Ингибиторы ферментов примеры

ИНГИБИТОРЫ  ФЕРМЕНТОВ

Действие ферментов можно полностью или частично подавить (ингибировать) определенными химическими веществами — ингибиторами (рис. 8).

По характеру своего действия ингибиторы подразделяются на обратимые и необратимые. В основе такого деления лежит прочность соединения ингибитора с ферментом.

Рис. 8

Обратимые ингибиторы — это соединения, которые нековалентно взаимодействуют с ферментом и могут диссоциировать от фермента.

Обратимое ингибирование может быть конкурентным. Конкурентный ингибитор конкурирует с субстратом за связывание в субстратсвязывающем участке активного центра и связывается с ферментом похожим способом, как и субстрат. Но конкурентный ингибитор, связанный с ферментом, не подвергается ферментативному превращению. Отличительная особенность конкурентного ингибирования состоит в том, что его можно ослабить или полностью устранить, повысив концентрацию субстрата. Многие лекарства являются конкурентными ингибиторами ферментов.

Пример. Сульфамидные препараты, используемые для лечения инфекционных болезней. Сульфаниламиды – это структурные аналоги парааминобензойной кислоты, из которой в клетке микроорганизма синтезируется кофермент (Н4 — фолат), участвующий в биосинтезе нуклеиновых оснований. Нарушение синтеза нуклеиновых кислот приводит к гибели микроорганизмов.

Обратимое ингибирование может быть неконкурентным в отношении субстрата; в этом случае ингибитор не конкурирует с субстратом за одно и то же место в ферменте.

Неконкурентный ингибитор может связаться с ферментом и в присутствии, и в отсутствие субстрата, увеличение концентрации субстрата не препятствует связыванию ингибитора (рис.9). Неконкурентный ингибитор в действительности уменьшает количество активного фермента.

Связывание приводит к изменению конформации фермента и нарушению комплементарности к субстрату. Неконкурентные ингибиторы могут обратимо связываться как со свободным ферментом, так и с комплексом ES. Наиболее важными неконкурентными ингибиторами являются образующиеся в живой клетке промежуточные продукты метаболизма, способные обратимо связываться с определенными участками ферментов (аллостерические центры) и изменять их активность, что является одним из способов регуляции метаболизма.

Необратимые ингибиторы — это соединения, которые могут специфически связывать определенные функционально важные группы активного центра, образуя ковалентные, прочные связи с ферментом. При этом они необратимо, часто ковалентно, связываются с ферментом или фермент — субстратным комплексом и необратимо изменяют нативную конформацию. В основе действия некоторых токсичных веществ лежит ингибирование активности ферментов, например, соединений мышьяка, Hg2+, Pb2+

Пример Диизопропилфторфосфат ингибирует ферменты, имеющие серин в активном центре. Таким ферментом является ацетилхолинэстераза, катализирующая следующую реакцию:

Реакция происходит каждый раз после проведения нервного импульса, прежде чем второй импульс будет передан через синапс. Диизопропилфторфосфат — одно из отравляющих веществ нервно-паралитического действия, так как приводит к утрате способности нейронов проводить нервные импульсы.

Пример. Терапевтическое действие аспирина как жаропонижающего и противовоспалительного средства объясняется тем, что аспирин ингибирует один из ферментов, катализирующий синтез простагландинов (ПГ). Простагландины — вещества, участвующие в развитии воспаления. Ингибирование обусловлено ковалентной модификацией одной из аминогрупп фермента — простагландинсинтетазы.

Лекарства обычно ингибируют ферменты

В медицине активно разрабатываются и используются соединения, изменяющие активность ферментов с целью регуляции скорости метаболических реакций и уменьшения синтеза определенных веществ в организме.

Подавление активности ферментов обычно называют ингибированием, однако это не всегда корректно. Ингибитором называется вещество, вызывающее специфичное снижение активности фермента. Таким образом, неорганические кислоты и тяжелые металлы ингибиторами не являются, а являются инактиваторами, так как снижают активность многих ферментов, т.е. действуют неспецифично.

В научной деятельности для более точного описания процессов ингибирования пользуются кинетикой Михаэлиса-Ментен и ее терминами — максимальная скорость (Vmax) и константа Михаэлиса (Km).

Ингибирование ферментов

Можно выделить два основных направления ингибирования

  • по прочности связывания фермента с ингибитором ингибирование бывает обратимым и необратимым.
  • по отношению ингибитора к активному центру фермента ингибирование делят на конкурентное и неконкурентное.

Необратимое ингибирование

При необратимом ингибировании происходит связывание или разрушение функциональных групп фермента, необходимых для проявления его активности.

