진 단백질입니다.

B. 여러 프로토머로 구성됨 C. 비가역적으로 억제됨

D. 그들은 다른 프로토머에 위치한 활성 및 알로스테릭 센터를 가지고 있습니다.

D. 이 과정의 대사산물에 의해 조절됨

4. 정답을 선택하세요.

효소가 부분 단백질 분해에 의해 조절되면 다음이 발생합니다.

A. 단백질 펩타이드 사슬의 단축

B. 효소의 2차 및 3차 구조의 변화

B. 비가역적 활성화

D. 비가역적 억제

D. 활성 센터의 형성

5. 정답을 선택하세요.

단백질-단백질 상호작용을 통한 효소 활성 조절에는 다음이 동반됩니다.

A. 비가역적 억제

B. 조절 단백질 서브유닛의 부착 또는 분리

B. 알로스테릭 중심에 이펙터 분자의 부착 D. 효소의 인산화

D. 효소의 탈인산화

6. 정답을 선택하세요. 효소진단은 다음을 기반으로 합니다.

A. 조직 손상 시 혈액으로 효소 방출 B. 기관 특이성

B. 높은 효소 안정성

D. 다양한 조직에서 특정 동종효소의 우세 D. 혈액 내 진단적으로 중요한 효소의 활성이 낮거나 활성이 전혀 없는 것은 정상입니다.

7. 성냥.

질병을 진단하는 데 사용됩니다.

B. 전립선

B. 췌장 D. 신장

D. 하츠 효소:

1. 크레아틴 키나아제

2. 아밀라아제

3. 산성 포스파타제

8. "체인" 작업을 완료합니다.

a) 심근경색의 효소 진단 중에 결정된 효소 중 하나는 다음과 같습니다.

A. 산성 포스파타제 B. 젖산 탈수소효소

B. 아밀라아제

비) 이 효소는 효소 부류에 속합니다.

A. 가수분해효소 B. 리가아제

B. 산화환원효소

V) 이 효소 종류의 보조효소 중 하나는 다음과 같습니다.

A. 피리독살 인산염 B. 비오틴

G) 이 보조효소의 전구체인 비타민은 다음과 같습니다.

A. 니코틴산 B. 피리독신

9. "체인" 작업을 완료합니다.

ㅏ) 유기 플루오로인산염 중독 후 사람은 다음을 경험합니다.

A. 동공 확장

B. 평활근의 수축 증가

B. 평활근의 이완

비) 이 효과의 이유는 다음과 같습니다.

A. Na+, E+-ATPase의 기능 장애 B. 아세틸콜린의 양 증가

B. 아세틸콜린의 양을 줄이는 것

V) 이는 플루오로인산염이 다음과 같은 사실 때문입니다.

A. 이는 아세틸콜린에스테라제(AChE)의 경쟁적 억제제입니다.

B. AChE와 공유결합 형성

B. 아세틸콜린 합성을 방해합니다.

G) 이 억제 방법을 다음과 같이 부릅니다.

A. 되돌릴 수 없음 B. 되돌릴 수 있음

나. 경쟁

디) 다음을 사용할 때 유사한 억제 방법이 관찰됩니다.

