19.6: Регуляція ферменту - інгібування

Last updated
Save as PDF

Page ID: 22103

Lisa Sharpe Elles
University of Kansas

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Поясніть, що таке інгібітор ферменту.
Розрізняють оборотні і незворотні інгібітори
Розрізняють конкурентні, неконкурентні та неконкурентні інгібітори.

Раніше ми відзначали, що ферменти можуть інактивуватися при високих температурах і змінами рН. Це неспецифічні фактори, які б інактивували будь-який фермент. Активність ферментів також може регулюватися більш специфічними інгібіторами, які уповільнюють або зупиняють каталіз. Інгібування ферментів може бути оборотним або незворотним. При оборотному інгібуванні інгібітор може зв'язуватися (зазвичай нековалентно) і дисоціювати, дозволяючи активності ферментів повернутися до початкового, розгальмованого рівня. Незворотні інгібітори постійно зв'язуються з ферментом і таким чином постійно пригнічують активність ферментів.

оборотне гальмування

Оборотне інгібування ферментів може бути конкурентоспроможним, неконкурентним або неконкурентним, залежно від того, де інгібітор зв'язується з ферментом, субстратом або комплексом фермент-субстрату.

Конкурентне інгібування - це коли інгібітор оборотно зв'язується з ферментом на активній ділянці ферменту; конкуруючи з субстратом для зв'язування. Конкурентним інгібітором повинна бути молекула, яка структурно схожа на молекулу субстрату, дозволяючи їй взаємодіяти з активною ділянкою ферменту за допомогою подібних нековалентних взаємодій, але вона не піддається або не може піддаватися тій же хімічній реакції. Коли інгібітор зв'язується з активною ділянкою, він блокує правильний субстрат від зв'язування та виникнення каталізу. Однак, як оборотний інгібітор, він може від'єднатися від ферменту, врешті-решт дозволяючи правильному субстрату зв'язуватися і відбуватися каталіз. Оскільки інгібітор і субстрат конкурують за один і той же активний сайт, інгібування залежить від концентрації. Як показано на наведеному нижче графіку швидкості реакції проти концентрації субстрату (рис.\(\PageIndex{1}\)), конкурентний інгібітор уповільнює швидкість реакції, але при більш високих концентраціях субстрату можна досягти нормальної максимальної швидкості.

Малюнок _06_05_04 Відкритий податковий законопроект inhibition.jpg — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Графіки швидкості реакції проти концентрації субстрату з інгібіторами та без них. Конкурентні інгібітори зв'язуються оборотно на активній ділянці і, отже, конкурують з субстратом за зв'язування. Зі збільшенням концентрації субстрату він може перевершити інгібітор, що дозволяє активності ферментів досягти нормального максимуму (зелена лінія). Неконкурентний інгібітор зв'язується на ділянці, відокремленому від активної ділянки, активність ферменту може досягати лише нижчої за нормальну максимальну швидкість реакції навіть при збільшенні концентрації субстрату (синя лінія). Неконкурентне гальмування не представлено на цій ділянці, але було б схоже на неконкурентний інгібітор, досягаючи нижчої максимальної швидкості. (Малюнок з біології OpenStax)

Дослідження конкурентного інгібування надали корисну інформацію про певні ферментно-субстратні комплекси та взаємодії конкретних груп на активних ділянках. В результаті фармацевтичні компанії синтезували препарати, які конкурентно гальмують обмінні процеси в бактеріях і деяких ракових клітині. Багато препаратів є конкурентними інгібіторами специфічних ферментів.

Класичним прикладом конкурентного інгібування є вплив малонату на ферментну активність сукцинатдегідрогенази (рис.\(\PageIndex{2}\)). Малонат і сукцинат є аніонами дикарбонових кислот і містять три і чотири атоми вуглецю відповідно. Молекула малонату зв'язується з активною ділянкою, оскільки відстань її карбоксильних груп не сильно відрізняється від відстані сукцинату. Однак каталітична реакція не відбувається, оскільки малонат не має групи CH ₂ CH ₂ для перетворення в CH=CH. Ця реакція також буде розглянута у зв'язку з циклом Кребса та виробництвом енергії в наступному розділі.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Конкурентне гальмування. (а) Сукцинат зв'язується з ферментом сукцинатдегідрогеназою. Відбувається реакція дегідрування, і продукт - фумарат - вивільняється з ферменту. (б) Малонат, конкурентний інгібітор, також зв'язується з активною ділянкою сукцинатдегідрогенази. У цьому випадку, однак, ніякої подальшої реакції не відбувається, поки малонат залишається пов'язаним з ферментом.

