Биологическая химия - часть 36

центром. Классическим примером подобного типа ингибирования является

торможение сукцинатдегидрогеназы (СДГ) малоновой кислотой. Этот фер-

мент катализирует окисление путем дегидрирования янтарной кислоты

(сукцината) в фумаровую:

Если в среду добавить малонат (ингибитор), то в результате структур-

ного сходства его с истинным субстратом сукцинатом (наличие двух таких

же ионизированных карбоксильных групп) он будет взаимодействовать

с активным центром с образованием фермент-ингибиторного комплекса,

однако при этом полностью исключается перенос атома водорода от

малоната. Структуры субстрата (сукцинат) и ингибитора (малонат) все же

несколько различаются. Поэтому они конкурируют за связывание с актив-

ным центром, и степень торможения будет определяться соотношением

концентраций малоната и сукцината, а не абсолютной концентрацией

ингибитора. Таким образом, ингибитор может обратимо связываться

с ферментом, образуя фермент-ингибиторный комплекс. Этот тип ингиби-

рования иногда называют ингибированием по типу метаболического анта-

гонизма (рис. 4.20).

В общей форме реакция взаимодействия ингибитора с ферментом может

быть представлена следующим уравнением:

Образовавшийся комплекс, называемый фермент-ингибиторным комп-

лексом ЕI, в отличие от фермент-субстратного комплекса ES не распадается

с образованием продуктов реакции. Константу диссоциации комплекса EI,

или ингибиторную константу К

i

, можно, следуя теории Михаэлиса–Мен-

тен, определить как отношение констант обратной и прямой реакций:

т.е. ингибиторная константа прямо пропорциональна произведению кон-

центрации фермента и ингибитора и обратно пропорциональна концент-

рации комплекса EI.

Метод конкурентного торможения нашел широкое применение в ме-

дицинской практике. Известно, например, что для лечения некоторых

инфекционных заболеваний, вызываемых бактериями, применяют сульфа-

ниламидные препараты. Оказалось, что эти препараты имеют структурное

сходство с парааминобензойной кислотой, которую бактериальная клетка

использует для синтеза фолиевой кислоты, являющейся составной частью

149

Сукцинат

Фумарат

Малонат

Блокирование

реакции

–

2Н

Рис. 4.20. Действие конку-

рентного ингибитора (схема

по В.Л. Кретовичу).

Е - фермент; S - субстрат; Р

1

 и

Р

2

 - продукты реакции; I - инги-

битор.

ферментов бактерий. Благодаря этому структурному сходству сульфани-

ламид блокирует действие фермента путем вытеснения парааминобензой-

ной кислоты из комплекса с ферментом, синтезирующим фолиевую кисло-

ту, что ведет к торможению роста бактерий.

Некоторые аналоги витамина В

6

 и фолиевой кислоты, в частности

дезоксипиридоксин и аминоптерин (см. главу 7), действуют как конкурент-

ные, так называемые коферментные, ингибиторы (или антивитамины),

тормозящие многие интенсивно протекающие при патологии биологи-

ческие процессы в организме. Применение подобных аналогов в меди-

цинской практике (в частности, в дерматологии и онкологии) основано на

конкурентном вытеснении коферментов из субстратсвязывающих центров

ключевых ферментов обмена.

Н е к о н к у р е н т н о е  и н г и б и р о в а н и е вызывается веществами, не

имеющими структурного сходства с субстратами и часто связывающимися

не с активным центром, а в другом месте молекулы фермента. Степень

торможения во многих случаях определяется продолжительностью дейст-

вия ингибитора на фермент. При данном типе ингибирования благодаря

образованию стабильной ковалентной связи фермент часто подвергается

полной инактивации, и тогда торможение становится необратимым. При-

мером необратимого ингибирования является действие йодацетата, ДФФ,

а также диэтил-n-нитрофенилфосфата и солей синильной кислоты. Это

действие заключается в связывании и выключении функциональных групп

или ионов металлов и молекуле фермента.

Следует указать, что неконкурентное ингибирование также может быть

обратимым и необратимым, поскольку отсутствует конкуренция между

субстратом и ингибитором за активный центр. Примеры необратимого

ингибирования приведены ранее. При  о б р а т и м о м  н е к о н к у р е н т н о м

и н г и б и р о в а н и и субстрат S и ингибитор I связываются с разными

центрами, поэтому появляется возможность образования как комплекса EI,

так и тройного комплекса EIS; последний может распадаться с осво-

бождением продукта, но с меньшей скоростью, чем комплекс ES.