A. 트라실롤 B. 아스피린

B. 프로세리나

"자기 통제 작업"에 대한 답변 표준

3. 비,지,디

4. 가, 비, 씨, 디

6. 에이, 비, 디, 디

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

8. 가) 나, 나) 다, 다) 다, d) 가

9. a) 나, 나) 나, c) 나, d) 가, e) 나

기본 용어 및 개념

1. 대사 경로

2. 효소 억제

3. 효소 활성화

4. 가역적 억제

5. 비가역적 억제

6. 경쟁적 억제

7. 알로스테릭 조절

8. 알로스테릭 이펙터

9. 주요 효소

10. 인산화에 의한 조절 - 탈인산화

11. 단백질-단백질 상호작용에 의한 조절

12. 부분적인 단백질 분해

13. 동위효소

14. 효소병증

15. 효소진단

교실 활동을 위한 과제

문제를 해결하다

1. 인간 세포에서 핵산 합성에 필요한 퓨린 뉴클레오티드 합성을 위한 대사 경로는 리보스-5-인산 분자에서 시작됩니다. 합성 과정 중 특정 단계에서 이 과정은 두 개의 퓨린 뉴클레오티드(AMP와 GMP)의 형성으로 분기되고 끝납니다(그림 2.37). 세포에서 이러한 뉴클레오티드의 등몰 비율을 형성하기 위해 음성 피드백 메커니즘을 사용하여 여러 주요 효소에 대한 다단계 조절이 있습니다. 따라서 AMP가 과도하게 생성되면 아데닐로숙시네이트의 생성이 느려지고, GMP가 과도하게 생성되면 크산토신 모노포스페이트의 생성이 느려집니다. 동시에, 이들 뉴클레오티드가 모두 소비되지 않으면 포스포리보실 디포스페이트의 형성이 느려집니다. 퓨린 뉴클레오티드 합성을 위한 대사 경로의 어떤 효소가 조절되는지 추측해 보세요. 대답하려면:

a) "대사 경로" 및 "대사 경로의 주요 효소"에 대한 정의를 제공합니다.

b) 그림에 표시된 효소 중 어느 것을 추측해 보세요. 2.37은 규제적입니다.

c) 이러한 효소의 조절 메커니즘, 대사 경로에서의 위치 및 구조적 특징을 나타냅니다.

d) 어떤 화합물과 효소가 효과기인지 이름을 지정합니다.

e) "부정적 피드백 메커니즘에 의한" 규제 개념을 정당화합니다.

쌀. 2.37. 세포에서 퓨린 뉴클레오티드 형성 계획

2. 1935년 독일 의사 G. Domagk는 염료로 합성된 양성자(적색 연쇄상 구균)의 항균 효과를 발견했습니다. 레드 스트렙토사이드의 활성 성분은 대사 과정에서 형성된 설폰아미드(스트렙토사이드)라는 것이 곧 확립되었으며, 이는 대규모 설폰아미드 약물 그룹의 조상이었습니다(그림 2.38).

쌀. 2.38. 엽산의 구조와 설폰아미드의 일반식

설폰아미드의 정균 효과는 박테리아가 엽산을 합성하는 동안 핵산 형성에 필요한 효소 디하이드로프테오레이트 신타제의 활성 중심에서 파라-아미노벤조산(PABA)을 대체한다는 것입니다. 결과적으로 미생물의 성장과 발달이 중단됩니다. 엽산은 인체 내에서 합성되지 않지만 음식을 통해 비타민으로 공급됩니다.

설폰아미드의 항균 작용 메커니즘을 설명하고, 이를 위해 다음 질문에 답하십시오.

a) 이러한 유형의 억제를 무엇이라고 합니까(술폰아미드와 PABA의 구조 비교)? 그러한 억제제는 Kt 및 Vmax에 어떤 영향을 미칩니 까?

c) 일반적으로 치료 중에 설폰아미드의 부하 용량이 즉시 처방되는 이유는 무엇입니까?

d) 설폰아미드가 인간 세포의 핵산 형성에 영향을 미칩니까? 당신의 대답을 설명하십시오.

3. 우울증을 앓고 있는 환자 2명이 정신과 의사에게 상담을 받았습니다. 어떤 경우에는 인간의 우울증의 원인이 시냅스 틈에 신경 전달 물질이 부족하다는 것이 알려져 있습니다. 또한 뇌에는 시냅스 틈으로 방출된 신경 전달 물질을 파괴하는 모노아민 산화효소(MAO) 그룹의 효소가 있습니다. 첫 번째 환자는 중재자 세로토닌의 구조적 유사체인 피린돌을 처방받았습니다. 두 번째는 MAO의 활성 부위에 공유결합할 수 있는 나이알아미드입니다. 이러한 약물의 작용 메커니즘을 설명하고 어떤 환자가 약물에 더 빨리 반응할 가능성이 가장 높은지 나타냅니다. 대답하려면:

a) MAO에 대한 이들 약물의 효과를 특성화하고,

이 효소와의 상호작용 메커니즘;

b) 피린돌과 니알아미드에 의한 MAO 억제 계획을 제시하고;

c) 이들 약물의 억제 메커니즘을 기반으로 설명하십시오.

어느 것이 신체에 더 오래 지속되는 영향을 미칠 것이며 그 이유는 무엇입니까?