При неконкурентній інгібіції інгібітор може зв'язувати фермент лише тоді, коли субстрат вже пов'язаний, іншими словами, він зв'язує комплекс фермент-субстрат, але не лише фермент. Максимальна швидкість реакції при наявності неконкурентного інгібітора знижується, однак, на відміну від конкурентного інгібування, швидкість не може бути збільшена, додаючи більше субстрату. Цей тип інгібування найчастіше спостерігається, коли реакція ферменту включає два субстрати і до тих пір, поки концентрація інгібітора залишається постійною, максимальна швидкість реакції не змінюється.

Неконкурентний інгібітор може зв'язуватися або з вільним ферментом, або з комплексом фермент-субстрат, оскільки його місце зв'язування на ферменті відрізняється від активного сайту. Зв'язування такого роду інгібітора змінює тривимірну конформацію ферменту, змінюючи конфігурацію активної ділянки з одним з двох результатів. Або ферментно-субстратний комплекс не утворюється зі своєю нормальною швидкістю, або, утворившись, він не дає продукти з нормальною швидкістю (див. Рис.\(\PageIndex{1}\)). Оскільки інгібітор структурно не нагадує субстрат, а також не конкурує з субстратом за активну ділянку, додавання надлишку субстрату не змінює інгібуючого ефекту.

Хіміотерапія - це стратегічне використання хімічних речовин (тобто ліків) для знищення інфекційних мікроорганізмів або ракових клітин, не завдаючи надмірної шкоди іншим, здоровим клітинам господаря. Від бактерій до людини метаболічні шляхи всіх живих організмів досить схожі, тому пошук безпечних і ефективних хіміотерапевтичних засобів - це грізне завдання. Багато добре зарекомендували себе хіміотерапевтичні препарати функціонують шляхом пригнічення критичного ферменту в клітині організму, що вторгається.

Антибіотик - це сполука, яка вбиває бактерії; вона може надходити з природного джерела, такого як цвіль, або синтезуватися зі структурою, аналогічною природному антибактеріальному з'єднанню. Антибіотики не складають чітко визначеного класу хімічно пов'язаних речовин, але багато хто з них працюють, ефективно пригнічуючи різні ферменти, необхідні для росту бактерій.

До вашого здоров'я: Пеніцилін

Пеніцилін, один з найбільш широко використовуваних антибіотиків у світі, випадково був відкритий Олександром Флемінгом в 1928 році, коли він помітив антибактеріальні властивості в цвілі, що росте на бактеріальної культуральній пластині. У 1938 році Ернст Ланг і Говард Флорі почали інтенсивні зусилля по виділенню пеніциліну з цвілі та вивчення його властивостей. Велика кількість пеніциліну, необхідного для цього дослідження, стала доступною завдяки розробці живильного середовища на основі кукурудзи, яке любила цвіль, і завдяки відкриттю високопродуктивного штаму цвілі в дослідницькому центрі Міністерства сільського господарства США поблизу Пеорії, штат Іллінойс. Незважаючи на це, лише в 1944 році виробляли та надавали велику кількість пеніциліну для лікування бактеріальних інфекцій.

Пеніцилін функціонує шляхом втручання в синтез клітинних стінок розмножуються бактерій. Це робиться шляхом інгібування ферменту - транспептидази - який каталізує останній етап біосинтезу клітинної стінки бактерій. Дефектні стінки призводять до того, що бактеріальні клітини лопаються. Клітини людини не уражаються, оскільки вони мають клітинні мембрани, а не клітинні стінки.

Було виділено кілька природних пеніцилінів. Їх відрізняють різні групи R, з'єднані із загальною структурою: чотиричленний циклічний амід (званий лактамним кільцем), сплавлений в п'ятичленне кільце. Додавання відповідних органічних сполук в культуральне середовище призводить до вироблення різних видів пеніциліну.

Пеніциліни ефективні проти грампозитивних бактерій (бактерій, здатних фарбуватися плямою Грама) та кількох грамнегативних бактерій (включаючи кишкову бактерію Escherichia coli). Вони ефективні при лікуванні дифтерії, гонореї, пневмонії, сифілісу, багатьох гнійних інфекцій, деяких видів фурункулів. Пеніцилін G був найбільш раннім пеніциліном, який використовувався в широких масштабах. Однак його не можна вводити перорально, оскільки він досить нестабільний; кислий рН шлунка перетворює його в неактивну похідну. Основні пероральні пеніциліни - пеніцилін V, ампіцилін та амоксицилін - з іншого боку, стійкі до кислоти.

Деякі штами бактерій стають стійкими до пеніциліну через мутацію, яка дозволяє їм синтезувати фермент - пеніциліназу - який руйнує антибіотик (шляхом розщеплення амідного зв'язку в лактамному кільці). Для боротьби з цими штамами вчені синтезували аналоги пеніциліну (типу метіциліну), які не інактивуються пеніциліназою.