Например, вещество диизопропилфторфосфат прочно и необратимо связывается с гидроксигруппой серина в активном центре фермента ацетилхолинэстеразы, гидролизующей ацетилхолин в нервных синапсах. Ингибирование этого фермента предотвращает распад ацетилхолина в синаптической щели, в результате чего медиатор продолжает оказывать воздействие на свои рецепторы, что бесконтрольно усиливает холинергическую регуляцию.

Аналогично диизопропилфторфосфат ингибирует химотрипсин и другие протеазы, имеющие в активном центре серин (сериновые протеазы).

Диизопропилфторфосфат относится к нервно-паралитическим ядам, аналогичным образом действуют боевые фосфоорганические вещества (зарин, зоман). Сюда же относится вещество «малатион», включенный в инсектициды (карбофос, дихлофос) и превращающийся в организме насекомых в ингибитор ацетилхолинэстеразы, а в организме животных и человека разрушающийся до безвредных продуктов.

Механизм необратимого ингибирования ацетилхолинэстеразы

Еще один пример связан с ингибированием ацетилсалициловой кислотой (аспирином) ключевого фермента синтеза простагландинов – циклооксигеназы. Эта кислота входит в состав противовоспалительных средств и используется при воспалительных заболеваниях и лихорадочных состояниях. Присоединение ацетильной группы к гидроксильной группе серина в активном центре фермента вызывает инактивацию последнего и прекращение синтеза простагландинов.

Механизм необратимого ингибирования циклооксигеназы

Третьим показательным примером необратимого ингибирования является влияние антибиотика пенициллина на фермент транспептидазу, сшивающую цепи пептидогликана как последний шаг в синтезе клеточной стенки бактерий.

Обратимое ингибирование

При обратимом ингибировании происходит непрочное связывание ингибитора с функциональными группами фермента, вследствие чего активность фермента постепенно восстанавливается.

Примером обратимого ингибитора может служить прозерин, связывающийся с ферментом ацетилхолинэстеразой в ее активном центре. Группа ингибиторов холинэстеразы (прозерин, дистигмин, галантамин) используется при миастении, после энцефалита, менингита, травм ЦНС.

Конкурентное ингибирование

При таком виде ингибирования ингибитор по своей структуре похож на субстрат фермента. Поэтому он соперничает с субстратом за активный центр (за контактный участок), что приводит к уменьшению связывания субстрата с ферментом и нарушению катализа. В этом состоит особенность конкурентного ингибирования – возможность усилить или ослабить ингибирование через изменение концентрации субстрата. При данном ингибировании максимальная скорость реакции остается вполне достижимой при создании высоких концентраций субстрата.

Например:

1. Ингибирование фермента цикла трикарбоновых кислот сукцинат-дегидрогеназы малоновой кислотой, структура которой схожа со структурой субстрата этого фермента – янтарной кислоты (сукцината).

Конкурентное ингибирование сукцинатдегидрогеназы

2. Также к конкурентным ингибиторам относят антиметаболиты или псевдосубстраты, например, антибактериальные средства сульфаниламиды, схожие по структуре с пара-аминобензойной кислотой, компонентом фолиевой кислоты. При лечении сульфаниламидами в бактериальной клетке возникает конкуренция между сульфаниламидом и пара-аминобензойной кислотой при синтезе дигидрофолиевой кислоты, что и вызывает лечебный эффект.

3. В качестве других примеров лекарственных конкурентных ингибиторов можно привести

  • ингибитор синтеза холестерина ловастатин, обратимо ингибирующий ГМГ-S-КоА-редуктазу,
  • противоопухолевый препарат метотрексат, необратимо подавляющий дигидрофолатредуктазу,
  • непрямой антикоагулянт дикумарол, конкурент витамина К,
  • антигипертензивный препарат метил-ДОФА, подавляющий активность ДОФА-декарбоксилазы,
  • средство для лечения подагры аллопуринол, ингибирующий ксантиноксидазу.

Примером конкуренции, но не ингибирования (!), является взаимодействие этанола и метанола за активный центр алкогольдегидрогеназы. В данном случае ингибирование, как таковое, отсутствует, но с активным центром фермента связывается тот спирт, концентрация которого больше. Данный эффект используют у пациентов с отравлением метанолом для которого этиловый спирт является антидотом.

Неконкурентное ингибирование

Данный вид ингибирования связан с присоединением ингибитора не в активном центре, а в другом месте молекулы. Но при этом меняется структура активного центра и связь с субстратом становится невозможной. Это может быть аллостерическое ингибирование, когда активность фермента снижается естественными модуляторами, или связывание с ферментом каких-либо веществ вне активного и аллостерического центра. Например:

  • синильная кислота (цианиды) связывается с гемовым железом ферментов дыхательной цепи и блокирует клеточное дыхание,
  • связывание ионов тяжелых металлов (Cu2+, Hg2+, Ag+) с SH-группами белков.