4. 최근에는 앞유리 세척제를 비롯한 차량 관리 제품에 사용되는 기술 유체 생산에 메탄올 사용이 증가하고 있습니다. 메틸 알코올 또는 메탄올의 주요 위험은 대용 알코올로 사용되어 사망에 이르게 한다는 것입니다. 따라서 Roszdrav의 과학 및 실제 독성학 센터에 따르면 메탄올에 중독된 환자의 비율은 전체 입원 환자의 0.1~0.5% 범위입니다. 메탄올 독성의 원인과 메탄올이 아세트알데히드의 축적을 유발하는 에탄올 이화작용에 관여하는 효소인 아세트알데히드 탈수소효소의 활성을 억제하는 것으로 알려진 경우 의학적 치료 방법을 설명하십시오. 질문에 답하려면:

a) 산화가 일어나는 것을 고려하여 에탄올의 산화 반응을 쓰십시오.

중간 화합물인 아세트알데히드의 형성과 함께 두 단계로 진행됩니다. 최종 생성물은 아세트산입니다. 두 반응의 보조효소는 NAD+입니다.

b) 메탄올의 구조식을 쓰고 효소 활성 억제 메커니즘을 나타냅니다.

c) 메탄올 중독의 경우 치료 방법을 제안합니다.

5. 옛날 이탈리아 여성들은 벨라도나 주스를 눈에 떨어뜨렸는데, 이로 인해 동공이 확장되고 눈이 특별한 빛을 발하게 되었습니다. Belladonna, henbane, datura와 같은 많은 식물에 포함된 알칼로이드 아트로핀이 유사한 효과를 유발하는 것으로 알려져 있습니다. 아트로핀의 작용기전을 설명하라. 이를 위해:

a) 아트로핀이 억제하는 수용체의 이름을 지정하고(모듈 1 참조) 아트로핀이 눈에 들어갈 때 수용체의 유형과 사건의 순서를 나타냅니다.

b) 아트로핀과 비슷한 효과를 가진 약물이 의학에서 사용되는 경우에 답하십시오.

c) 아트로핀을 과다복용한 경우 어떤 조치를 취할 수 있는지 나타냅니다. 아세틸콜린의 농도를 높이는 가능한 방법을 정당화하고 이 조치의 필요성을 설명하십시오.

6. 다량의 사용 카페인아드레날린의 효과와 유사한 증상을 사람들에게 유발합니다. 심박수 증가; 기관지 확장, 흥분, 에너지 운반체를 저장하는 조직의 신진 대사 변화. 카페인은 cAMP 분해를 담당하는 포스포디에스테라제(PDE) 효소의 경쟁적 억제제라는 점을 염두에 두고 카페인의 작용 메커니즘을 설명하십시오.

이 질문에 답하려면:

a) 카페인의 영향으로 세포 내 물질의 농도가 증가하는 대답;

b) 세포에서 cAMP의 조절 작용 메커니즘을 설명합니다. 세포 내 cAMP 농도의 증가로 인해 활성화되는 효소의 구조를 개략적으로 묘사합니다.

c) 카페인 사용의 결과로 세포의 어떤 과정이 활성화되는지 말해보세요. 이러한 반응의 다이어그램을 작성하십시오.

d) 혈액의 유변학적 특성을 개선하는 약물에서도 유사한 작용 메커니즘이 관찰된다는 점을 기억하십시오(예: 트렌탈),기관지를 이완하고 기관지경련을 완화하는 데 사용되는 약물(예: 테오필린).

7. L씨는 심근경색이 의심돼 병원에 입원했다. 환자에 따르면 의사 도착 5시간 전부터 호흡 곤란을 겪었다. 의사는 심근경색을 의심해 환자를 입원시켰다. 병원에서는 진단을 확인하기 위해 며칠에 걸쳐 생화학 혈액 검사를 실시했습니다. 분석 결과는 표에 나와 있습니다. 2.9. 얻은 데이터가 의사의 진단을 확증하는가? 대답하려면:

대사 경로의 조절에는 세 가지 유형의 메커니즘이 관여합니다. 상황의 변화에 ​​가장 빠르게 반응하는 첫 번째는 알로스테릭 효소의 작용과 관련이 있으며(그림 13-15), 촉매 활성은 자극 또는 자극을 갖는 특수 물질의 영향으로 변경될 수 있습니다. 억제 효과(이펙터 또는 조절자라고 함; 섹션 9.18).

일반적으로 알로스테릭 효소는 주어진 다중효소 서열의 시작 부분이나 시작 부분 근처에 위치하며 전체 과정의 속도를 제한하는 단계를 촉매합니다. 일반적으로 그러한 단계의 역할은 실질적으로 되돌릴 수 없는 반응에 의해 수행됩니다.