Деякі люди (можливо, 5% населення) мають алергію на пеніцилін, і тому їх потрібно лікувати іншими антибіотиками. Їх алергічна реакція може бути настільки важкою, що може виникнути смертельна кома, якщо їм ненавмисно ввести пеніцилін. На щастя, було виявлено кілька інших антибіотиків. Більшість, включаючи ауреоміцин і стрептоміцин, є продуктами мікробного синтезу. Інші, такі як напівсинтетичні пеніциліни та тетрацикліни, виготовляються хімічними модифікаціями антибіотиків; а деякі, як хлорамфенікол, виготовляються повністю шляхом хімічного синтезу. Вони настільки ж ефективні, як пеніцилін при знищенні інфекційних мікроорганізмів. Багато з цих антибіотиків надають свою дію, блокуючи синтез білка у мікроорганізмів.

Спочатку антибіотики вважалися чудодійними препаратами, істотно скорочуючи кількість смертей від отруєння крові, пневмонії та інших інфекційних захворювань. Якихось сім десятиліть тому людина з великою інфекцією майже завжди вмирав. Сьогодні такі випадки смерті зустрічаються рідко. Сім десятиліть тому пневмонія була страшним вбивцею людей різного віку. Сьогодні він вбиває тільки самих старих або тих, хто хворіє з інших причин. Антибіотики дійсно творили чудеса в наш час, але навіть чудо-препарати мають обмеження. Незадовго після того, як препарати були вперше використані, хвороботворні організми почали виробляти стійкі до них штами. У гонці, щоб випередити стійкі штами бактерій, вчені продовжують шукати нові антибіотики. Пеніциліни зараз частково витісняються спорідненими сполуками, такими як цефалоспорини та ванкоміцин. На жаль, деякі штами бактерій вже виявили стійкість до цих антибіотиків.

Незворотне гальмування

Незворотний інгібітор інактивує фермент, ковалентно зв'язуючись з певною групою на активній ділянці. Коли інгібітор пов'язаний, активний сайт ферменту блокується, субстрат не зв'язується, і каталіз не може відбуватися, подібний до конкурентного інгібування. Різниця тут полягає в тому, що інгібування є незворотним, а це означає, що інгібітор залишається зв'язаним і не дисоціюється від ферменту, оскільки ковалентні зв'язки фермент-інгібітор не легко порушуються. При наявності незворотного інгібітора субстрат взагалі не може зв'язувати активну ділянку, а також високі концентрації субстрату не можуть перевершити інгібітор, отже, фермент повністю інактивується. Багато з відомих незворотних інгібіторів є отрутами, оскільки вони повністю інактивують фермент. Деякі приклади наведені в таблиці\(\PageIndex{1}\) нижче.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Отрути як інгібітори ферментів
Отрута	Формула	Приклад інгібованого ферменту	Дія
арсенат	\(\ce{AsO4^{3−}}\)	гліцеральдегід 3-фосфатдегідрогеназа	замінники фосфату
йодоацетат	\(\ce{ICH2COO^{−}}\)	триоза фосфатдегідрогеназа	зв'язується з\(\ce{SH}\) цистеїновою групою
діізопропілфторфосфат (DIFP; нервова отрута)		ацетилхолінестерази	зв'язується з\(\ce{OH}\) сериновою групою

Резюме

Незворотний інгібітор інактивує фермент, ковалентно зв'язуючись з певною групою на активній ділянці. Оборотний інгібітор інактивує фермент через нековалентні, оборотні взаємодії. Конкурентний інгібітор конкурує з субстратом за зв'язування на активній ділянці ферменту. Неконкурентний інгібітор зв'язується на ділянці, відмінному від активного сайту.

Концепція Огляд Вправи

Які характеристики має незворотний інгібітор?
Чим конкурентний інгібітор відрізняється від неконкурентного інгібітора?

Відповіді

Він інактивує фермент, ковалентно зв'язуючись з певною групою на активній ділянці.
Конкурентний інгібітор структурно нагадує субстрат для даного ферменту і конкурує з субстратом за зв'язування на активній ділянці ферменту. Неконкурентний інгібітор зв'язується на ділянці, відмінному від активного сайту, і може зв'язуватися або з вільним ферментом, або з комплексом фермент-субстрат.

Вправи

Яка амінокислота присутня в активному місці всіх ферментів, які необоротно гальмуються нервовими газами, такими як DIFP?
Оксалоацетат (OOCCH2COCO) пригнічує сукцинатдегідрогеназу. Чи очікуєте ви, що оксалоацетат буде конкурентним або неконкурентним інгібітором? Поясніть.

Відповідь

серин