Также примером может служить фруктозо-1,6-дифосфат, который ингибируя аденилосукцинатсинтетазу (синтез пуриновых нуклеотидов), синхронизирует в мышце функционирование пуриннуклеотидного цикла и гликолиза, поставлющего энергию для мышечного сокращения.

Особенностью неконкурентного ингибитора является его способность связываться с ферментом независимо от субстрата, т.е. изменение концентрации субстрата никак не влияет на образование комплекса фермент-ингибитор.

Бесконкурентное ингибирование

В этом случае ингибитор связывается в активном центре с фермент-субстратным комплексом. Повышение концентрации субстрата, увеличивая количество фермент-субстратного комплекса, усиливает и связывание ингибитора с ним. Таким образом, бесконкурентное ингибирование более сложно, чем другие типы ингибирования.

В качестве примера бесконкурентного ингибирования обычно называют связывание пенициллина и фермента транспептидазы, обеспечивающей сшивку цепей пептидогликана при синтезе клеточной стенки бактерий. Пенициллин встраивается в активный центр фермента и его лактамное кольцо мимикрирует под переходное состояние фермента — фермент-субстрат. Хотя ситуация похожа на конкурентное ингибирование, из-за одновременного снижения Vmax и Km этот случай относят к бесконкурентному.

На примере пенициллина также рассматривается т.н. суицидное ингибирование. При нем субстрат первоначально связывается с ферментом обратимо, а затем образует устойчивое ковалентное соединение с активным центром, что приводит к ингибированию активности фермента.

Смешанное ингибирование

При таком ингибировании ингибитор способен присоединяться везде – не только в активном центре, но и в других частях молекулы. Но после этого фермент еще способен частично сохранять свою активность. Примером является влияние мертиолата (ртутьорганическое вещество) на сахаразу грибов микромицетов для подавления их роста.

Препараты – ингибиторы ферментов (примеры)

⇐ ПредыдущаяСтр 59 из 63

По строению ферменты могут быть:

1. однокомпонентные (простые белки),

2. двухкомпонентные (сложные белки).

К ферментам — простым белкам– относятся пищеварительные ферменты (пепсин, трипсин). К ферментам –

сложным белкам – можно отнести ферменты, катализирующие окислительно — восстановительные реакции. Для

каталитической активности двухкомпонентных ферментов необходим дополнительный химический компонент,

который называется кофактор, их могут играть как неорганические вещества (ионы железа, магния, цинка,

меди и др.), так и органические вещества – коферменты (например, активные формы витаминов). Для работы

ряда ферментов необходимы и кофермент, и ионы металлов (кофактор). Коферменты – низкомолекулярные

органические вещества небелковой природы, связанные с белковой частью фермента временно и непрочно. В

случае, когда небелковая часть фермента (кофермент) связана с белковой прочно и постоянно, то такую

небелковую часть называют простетической группой. Белковая часть сложного белка-фермента называют

апоферментом. Вместе апофермент и кофактор образуют холофермент.

В процессе ферментативного катализа, принимает участие не вся белковая молекула, а лишь

определенный участок – активный центр фермента. Активный центрферментов представляет часть молекулы

фермента, к которой присоединяется субстрат и от которой зависят каталитические свойства молекулы

фермента. В активном центре фермента выделяют «контактный» участок – участок, притягивающий и

удерживающий субстрат на ферменте благодаря своим функциональным группам и «каталитический»

участок, функциональные группы которого непосредственно участвуют в каталитической реакции. У

некоторых ферментов, кроме активного центра, имеется еще «другой» центр – аллостерический. С

аллостерическимцентром взаимодействуют различные вещества (эффекторы), чаще всего различные

метаболиты. Соединение этих веществ с аллостерическим центром приводит к изменению конформации

фермента (третичной и четвертичной структуры). Активный центр в молекуле фермента либо создается, либо он

нарушается. В первом случае реакция ускоряется, во втором случае тормозится. Поэтому аллостерический центр

называют регуляторным центром фермента. Ферменты, имеющие в своей структуре аллостерический центр,

называются регуляторными или аллостерическими.В основу теории механизма действия ферментовположено

образование фермент-субстратного комплекса. Механизм действия фермента:

1. образование фермент-субстратного комплекса, субстрат прикрепляется к активному центру

фермента.

2. на второй стадии ферментативного процесса, которая протекает медленно, происходят

электронные перестройки в фермент-субстратном комплексе. Фермент (En) и субстрат (S) начинают

сближаться, чтобы вступить в максимальный контакт и образовать единый фермент-субстратный

комплекс. Продолжительность второй стадии зависит от энергии активации субстрата или

энергетического барьера данной химической реакции. Энергия активации– энергия, необходимая для

перевода всех молекул 1 моля S в активированное состояние при данной температуре. Для каждой

химической реакции существует свой энергетический барьер. Благодаря образованию фермент-

субстратного комплекса снижается энергия активации субстрата, реакция начинает протекать на более

низком энергетическом уровне. Поэтому вторая стадия процесса лимитирует скорость всего катализа.