쌀. 13-15. 피드백 유형에 따른 이화 경로의 조절, 즉 이 과정의 최종 생성물에 의한 알로스테릭 효소의 억제로 인한 것입니다. 문자 J, K, L 등은 이 대사 경로의 중간 산물을 나타내고 문자 E1, E2, E3 등은 개별 단계를 촉매하는 효소를 나타냅니다. 첫 번째 단계는 이 반응 순서의 최종 생성물에 의해 억제되는 알로스테릭 효소(ED)에 의해 촉매됩니다. 알로스테릭 억제는 억제 대사산물을 알로스테릭 효소에 의해 촉매되는 반응에 연결하는 점선 빨간색 화살표로 표시됩니다. (EJ 효소에 의해 촉매되는 반응은 일반적으로 세포 조건에서 사실상 비가역적인 반응입니다.

ADP로부터 ATP가 합성되는 이화 과정에서 이 최종 산물인 ATP는 종종 이화 작용의 초기 단계 중 하나의 알로스테릭 억제제 역할을 합니다. 동화작용의 초기 단계 중 하나의 알로스테릭 억제제는 종종 생합성의 최종 산물(예: 일부 아미노산)입니다(섹션 9.18). 일부 알로스테릭 효소의 활성은 특정 양성 조절인자에 의해 자극됩니다. 이화 반응 순서 중 하나를 조절하는 알로스테릭 효소는 예를 들어 양성 조절제인 ADP 또는 AMP의 자극 영향과 음성 조절제인 ATP의 억제 효과를 받을 수 있습니다. 대사 경로의 알로스테릭 효소가 다른 대사 경로의 중간 생성물 또는 최종 생성물에 특정한 방식으로 반응하는 경우도 있습니다. 덕분에 다양한 효소 시스템의 작용 속도를 조율하는 것이 가능하다.

고등 유기체에서 신진대사를 조절하는 두 번째 유형의 메커니즘은 호르몬 조절입니다(그림 13-16). 호르몬은 다양한 내분비선에서 생성되어 혈액으로 직접 방출되는 특수 화학 물질(화학적 "전달물질")입니다. 그들은 혈액을 통해 다른 조직이나 기관으로 운반되며 여기서 특정 유형의 대사 활동을 자극하거나 억제합니다. 예를 들어, 에피네프린 호르몬은 부신 수질에서 분비되어 혈액을 통해 간으로 운반되어 글리코겐이 포도당으로 분해되는 것을 자극하여 혈당 수치를 증가시킵니다. 또한 아드레날린은 골격근의 글리코겐 분해를 자극합니다. 이 과정은 젖산염의 형성과 ATP 형태의 에너지 저장으로 이어집니다. 에피네프린은 근육 세포나 간 세포 표면의 특정 수용체 ​​부위에 부착하여 이러한 효과를 생성합니다.

아드레날린의 결합은 신호 역할을 합니다. 이 신호는 세포의 내부 부분으로 전달되어 여기에서 글리코겐 포스 포 릴라 제 (글리코겐을 포도당 및 기타 산물로 전환하는 것을 촉매하는 시스템의 첫 번째 효소, 섹션 9.22)의 영향을 받아 공유 결합 변형을 일으 킵니다. 덜 활동적인 형태를 보다 활동적인 형태로 변화시킵니다(그림 13-16).

신진대사를 조절하는 세 번째 유형의 메커니즘은 세포 내 이 효소의 농도 변화와 관련이 있습니다. 특정 순간의 모든 효소의 농도는 합성 속도와 분해 속도의 비율에 따라 결정됩니다. 일부 효소의 합성 속도는 특정 조건에서 급격히 증가합니다. 따라서 세포 내 이 효소의 농도가 증가합니다. 예를 들어, 동물이 탄수화물은 풍부하고 단백질은 부족한 식단을 섭취한다면 정상적인 조건에서 아미노산이 아세틸-CoA로 분해되는 것을 촉매하는 효소의 간에는 극히 낮은 수준의 효소가 포함되어 있습니다. 이러한 효소는 실제로 그러한 식단에 필요하지 않기 때문에 대량으로 생산되지 않습니다. 그러나 동물을 단백질이 풍부한 식단으로 전환하는 것은 가치가 있으며 하루 안에 간의 효소 함량이 눈에 띄게 증가하여 이제 소화 가능한 아미노산을 분해해야 합니다.

