Лекция: Аллостерическая регуляция
Аллостерическими ферментами называют ферменты, активность которых регулируется не только количеством молекул субстрата, но и другими веществами, называемыми эффекторами. Участвующие в аллостерической регуляции эффекторы — клеточные метаболиты часто именно того пути, регуляцию которого они осуществляют.
· Роль аллостерических ферментов в метаболизме клетки.Аллостерические ферменты играют важную роль в метаболизме, так как они чрезвычайно быстро реагируют на малейшие изменения внутреннего состояния клетки.
· Аллостерические эффекторы.Эффектор, вызывающий снижение (ингибирование) активности фермента, называют отрицательным эффектором, или ингибитором.
· Локализация аллостерических ферментов в метаболическом пути.Скорость метаболических процессов зависит от концентрации веществ, использующихся и образующихся в данной цепи реакций. Такая регуляция представляется логичной, так как при накоплении конечного продукта он (конечный продукт) может действовать как аллостерический ингибитор фермента, катализирующего чаще всего начальный этап данного метаболического пути:
· Регуляция каталитической активности ферментов белок-белковыми взаимодействиями.Некоторые ферменты изменяют свою каталитическую активность в результате белок-белковых взаимодействий. Рассмотрим 2 механизма активации ферментов с помощью белок-белковых взаимодействий:
· активация ферментов в результате присоединения регуляторных белков;
· изменение каталитической активности ферментов вследствие ассоциации или диссоциации протомеров фермента.
· Активация ферментов в результате присоединения регуляторных белков.Этот тип регуляции можно рассмотреть на примере активации фермента аденилатциклазы, локализованной в плазматической мембране клетки.
· Регуляция каталитической активности ферментов ассоциацией/диссоциацией протомеровПротеинкиназы — группа ферментов, катализирующих перенос остатка фосфорной кислоты с АТФ на специфические ОН-группы аминокислотных остатков белков (вызывают фосфорилирование белковРегуляция каталитической активности ферментов путём фосфорилирования/дефосфорилирования
· В биологических системах часто встречается механизм регуляции активности ферментов с помощью ковалентной модификации аминокислотных остатков. Быстрый и широко распространённый способ химической модификации ферментов -фосфорилирование/дефосфорилирование. Модификации подвергаются ОН-группы фермента. Фос-форилирование осуществляется ферментами протеинкиназами, а дефосфорилирование
— фосфопротеинфосфатазами. Присоединение остатка фосфорной кислоты приводит к изменению конформации активного центра и его каталитической активности. При этом результат может быть двояким: одни ферменты при фосфорилировании активируются, другие, напротив, становятся менее активными
· Изменение активности фермента, вызванное фосфорилированием, обратимо. Отщепление остатка фосфорной кислоты осуществляется ферментами фосфопротеинфосфатазами. Активность протеинкиназ и фосфопротеинфосфатаз регулируется гормонами, что позволяет быстро изменять активность ключевых ферментов метаболических путей в зависимости от условий внешней среды.
· Например, под действием глюкагона (в период между приёмами пищи) в клетках происходит уменьшение синтеза энергетического материала — жира, гликогена и усиление его распада (мобилизация), вызванного фосфо-рилированием ключевых ферментов этих процессов. А под действием инсулина (во время пищеварения), наоборот, активируется синтез гликогена и ингибируется его распад, так как взаимодействие инсулина с рецептором активирует сигнальный путь, приводящий к дефосфорилированию тех же ключевых ферментов.
· Регуляция каталитической активности ферментов частичным (ограниченным) протеолизом
· Некоторые ферменты, функционирующие вне клеток (в ЖКТ или в плазме крови), синтезируются в виде неактивных предшественников и активируются только в результате гидролиза одной или нескольких определённых пептидных связей, что приводит к отщеплению части белковой молекулы предшественника. В результате в оставшейся части белковой молекулы происходит конформационная перестройка и формируется активный центр фермента.
Частичный протеолиз — пример регуляции, когда активность фермента изменяется необратимо. Такие ферменты функционируют, как правило, в течение короткого времени, определяемого временем жизни белковой молекулы. Частичный протеолиз лежит в основе активации протеолитических ферментов, белков свёртывающей системы крови и фибринолиза, белков системы комплемента, а также пептидных гормонов.
23.Классификация ферментов и их шифр
В настоящее время известно более 4000 ферментов. Их разделяют на шесть классов в зависимости от типа катализируемой реакции. Классы разделяются на подклассы, на под-подклассы и, наконец, на отдельные ферменты. Каждый фермент имеет шифр, состоящий из четырех чисел.
Первый класс ферментов называется оксидоредуктазы. К нему относятся ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. Окислительно-восстановительные процессы в клетке могут осуществляться тремя путями: переносом иона водорода, присоединением кислорода и переносом электронов.
Дегидрогеназы играют важную роль в таких процессах, как фотосинтез, брожение и дыхание. Алкогольдегидрогеназа и лактатдегидрогеназа участвуют, соответственно, в спиртовом и молочнокислом брожении. Биологическое окисление, связанное с переносом водорода и осуществляемое при участии дегидрогеназ, сопровождается высвобождением энергии, которая запасается в клетках в виде АТФ. Оксидоредуктазы, для которых акцептором водорода служит только кислород воздуха, называют оксидазами.
Среди оксидоредуктаз важное значение имеют еще два фер-мента — каталаза и пероксидаза. Оба эти фермента разрушают ядовитую для живой клетки перекись водорода.
Оксидоредуктазы, катализирующие реакции присоединения к окисляемому субстрату кислорода воздуха, называются оксигеназами. К ним относится, например, фермент липоксигеназа, который катализирует окисление кислородом воздуха ненасыщенных высокомолекулярных жирных кислот.
Второй класс ферментов называется трансферазы. Это ферменты, которые катализируют реакции переноса каких-либо химических групп с одного вещества на другое. Существует несколько подклассов трансфераз, например:
1) гликозилтрансферазы — ферменты, которые переносят остатки моносахаридов, например, глюкозы, с одного вещества на другое;
2) аминотрансферазы — ферменты, катализирующие реакции переноса аминогрупп, например, в реакциях переаминирования между аминокислотами и кетокислотами.
Третий класс ферментов называется гидролазы. Сюда относят ферменты, катализирующие реакции гидролиза сложных органических веществ. При гидролизе вода присоединяется по месту разрыва химической связи. Наиболее важные подклассы гидролаз — это эстеразы, гликозидазы и пептидгидролазы.
Эстеразы — это ферменты, осуществляющие гидролиз по сложноэфирной связи; в результате образуются спирт и органическая кислота. Среди эстераз наибольшее значение имеет фермент липаза, которая катализирует гидролиз жиров.
Гликозидазы — это ферменты, гидролизующие ди-, три — и полисахариды по гликозидным связям. К наиболее значимым гликозидазам можно отнести: р-фруктофуранозидазу, которая осуществляет гидролиз сахарозы; а-глюкозидазу, которая гидролизует мальтозу; а-амилазу и р-амилазу, гидролизующие крахмал.
Пептидгидролазы (протеазы) — это ферменты, которые гидролизуют пептиды и белки, расщепляя в них пептидные связи. Они разделяются на две группы: пептидазы и протеиназы. Пептидазы осуществляют гидролиз концевых пептидных связей в белках и пептидах. Протеиназы гидролизуют полипептиды, расщепляя в них глубинные пептидные связи.
Таким образом, гидролиз белка осуществляется при совместном действии протеиназ и пептидаз. Промежуточными продуктами гидролиза являются различные пептиды, а конечными — свободные аминокислоты.
Среди протеиназ важное место занимают трипсин, пепсин и папаин.
Трипсин вырабатывается поджелудочной железой. Оптимум активности фермента находится в щелочной среде (рН 8-9). Трипсин осуществляет гидролиз, в основном, тех пептидных связей в молекулах белка, которые образованы за счет карбоксильных групп аминокислот лизина или аргинина.
Пепсин вырабатывается стенками желудка. Оптимум его активности лежит в сильнокислой среде (рН 1,2-1,5). Пепсин может гидролизовать в белках пептидные связи, образованные аминными группами аминокислот тирозина и фенилаланина.
Папаин — фермент растительного происхождения, он не обладает высокой специфичностью действия. Особенностью папаина является то, что он активируется соединениями, содержащими сульфгидрильную группу, например, цистеином или восстановленной формой глутатиона. Отличительной чертой папаина является способность сохранять свою
Ферментативную активность в широком интервале температур и рН среды.
Пептидазы подразделяются на три подподкласса: аминопептидазы, карбоксипептидазы и дипептидазы.
Аминопептидазы гидролизуют пептидную связь, расположенную рядом с а-аминогруппой.
Карбоксипептидазы гидролизуют ту пептидную связь, которая находится рядом с а-карбоксильной группой.
Дипептидазы осуществляют гидролиз дипептидов; при этом образуются свободные аминокислоты.
Четвертый класс ферментов называется лиазы. Это ферменты, катализирующие реакции негидролитического расщепления. В результате их действия образуются двойные связи. Лиазы катализируют также присоединение химических групп к двойным связям. Примером фермента класса лиаз может служить пируватдекарбоксилаза, которая катализирует реакцию отщепления С02 от пировиноградной кислоты.
Пятый класс ферментов — изомеразы. Это ферменты, которые катализируют изомеризацию различных органических соединений. Например, фермент глюкозофосфатизомераза катализирует взаимное превращение глюкозо — 6-фосфата и фруктозо-6-фосфата:
Глюкозо-6-фосфат ч фруктозо-6-фосфат.
Шестой класс ферментов — лигазы (сннтетазы). Это ферменты, катализирующие соединение друг с другом двух молекул, сопряженное с гидролизом высокоэнергетической связи в молекуле АТФ. К шестому классу ферментов относится глутаминсинтетаза, которая катализирует следующую реакцию.
24.Ферменты 1 класса: тирозиназа, аскорбатоксадаза, пероксидаза
1. Оксидоридуктазы. Это ферменты которые католизируют реакции окисления и восстановления. В свою очередь подразделяются на 17 подклассов. Субстраты аксидоридуктаз являются донарами атомов водорода и электронов поэтому ферменты этого класса называют дигидрогиназами или редуктазами. К ласу аксидоридуктаз так же принадлежат аксидазы. В их реакциях учавствует кислород. К этому классу относится кирозиназа. Фермент представляет собой медь содержащий протеин, удаление меди инактивирует фермент; при рН ниже 3 инактивация необратима. Содержится террозназа в грибах, банан, картофель.
Аскорбатаксидаза(аксидаза аскорбиновой кислоты), медь содержащий протин, действует на дифинолы и аскорбиновую кислоту. Присутствует только в высших растениях, в живых тканях не обнаружен. При техналогической обработке положительное влияние оказывает на окраску и аромат растительных продуктов. Ответственен за разрушение витамина С. Нежелательное его влияние можно предовратить подвергнув сырьё кратковременному бланшерованию. Пераксидазаприсутствует в растительных и животных тканях, относится к группе двухкомпонентных ферментов – железо-глико протеин. Католизирует окисления органических соединений с участием пераксида водорода. Перексидаза играет важную роль в дыхании растений, на ряду с теразиназой способствует образованию окрашенных и араматизированных компанентов при ферментации чая и табака. Католаза, является гемсодержащим ферментом, состоит из 4 суб единиц в каждой из которых присутствует один атом железа. Фермент католизирует реакции разложения перекиси водорода на воду и кислород. Совместно с пераксидазой калотодаза входит в состав антиаксидантной системы животных. Липоксигиназа, широко распостраненна в растениях (пшеница, масличные культуры, бобовые, овёс). Фермент католизирует процесс окисления кислородом воздуха, некоторых ненасыщенных высокомолекулярных жирных кислот с образование сложных эфиров. Гипоксигиназа играет важную роль в прогоркании жиров и жиросодержащих продуктов. Продук приобретает неустранимый горький вкус и неприятный запах. Положительное влияние отмечено в хлебопечении, она отбеливает мякишь хлеба, ускоряет процесс созревания пшеничной муки. Температура иновактивации фермента 40-45 градусов, рН меньше шести и больше 7.
25. ферменты 1 класса: каталаза, липоксигеназа, дегидрогегазы.
Классы ферментов:
1 класс – оксидоредуктазы – ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции (присоединение О2, отнятие и перенос Н2, перенос электролитов);
1.. В свою очередь подразделяются на 17 подклассов. Субстраты оксидоридуктаз являются донорами атомов водорода и электронов поэтому ферменты этого класса называют дегидрогеназами или редуктазами. К классу оксидоридуктаз так же принадлежат аксидазы. В их реакциях учасвствует кислород. К этому классу относится кирозиназа. Фермент представляет собой медь содержащий протеин, удаление меди инактивирует фермент; при рН ниже 3 инактивация необратима. Содержится террозназа в грибах, банан, картофель. Аскорбатаксидаза(аксидаза аскорбиновой кислоты), медь содержащий протин, действует на дифинолы и аскорбиновую кислоту. Присутствует только в высших растениях, в живых тканях не обнаружен. При технологической обработке положительное влияние оказывает на окраску и аромат растительных продуктов. Ответственен за разрушение витамина С. Нежелательное его влияние можно предотвратить подвергнув сырьё кратковременному бланшерованию. Пераксидаза присутствует в растительных и животных тканях, относится к группе двухкомпонентных ферментов – железо-глико протеин. Католизирует окисления органических соединений с участием пераксида водорода. Периксидаза играет важную роль в дыхании растений, на ряду с теразиназой способствует образованию окрашенных и араматизированных компанентов при ферментации чая и табака. Католаза, является генсодержащим ферментом, состоит из 4 суб единиц в каждой из которых присутствует один атом железа. Фермент катализирует реакции разложения перекиси водорода на воду и кислород. Совместно с пераксидазой калотодаза входит в состав антиаксидантной системы животных. Липоксигиназа, широко распространена в растениях (пшеница, масличные культуры, бобовые, овёс). Фермент катализирует процесс окисления кислородом воздуха, некоторых ненасыщенных высокомолекулярных жирных кислот с образование сложных эфиров. Гипоксигиназа играет важную роль в прогоркании жиров и жиросодержащих продуктов. Продукт приобретает неустранимый горький вкус и неприятный запах. Положительное влияние отмечено в хлебопечении, она отбеливает мякишь хлеба, ускоряет процесс созревания пшеничной муки. Температура инактивации фермента 40-45 градусов, рН меньше шести и больше 7.