Реферат: Ингибирование ферментативной активности
3) Увеличение концентрации субстрата может повысить ионную силу реакционной среды и, как следствие, затормозить скорость ферментативной реакции.
Торможение продуктами реакции связано с тем, что они могут связываться с ферментом или с каким-либо другим компонентом системы таким образом, что скорость прямой реакции снижается.
1.2 Необратимое ингибирование
Необратимые ингибиторы связывают или разрушают функциональную группу молекулы фермента, необходимую для проявления его каталитической активности. Происходит формирование стабильного комплекса ингибитора с ферментом, ведущее к его необратимой инактивации. Случай необратимого ингибирования можно обнаружить по тому признаку, что при разбавлении раствора не происходит повышения удельной активности фермента, как в случае обратимого ингибирования.
Примером необратимого ингибитора может служить соединение диизопропилфторфосфат (ДФФ), которое ингибирует фермент ацетилхолинэстеразу, играющий важную роль в передаче нервных импульсов. Ацетилхолинэстераза катализирует гидролиз ацетилхолина, функционирующего в качестве нейромедиатора в определенных отделах нервной системы. Ацетилхолин выделяется стимулированной нервной клеткой в синапс, т.е. место соединения одного нейрона с другим. В синапсе ацетилхолин связывается с рецепторами следующего нейрона, вынуждая его проводить нервный импульс. Однако прежде чем второй импульс будет передан через синапс следующему нейрону, ацетилхолин, выделившийся после первого импульса, должен быть гидролизован ацетилхолинэстеразой в месте соединения нервных клеток. Продукты его распада - ацетат и холин - не способны действовать как нейромедиаторы. Необратимый ингибитор ДФФ, обладающий высокой реакционной способностью, присоединяется к гидроксильной группе остатка серина в активном центре ацетилхолинэстеразы, что приводит к образованию каталитически неактивного производного. В результате фермент перестает функционировать. ДФФ, одно из первых отравляющих веществ нервнопаралитического действия, в опытах на животных вызывает нарушение некоторых функций вследствие того, что пораженные нейроны утрачивают способность проводить нервные импульсы. Однако ДФФ обладает и полезными свойствами. На его основе был создан ряд относительно нетоксичных для людей и животных инсектицидов, например малатион. Сам по себе малатион неактивен и в организме высших животных разлагается на продукты, которые считаются безвредными. В организме же насекомых малатион превращается под действием ферментов в активный ингибитор их собственной ацетилхолинэстеразы.
Выяснилось, что ДФФ ингибирует целый класс ферментов, многие из которых способны катализировать гидролиз пептидов или эфирных связей. К этим ферментам относится не только ацетилхолинэстераза, но и трипсин, химотрипсин, эластаза, фосфоглюкомутаза и коконаза (фермент, выделяемый личинкой тутового шелкопряда и используемый ею для гидролиза шелковых нитей и освобождения из кокона). Характерная особенность всех ферментов, ингибируемых ДФФ, состоит в том, что они содержат в активном центре остаток серина, принимающий участие в каталитическом акте
Другой необратимый ингибитор некоторых ферментов, иодацетамид может взаимодействовать с сульфгидрильными (—SH) группами остатков цистеина или с имидазольными группами остатков гистидина, содержащихся в активных центрах этих ферментов. С помощью таких ингибиторов было установлено, что гидроксильная группа серина, тиоловая группа цистеина и имидазольная группа гистидина участвуют в каталитической активности ферментов, принадлежащих к разным классам.
1.3 Аллостерическое ингибирование
Аллостерические ингибиторы связываются с отдельными участками фермента вне активного центра. Такое связывание влечет за собой конформационные изменения в молекуле фермента, которые приводят к уменьшению его активности. Аллостерические эффекты встречаются практически только в случае олигомерных ферментов. Кинетику таких систем нельзя описать с помощью простой модели Михаэлиса-Ментен.
Так, йодацетат IСН2 —СООН, его амид и этиловый эфир, пара-хлормеркурибензоат ClHg—С6 Н4 —СООН и другие реагенты сравнительно легко вступают в химическую связь с некоторыми SH-группами ферментов. Если такие группы имеют существенное значение для акта катализа, то добавление подобных ингибиторов приводит к полной потере активности фермента:
R-SH + IСН2 —СООН —> НI + R—S—CH2 —COOH
Действие ряда других ферментов (холинэстераза, трипсин и химотрипсин) сильно тормозится некоторыми фосфорорганическими соединениями, например ДФФ, вследствие блокирования ключевой гидроксильной группы серина в активном центре (Северин Е.С., 2004).