쌀. 13-16. 효소 반응의 호르몬 조절. 간 세포 표면에 위치한 특정 수용체에 호르몬 아드레날린이 부착 된 결과, 막 결합 효소 (아데 닐 레이트 시클 라제)의 참여로 고리 형 아데닐 레이트가 형성됩니다. 후자는 글리코겐 포스포릴라제가 비활성 형태에서 활성 형태로 전환되는 영향을 받아 간 글리코겐이 혈당으로 전환되는 속도를 가속화하는 알로스테릭 활성제 또는 세포내 중재자 역할을 합니다. 이 대사 경로는 Chapter. 25.

쌀. 13-17. 효소 유도. 기질 A의 높은 세포내 농도는 효소 E1, E2 및 E3의 생합성을 자극할 수 있습니다. 세포 내 이러한 효소의 함량이 증가하여 해당 반응을 가속화할 수 있는 기회가 생기고 그 결과 과도한 기질 A가 제거됩니다. 따라서 기질 A의 과잉은 세포핵에 대한 신호 역할을 하여 세포핵이 효소 E1, E2 및 E3의 형성을 조절하는 유전자를 "활성화"하도록 강제합니다. 유전자의 포함은 해당 메신저 RNA의 합성을 의미합니다. 그것은 리보솜에 들어가고 결과적으로 효소 E1, E2 및 E3의 합성이 일어납니다.

따라서 간세포는 들어가는 영양소의 특성에 따라 특정 효소의 생합성을 켜거나 끌 수 있는 능력을 가지고 있습니다. 이러한 현상을 효소유도라고 한다(그림 13-17).

1. 세포의 모든 화학 반응은 효소의 참여로 발생합니다. 따라서 대사 경로(한 물질이 다른 물질로 순차적으로 변환)의 속도에 영향을 미치려면 효소 분자의 수나 그 활성을 조절하는 것으로 충분합니다. 일반적으로 대사 경로에는 다음이 있습니다. 주요 효소이로 인해 전체 경로의 속도가 규제됩니다. 이러한 효소(대사 경로에 있는 하나 이상)를 효소라고 합니다. 조절 효소.효소 반응 속도의 조절은 세 가지 독립적인 수준에서 수행됩니다: 효소 분자 수, 기질 및 조효소 분자의 가용성 변경, 효소 분자의 촉매 활성 변경(표 2.6).

표 2.5. 효소 반응 속도를 조절하는 방법

효소 분자의 촉매 활성을 변화시켜 효소 반응 속도를 조절하는 방법을 고려해 봅시다.

2. 알로스테릭 조절. 알로스테릭 효소~라고 불리는 효소, 활성어느 조정될 수 있다사용하여 이펙터 물질.알로스테릭 조절에 관여하는 효과기는 종종 자신이 조절하는 바로 그 경로에 참여하는 세포 대사산물입니다.

유발하는 이펙터 감소 (억제)효소활성이라 한다 억제제.유발하는 이펙터 증가 (활성화)효소활성이라 한다 활성제.

알로스테릭 효소는 특정한 구조적 특징을 가지고 있습니다.

보통은 올리고머 단백질,여러 개의 프로토머로 구성됨;

가지다 알로스테릭 센터,촉매 활성 부위로부터 공간적으로 멀리 떨어져 있고;

효과기는 알로스테릭(조절) 센터에서 비공유적으로 효소에 부착됩니다.

촉매 센터와 마찬가지로 알로스테릭 센터는 리간드에 대해 서로 다른 특이성을 나타낼 수 있습니다. 절대 또는 그룹일 수 있습니다. 일부 효소에는 여러 개의 알로스테릭 센터가 있으며, 그 중 일부는 활성화제에 특이적이고 다른 일부는 억제제에 특이적입니다.

알로스테릭 센터가 위치한 프로토머를 프로토머라고 합니다. 규제 프로모터같지 않은 촉매 프로토머,화학 반응이 일어나는 활성 센터를 포함합니다.