150

E + S

ES

E

P

1

P

2

E + l

Комплекс El

(неактивный)

п-Аминобензой-

ная кислота

Сульфаниламид

Этот тип неконкурентного ингибирования чаще всего наблюдается

у ферментов, катализирующих превращения более одного субстрата, когда

связывание ингибитора не блокирует связывание субстрата с активным

центром. Ингибитор при этом соединяется как со свободным ферментом,

так и с ES-комплексом.

Известно, кроме того, так называемое  б е с к о н к у р е н т н о е  и н г и б и -

рование, когда ингибитор связывается с ферментом также в некатали-

тическом центре, однако не со свободным ферментом, а только с ES-комп-

лексом в виде тройного комплекса.

Для выяснения вопроса о типе ингибирования пользуются уравнениями

Михаэлиса-Ментен, Лайнуивера-Бэрка или другими, например уравне-

нием Эди-Хофсти:

v = –K

m

(v/[S]) + V

max

и соответствующими графиками в прямолинейных координатах.

При конкурентном типе ингибирования ингибитор увеличивает значение

К

m

, не оказывая влияния на максимальную скорость V

max

 (рис. 4.21). Это

означает, что при достаточно высокой концентрации субстрата [S] ин-

гибитор вытесняется молекулами субстрата из комплекса EI. При некон-

курентном ингибировании (рис. 4.22) ингибитор снижает величину макси-

мальной скорости. Если при этом величина К

m

 не уменьшается, то говорят

о полностью неконкурентном ингибировании. Подобный тип ингибиро-

вания имеет место при образовании неактивных, труднодиссоциирующих

Рнс. 4.21. Графики зависимости скорости ферментативной реакции от концентра-

ции субстрата в присутствии конкурентного ингибитора.

а - в координатах v от [S]; б - в координатах 1/v от 1/[S]; V

max

 и V

i

 - максимальные скорости

реакции; К

m

 и K

mi

 - константа Михаэлиса соответственно в отсутствие (1) и в присутствии (2)

ингибитора.

151

Е

+

S

ES

+

Е

+

Р

+

I

ЕI

+

S

I

ESI

Е

+

S

ES

+

l

ESI

Е

+

Р

а

б

Рис. 4.22. Графики зависимости скорости ферментативной реакции от концентра-

ции субстрата в присутствии неконкурентного ингибитора.
Обозначения те же, что на рис. 4.21.

комплексов EI и(или) EIS. Часто, однако, наблюдается смешанный тип

ингибирования, иногда называемый частично неконкурентным, или обра-

тимым неконкурентным ингибированием (см. ранее), при котором сни-

жение V

max

 сочетается с одновременным увеличением значений К

m

. Это

означает, что комплекс EI сохраняет частичную активность, т.е. способ-

ность к образованию промежуточного тройного комплекса EIS, в котором

субстрат подвергается замедленному каталитическому превращению. В

редких случаях степень торможения активности фермента может увели-

чиваться с повышением концентрации субстрата. Для этого типа тормо-

жения был предложен, как отмечено ранее, довольно неточный термин

«бесконкурентное ингибирование». Один из механизмов такого торможения

обусловлен возможностью соединения ингибитора с комплексом ES с об-

разованием неактивного или медленно реагирующего тройного ком-

плекса EIS.

Таким образом, при графическом анализе скоростей ферментативных

реакций как функции концентраций субстрата может быть получена ценная

информация не только о кинетике ферментативных реакций, но и о мо-

лекулярных механизмах ферментативного катализа.

РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ

Одним из уникальных свойств живых организмов является удивительная их

способность к сохранению сбалансированности катаболических (биодегра-

дативных) и анаболических (биосинтетических) процессов. При этом в клет-

ках одновременно совершаются процессы синтеза, распада и взаимопрев-

ращения сотен и тысяч разнообразных веществ, которые в свою очередь

регулируются множеством механизмов, обеспечивающих постоянство внут-

ренней среды организма. Некоторые из этих регуляторных механизмов,

среди которых важная роль принадлежит механизмам регуляции синтеза

и каталитической активности ферментов, будут рассмотрены далее.

Влияние закона действия масс. В катализируемой ферментом обратимой

химической реакции, например А + В <=> С + D, концентрация компонентов

реакции и соответственно направление реакции будут регулироваться влия-

нием закона действия масс. Оно, в частности, может быть показано

в обратимой реакции трансаминирования, катализируемой ферментом

аланинаминотрансферазой:

Аланин + α-Кетоглутарат <=> Пируват + Глутамат.

152

а

б