2. Новый вид ингибирования ферментативной активности
В новом исследовании на примере селективного ингибирования образования β-амилоидного белка открыт новый, ранее не встречавшийся тип ингибирования. Принципиально новый тип ингибирования ферментативных реакций открывает новые возможности по созданию лекарств. Каждое лекарственное средство имеет свои мишени внутри организма. Чаще всего таких мишеней несколько, а точнее — много прямых и намного больше — непрямых. Это часто не позволяет спрогнозировать побочные эффекты новых лекарственных препаратов. Однако часто неизвестны и прямые мишени, на которые действует то или иное лекарство,— несмотря на то, что применение медикамента на уровне организма устраняет болезнь. Просто известно, что препарат Х снимает определенные симптомы заболевания, а каким образом — остаётся загадкой. Разгадывание подобного ребуса и привело к открытию нового типа действия медикаментов. "Обычные" ингибиторы связываются с ферментом — его активным центром в случае конкурентных ингибиторов или с любой другой его областью в случае аллостерических ингибиторов. В результате такого связывания фермент — навсегда или временно — теряет свою активность и не может катализировать уже никакие реакции, если, например, он специфичен более чем к одному субстрату. Ингибиторы же нового типа связываются уже не с ферментом, а с субстратом. В результате такого "маскирования" ингибируется лишь одна реакция, другие же метаболические пути, за которые отвечает данный фермент, остаются незатронутыми.
При изучении ингибиторов одной из протеаз — класса ферментов, обеспечивающего расщепление белков в клетке, — был обнаружен новый вид ингибирования каталитической активности. Как описывалось выше, существует два типа ингибиторов:
1)ингибиторы I типа специфично связываются с активными центрами ферментов и блокируют их дальнейшую работу.
2)ингибиторы II типа - вещества, которые специфически связываются с любой другой частью фермента и меняют его конформацию на неактивную.
В статье Т. Кукара (Kukar) и соавторов описан третий, абсолютно неожиданный тип ингибирования. Обычно, в большинстве случаев, каждый фермент реагирует со строго специфической областью субстрата. В их случае было обнаружено, что молекула ингибитора связывалась именно с такой областью на субстрате, не давая ферменту произвести гидролиз белка. Т.е. ингибитор действовал не на фермент — последний оставался активным, — а маскировал от него сам субстрат. Важность данной работы можно объяснить двумя обстоятельствами. Первое — в исследовании в качестве фермента выступала γ-секретаза, а субстрата — предшественник амилоидного белка APP (amyloid precursor protein). Именно сбои этой системы приводят к одной из самых печально известных болезней нашего времени — болезни Альцгеймера. И возможность предотвратить сбои путём ингибирования расщепления амилоидного белка является одним из перспективных и реальных путей лечения и получения нового поколения лекарственных препаратов. Действительно, все существующие на сегодня медикаменты на основе ингибиторов направлены на "выключение" ферментов.
Однако ферменты, как правило, катализируют превращения многих субстратов на разных уровнях. Ингибирование ферментов блокирует не только нежелательные процессы, но и целый ряд других, некоторые из которых могут быть жизненно важными. В результате такого лечения часто развиваются нежелательные побочные эффекты, которые необходимо дополнительно корректировать. Новый способ уникален тем, что он позволит отключать не сам фермент, а выводить из метаболизма только один из его субстратов. Это дает в руки исследователей и медиков поистине ювелирный инструмент, точность которого ещё будет оценена по достоинству (Томас Л. Кукар, Томас Б. Лэдд, Альфред Т. Велзел и др., 2008).
Применение ингибиторов ферментов
Изучение ингибиторов ферментов – это важная отрасль знания, имеющая фундаментальное значение для фармакологии и токсикологии.
В медицинской практике при лечении многих заболеваний, связанных с нарушениями работы различных ферментов, широко применяются лекарственные препараты, содержащие очень малые дозы ингибиторов соответствующих ферментов. Также широко используются при лечении инфекционных заболеваний сульфаниламидные препараты, обладающие антимикробным действием. Ингибиторы ангиотензинпревращающего фермента широко вошли в клиническую практику с середины 80-х годов, в первую очередь, как препараты с выраженным антигипертензивным действием, применяемые в лечении сердечно-сосудистых заболеваний (Бочков В.Н., А.Б. Добровольский, 2005).
Оно находит непосредственное практическое применение, в том числе в военном деле: "нервные газы" (например зоман, зарин и др.), представляют собой по существу специфические ингибиторы ферментов.
Использование некоторых ингибиторов ферментов в качестве инсектицидов послужило основой для создания крупной развивающейся отрасли промышленности, и широко применяются в различных областях сельского хозяйства, а также в бытовых условиях.
Ингибиторы нашли широкое применение в энзимологии при исследовании природы множественных форм ферментов и изоферментов.
Изучение действия токсических веществ invitro, представленных ингибиторами ферментов, оказывается полезным при разработке противоядий (антидотов) к этим ядовитым веществам (Диксон М., Уэбб Э., 1982).
Список использованной литературы
1. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека: в 2-х томах, т.1., пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – 384 с., ил.
2. Кучеренко Н.Е., и др. Биохимия. – Киев: Высшая школа, 1988
3. Диксон М., Уэбб Э. Ферменты: Пер. с англ. – М.: Мир, 1982.-515 с.
4. Уэбб Л. Ингибиторы ферментов и метаболизма. Общие принципы торможения. Пер. с англ.- М.: Мир, 1966
5. Северин Е.С. Биохимия, 2-е изд., испр.- М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004. – 784с
6. Бочков В.Н., А.Б. Добровольский и др., Клиническая биохимия – 2-е изд., испр. и доп. - М.:ГЭОТАР-МЕД, 2005 – 512 с.