알로스테릭 효소에는 다음과 같은 특성이 있습니다. 협력성:알로스테릭 효과기와 알로스테릭 중심의 상호작용은 모든 하위단위의 형태에 협동적인 변화를 일으키고, 이는 활성 중심의 형태의 변화와 기질에 대한 효소의 친화력의 변화를 가져오며, 이는 효소의 촉매 활성. 억제제가 알로스테릭 중심에 부착되면 협력적 형태 변화의 결과로 활성 중심의 형태 변화가 발생하여 기질에 대한 효소의 친화력이 감소하고 그에 따라 효소 반응 속도. 반대로 활성화제가 알로스테릭 중심에 부착되면 기질에 대한 효소의 친화력이 증가하여 반응 속도가 증가합니다. 알로스테릭 이펙터의 작용에 따른 일련의 사건이 그림 1에 나와 있습니다. 2.26.

알로스테릭 효소의 조절 거꾸로 할 수 있는:조절 서브유닛에서 이펙터가 분리되면 효소의 원래 촉매 활성이 복원됩니다.

알로스테릭 효소 핵심 반응을 촉매하다이 대사 경로의.

알로스테릭 효소는 세포 내부 구성의 사소한 변화에도 매우 빠르게 반응하므로 다양한 대사 경로에서 중요한 역할을 합니다. 대사 과정의 속도는 주어진 일련의 반응에서 사용되거나 형성되는 물질의 농도에 따라 달라집니다. 전구체는 대사 경로에서 알로스테릭 효소의 활성화제가 될 수 있습니다. 동시에 대사 경로의 최종 산물이 축적되면 효소의 알로스테릭 억제제로 작용할 수 있습니다. 이러한 조절 방법은 신체에서 흔히 발생하며 "부정적 피드백"이라고 합니다.

쌀. 2.26. 알로스테릭 효소의 구조와 기능에 대한 계획:

A - 부정적인 효과기(억제제)의 작용. 억제제(I)는 알로스테릭 중심에 부착되어 효소의 활성 중심을 포함하여 효소 분자의 협동적 구조 변화를 유발합니다. 기질에 대한 효소의 친화력이 감소하고 결과적으로 효소 반응 속도가 감소합니다. B - 긍정적인 효과기(활성제)의 작용. 활성제(A)는 알로스테릭 센터에 결합하여 협력적인 형태 변화를 일으킵니다. 기질에 대한 효소의 친화력이 증가하고 효소 반응 속도가 증가합니다. 효소 활성에 대한 억제제와 활성화제의 가역적 효과가 입증되었습니다.

ATP 분자의 형성으로 끝나는 포도당 이화 과정의 알로스테릭 조절을 고려해 봅시다(그림 2.27). 세포 내 ATP 분자가 소비되지 않는 경우 이는 이 대사 경로의 알로스테릭 효소인 포스포프럭토키나제 및 피루베이트 키나제의 억제제입니다. 동시에, 포도당 이화작용의 중간 대사산물인 과당-1,6-비스인산염은 피루베이트 키나제 효소의 알로스테릭 활성화제입니다. 대사 경로의 최종 산물에 의한 억제와 초기 대사산물에 의한 활성화는 다음을 가능하게 합니다.

쌀. 2.27. 포도당 이화작용 과정의 알로스테릭 조절.

ATP 분자는 대사 경로 효소(포스포프럭토키나제 및 피루베이트 키나제)의 알로스테릭 억제제입니다. 과당-1,6-이인산 분자는 피루브산 키나아제 효소의 알로스테릭 활성화제입니다.

대사 경로의 속도를 조절합니다. 알로스테릭 효소는 일반적으로 대사 경로의 초기 반응, 비가역적 반응, 속도 제한 반응(가장 느린) 또는 대사 경로의 분기점에서의 반응을 촉매합니다.

3. 단백질-단백질 상호작용에 의한 조절.일부 효소는 단백질-단백질 상호작용의 결과로 활성을 변화시킵니다. 이러한 방식으로 효소 활성을 변화시키는 적어도 두 가지 메커니즘이 구별될 수 있습니다: 활성화 단백질의 첨가로 인한 효소 활성화(G 단백질의 α-서브유닛에 의한 효소 아데닐레이트 시클라제의 활성화, 모듈 4 참조) 및 변화 프로토머의 결합과 해리의 결과로 촉매 활성이 나타납니다.

프로토머의 결합 또는 해리에 의한 효소의 촉매 활성 조절의 예로서, 우리는 효소 단백질 키나제 A의 조절을 고려할 수 있습니다.

단백질 키나아제 A(cAMP 의존성)은 두 가지 유형의 네 가지 하위 단위, 즉 2개의 조절(R)과 2개의 촉매(C)로 구성됩니다. 이 사량체에는 촉매 활성이 없습니다. 조절 하위 단위에는 순환 3",5"-AMP(cAMP)에 대한 결합 부위가 있습니다(각 하위 단위당 2개). 4개의 cAMP 분자가 2개의 조절 서브유닛에 부착되면 조절 프로토머의 형태가 바뀌고 4합체 복합체가 해리됩니다. 이는 두 개의 활성 촉매 하위 단위를 방출합니다(그림 2.28). 활성 단백질 키나아제 A는 인산 잔기가 ATP에서 단백질 아미노산 잔기의 특정 OH 그룹으로 전달되는 것을 촉매합니다(즉, 단백질의 인산화를 유발합니다).

쌀. 2.28. 단백질-단백질 상호작용에 의한 단백질 키나제 A(PKA) 활성의 조절.

PKA는 2개의 조절 서브유닛에 결합하는 4개의 cAMP 분자에 의해 활성화되며, 이는 조절 프로토머의 형태 변화와 4량체 복합체의 해리를 초래합니다. 이는 단백질 인산화를 일으킬 수 있는 두 개의 활성 촉매 하위 단위를 방출합니다.

조절 서브유닛으로부터 cAMP 분자의 절단은 프로텐 키나제 A의 조절 및 촉매 서브유닛과 비활성 복합체의 형성을 유도합니다.

4. 인산화-탈인산화에 의한 효소의 촉매 활성 조절.생물학적 시스템에서는 공유 결합 변형을 사용하여 효소의 활성을 조절하는 메커니즘이 종종 발견됩니다. 효소의 화학적 변형을 위한 빠르고 광범위한 방법은 인산화-탈인산화입니다.

효소의 OH 그룹은 효소에 의해 수행되는 인산화를 겪습니다. 단백질 키나제(인산화) 및 인단백질 포스파타제(탈인산화). 인산 잔기를 추가하면 활성 센터의 형태와 촉매 활성이 변경됩니다. 이 경우 결과는 두 가지가 될 수 있습니다. 일부 효소는 인산화 중에 활성화되는 반면 다른 효소는 덜 활성화됩니다 (그림 2.29). 단백질 키나제와 인산단백질 포스파타제의 활성은 호르몬에 의해 조절되며, 이로 인해 대사 경로의 주요 효소 활성이 환경 조건에 따라 빠르게 달라질 수 있습니다.

쌀. 2.29. 인산화-탈인산화에 의한 효소 활성 조절 계획.

효소의 인산화는 단백질 키나제 효소의 도움으로 발생합니다. 인산 잔기의 공여체는 ATP 분자입니다. 효소의 인산화는 효소의 형태와 활성 부위의 형태를 변화시키며, 이는 기질에 대한 효소의 친화력을 변화시킵니다. 이 경우 인산화 중에 일부 효소가 활성화되고 다른 효소는 억제됩니다. 역과정인 탈인산화는 효소에서 인산 잔기를 떼어내고 효소를 원래 상태로 되돌리는 인단백질 포스파타제 효소에 의해 발생합니다.

5. 부분(제한된) 단백질 분해에 의한 효소의 촉매 활성 조절.세포 외부(위장관 또는 혈장)에서 기능하는 일부 효소는 비활성 전구체로 합성되고 하나 이상의 특정 펩타이드 결합의 가수분해 결과로만 활성화되어 분자의 일부가 제거됩니다. 단백질 분자의 나머지 부분에서는 구조적 재배열이 일어나고 효소의 활성 중심이 형성됩니다(그림 2.30). 부분적인 단백질 분해는 효소의 활성이 변할 때 조절되는 예입니다.

쌀. 2.30. 부분적인 단백질 분해에 의한 펩신의 활성화.

펩시노겐(비활성 분자)의 하나 이상의 펩타이드 결합이 가수분해된 결과, 분자의 일부가 분리되고 펩신 효소의 활성 중심이 형성됩니다.

뒤집을 수 없는. 이러한 효소는 일반적으로 단백질 분자의 수명에 따라 결정되는 짧은 시간 동안 기능합니다. 부분적인 단백질 분해는 소화 단백질 분해 효소(펩신, 트립신, 키모트립신, 엘라스타제), 펩타이드 호르몬(인슐린), 혈액 응고 시스템의 단백질 및 기타 여러 단백질의 활성화의 기초가 됩니다.