3. на третьей стадии происходит сама химическая реакция с образованием продуктов реакции.

Третья стадия процесса непродолжительна. В результате реакции субстрат превращается в продукт

реакции; фермент-субстратный комплекс распадается и фермент выходит неизмененным из

ферментативной реакции. Таким образом, фермент дает возможность за счет образования фермент-

субстратного комплекса проходить химической реакции обходным путем на более низком

энергетическом уровне.

Кофактор- небелковое вещество, которое обязательно должно присутствовать в организме в

небольших количествах, чтобы соответствующие ферменты смогли выполнить свои функции. В состав

кофактора входят коферменты и ионы металлов (например, ионы натрия и калия).

Все ферменты относятся к глобулярным белкам, причем каждый фермент выполняет специфическую функцию,

связанную с присущей ему глобулярной структурой. Однако активность многих ферментов зависит от

небелковых соединений, называемых кофакторами. Молекулярный комплекс белковой части (апофермента) и

кофактора называется холоферментом. Роль кофактора могут выполнять ионы металлов (Zn2+, Mg2+, Mn2+, Fe2+,

Cu2+, K+, Na+) или сложные органические соединения. Органические кофакторы обычно называют

коферментами, некоторые из них являются производными витаминов. Тип связи между ферментом и

коферментом может быть различным. Иногда они существуют отдельно и связываются друг с другом во время

протекания реакции. В других случаях кофактор и фермент связаны постоянно и иногда прочными

ковалентными связями. В последнем случае небелковая часть фермента называется простетической группой.

Роль кофактора в основном сводится к следующему:

изменение третичной структуры белка и создание комплементарности между ферментом и субстратом;

непосредственное участие в реакции в качестве еще одного субстрата.

Активаторамимогут быть:

1) кофакторы, т.к. они важные участники ферментативного процесса. Например, металлы, входящие

в состав каталитического центра фермента: амилаза слюны активна в присутствии ионов Са,

лактатдегидрогеназа (ЛДГ) – Zn, аргиназа – Mn, пептидаза – Mg и коферменты: витамин С, производные

различных витаминов (НАД, НАДФ, ФМН, ФАД, КоАSH и др.). Они обеспечивают связывание активного

центра фермента с субстратом.

2) анионы также могут оказывать активирующее влияние на активность фермента, например, анионы

Сl- активируют слюнную амилазу;

3) активаторами могут служить также вещества, создающие оптимальное значение рН среды для проявления

ферментативной активности, например, НСl для создания оптимальной среды желудочного содержимого для

активации пепсиногена в пепсин;

4) активаторами являются также вещества, переводящие проферменты в активный фермент, например,

энтерокиназа кишечного сока активирует превращение трипсиногена в трипсин;

5) активаторами могут быть разнообразные метаболиты, которые связываются с аллостерическим центром

фермента и способствуют формированию активного центра фермента.

Ингибиторы- это вещества, которые тормозят активность ферментов. Различают два основных типа

ингибирования: необратимое и обратимое. При необратимом ингибировании — ингибитор прочно (необратимо)

связывается с активным центром фермента ковалентными связями, изменяет конформацию фермента. Таким

образом, могут действовать на ферменты соли тяжелых металлов (ртути, свинца, кадмия и др.). Обратимое

ингибирование — это такой тип ингибирования, когда активность ферментов может восстанавливаться.

Обратимое ингибирование бывает 2-х типов: конкурентное и неконкурентное. При конкурентном

ингибировании обычно субстрат и ингибитор очень похож по химическому строению. При этом виде

ингибирования субстрат (S) и ингибитор (I) одинаково могут связываться с активным центром фермента. Они

конкурируют друг с другом за место в активном центре

фермента. Классический пример, конкурентного

ингибирование – торможение действия

сукцинатдегидрогеназы малоновой кислотой.

Неконкурентные ингибиторы связываются с

аллостерическим центром фермента. Вследствие этого

происходят изменения конформации аллостерического

центра, которые приводят к деформации

каталитического центра фермента и снижению

ферментативной активности. Часто аллостерическими

неконкурентными ингибиторами выступают продукты метаболизма. Лекарственные свойства ингибиторов

ферментов (Контрикал, Трасилол, Аминокапроновая кислота, Памба). Контрикал (апротинин) применяют для

лечения острого панкреатита и обострения хронического панкреатита, острого панкреонекроза, острых

кровотечений.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *