Молекулярная биофизика (стр. 28 )

субстратом которой является янтарная кислота (рисунок 176(г)) (сукцинат), так как они сходны по строению с субстратом.

Другой пример, сульфаниламидные антибактериальные препараты имеют сходное строение с парааминобензойной кислотой и являются конкурентными ингибиторами в синтезе бактериями фолиевой кислоты (фактора роста бактерий).

У человека нет такого метаболического пути, и в лечебных дозах они не влияют на жизнедеятельность человека, оказывая общий бактериостатический эффект (нарушая в некоторой степени деятельность кишечной микрофлоры).

Неконкурентным называется ингибирование, при котором связывание фермента с ингибитором не влияет на связывание фермента с субстратом, но ингибитор модифицирует функционально важную каталитическую группу фермента "отключая" фермент. Структура активного центра изменяется, и каталитическое превращение не происходит (таблица 12(4)).

Неконкурентные ингибиторы, поскольку они модифицируют функциональные группы целевого фермента, действуют, как правило, необратимо.

В случае так называемых "суицидных субстратов" речь идет о субстратных аналогах, содержащих дополнительно реакционную группу

(таблица 12(5)). Вначале они связываются обратимо, а затем образуют

ковалентное соединение с активным центром фермента. Поэтому ингибирование такими соединениями проявляется как неконкурентное. Известным примером такого ингибитора является антибиотик пенициллин.

Бесконкурентным называется ингибирование, которое возникает,

когда ингибитор может связываться с ферментом только в виде его комплекса с субстратом.

Тип ингибирования. Механизм ингибирования

Конкурентное ингибирование - Связывание фермента с ингибитором

предотвращает связывание с субстратом

Неконкурентное ингибирование - Связывание фермента с ингибитором не влияет на связывание с субстратом, но предотвращает образование продукта

Бесконкурентное ингибирование - Ингибитор связывается с ферментом

только после образования фермент-субстратного комплекса и предотвращает

образование продукта

Смешанное ингибирование Общий случай

РАССМОТРИМ НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРНЫЕ ПРИМЕРЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ СПОСОБЫ РЕГУЛЯЦИИ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ АКТИВНОСТИ

pН-РЕГУЛЯЦИЯ СКОРОСТЕЙ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ

Типичная зависимость ферментативной активности от рН описывается колоколообразной кривой, как показано, например, на рисунке 183 для фермента гистидазы.

Рисунок 183 – рН-зависимость активности фермента гистидаза при действии насубстрат гистидин

Ферменты проявляют оптимальную активность при разных рН (рисунок 184), что позволяет осуществлять тонкую регулировку путей метаболизма либо самим организмом, либо в результате внешних воздействий на организм.

Рисунок 184 – Зависимость активности ферментов от рН

ДАЛЕЕ СМ ВКЛАДКИ

АЛЛОСТЕРИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ СКОРОСТЕЙ

ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ

Субъединичная четвертичная структура аллостерических ферментов способствует повышению чувствительности системы и усилению обратной связи в механизмах регулирования. Такая структура способствует увеличению чувствительности системы, так что малое изменение концентрации субстрата сильно влияет на скорость ферментативной реакции.

При этом характерный гиперболический ход зависимости скорости

ферментативной реакции от концентрации субстрата сменяется сигмоидной зависимостью. Так, например, на рисунке 186 схематически представлено изменение вида зависимости скоррости реакции w от [S] в ферментативной реакции, происходящей под действием: (1) одиночной каталитической единицы фермента аспартаттранскарбамилазы на субстрат аспартат (кривая 1), и (2) под действием ассоциированного фермента, состоящего из двух каталитических и трех регуляторных полипептидных субъединиц (кривая 2).

Рисунок 186 – Зависимость скорости появления продукта от концентрации

субстрата (аспартата)

Известно много моделей механизмов, объясняющих кинетические

особенности аллостерических ферментов.

Согласованный механизм аллостерических взаимодействий.

В 1965 г. Жак Моно, Джефри Уайман и Жан-Пьер Шанже предложили

объяснение кооперативности аллостерических эффектов в реакции связывания кислорода с гемоглобином. Используя их подход, рассмотрим аллостерический фермент, состоящий из двух идентичных субъединиц, каждая с одним активным центром. Субъединицы могут находиться в двух конформациях – R - состоянии (relaxed, "расслабленное") и T - состоянии (tense, "напряженное").

Конформация R обладает высоким сродством к субстрату, а T – низким

(рисунок 187). Формы R и T могут переходить одна в другую. В данной модели делается важное допущение, что для сохранения симметрии димера обе субъединицы должны находиться в одном и том же конформационном состоянии. То есть, разрешены состояния RR и TT, а состояние RT запрещено.

Рисунок 187 – Модель Моно-Уаймана-Шанже согласованного механизма

аллостерических взаимодействий

ДАЛЕЕ СМ ВКЛАДКУ

Среди аллостерических взаимодействий различают гомотропные

(взаимодействия между идентичными лигандами) и гетеротропные (взаимодействия между различными лигандами). В рассмотренной модели кооперативное связывание субстрата ферментом представляет собой гомотропный эффект, а влияние активатора или ингибитора – гетеротропный. При согласованном механизме аллостерических взаимодействий гомотропные эффекты всегда положительны (кооперативны), а гетеротропные могут быть и положительным, и отрицательными.

ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Какие химические соединения называются эффекторами?

2. Назовите две группы внешних регуляторов ферментативных

реакций.

3. В чем отличие обратимого и необратимого ингибирования?

4. В чем отличие конкурентного и неконкурентного ингибирова-

ния?

5. Какие субстраты называются суицидными?

6. Запишите общую схему каталитической реакции в присутствии

ингибитора.

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СКОРОСТЬ РЕАКЦИЙ

При изучении любых проблем химической кинетики одним из

основных теоретических положений является уравнение Аррениуса, выражающее зависимость константы скорости реакции от температуры

Денатурация большинства белков начинается в диапазоне температур от 45–50 С и завершается очень быстро при 55С (исключение составляют ферменты термофильных микроорганизмов, обитающих в горячих источниках, они сохраняют стабильность до 80–85С).

Рисунок 195 – Аррениусовская зависимость скорости ферментативной реакциигидролиза АТФ миозином от температуры

Один из механизмов термической денатурации белков очевиден по мере повышения температуры атомы в молекуле белка приобретают все более высокую энергию, в том числе кинетическую, и, в конце концов, становится возможным разрушение слабых связей, стабилизирующих глобулярную структуру белка, что и приводит к его инактивации.

ЗДЕСЬ МЫ РАССМОТРИМ ВОЗМОЖНОСТЬ ОПИСАНИЯ КИНЕТИКА ТРАНСМЕМБРАННОГО ТРАНСПОРТА ПО СХЕМЕ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ РЕАКЦИИ

Только немногие вещества могут диффундировать через биомембраны самостоятельно. Перенос молекул большинства веществ через мембрану осуществляется специализированными транспортными мембранными белками. Водорастворимые метаболиты переносятся через мембрану внутри трансмембранных доменов этих белков, которые изолируют метаболиты от контакта с гидрофобной частью биомембраны.

Формально разделяют: АТФ-насосы (рисунок 201(а)), ионные каналы (рисунок 201(б)), и транспортёры или переносчики (рисунок 201(в)).

Рисунок 201 – Трансмембранный транспортные белки: а – ионные насосы;

б – ионные каналы; в – транспортёры или переносчики. Треугольник слева обозначаетградиент концентрации

Канальные белки (рисунок 201(б)) обеспечивают пассивный транспорт молекул и ионов через биомембрану за счет трансмембранного градиента концентрации. Иногда такой процесс диффузии вещества через мембрану, обеспечиваемый канальными белками, называют облегчённой диффузией. Некоторые ионные каналы всегда открыты, другие имеют так называемые белковые "ворота" – подвижные домены, которые в ответ на внешнее воздействие закрывают канал. Ионные каналы также конформационно переключаются между закрытым и открытым состояниями, но когда канал открыт, скорость потока ионов через него гораздо выше, достигая значения 108 ионов в секунду.

Отметим, что ферментативную кинетику, успешно применяют для описания различных транспортных систем, в том числе, для количественного описания работы молекул-переносчиков и ионных каналов.

В основе этого подхода лежит предположение о том, что система

может находиться в нескольких дискретных состояниях, каждому из которых соответствует стандартное значение электрохимического потенциала. При этом взаимные переходы между двумя состояниями происходят с преодолением энергетических барьеров, и константы скоростей переходов зависят от высоты этих барьеров.

На рисунке 202 представлена схема ионного канала и соответству-

ющие профили свободной энергии. Рисунок 202 – Изменение профиля свободной энергии иона в ионном каналепри деполяризации мембраны

Эти профили соответствуют случаю, когда в канале имеется единственное место связывания, локализованное где-то вблизи от входа в канал. Глубина впадины (точка А) отвечает слабому связыванию.

При наличии трансмембранной разности потенциалов на профиль

свободной энергии налагается профиль электрического потенциала (r) .

В этом случае высота энергетических барьеров, соответствующих k1 и k2 ,

будет меньше, и скорость транспорта катионов через канал увеличится.

Минимумы на кривых изменения свободной энергии соответствуют местам связывания транспортируемых веществ.

Можно предположить, что канал или переносчик имеет одно или

несколько мест связывания переносимых веществ. При достаточно высоких концентрациях переносимого вещества все эти места оказываются занятыми, и скорость переноса достигает своего максимального значения wmax, равного максимальной скорости работы фермента.

Примем для простоты, что ионы изначально присутствуют только с

одной стороны мембраны, внутри канала имеется единственное место

связывания, и что ионы не могут свободно проникать внутрь канала или

покидать его. Случай, когда внутри канала имеется много мест связывания, по которым ион может последовательно передаваться, формально сводится к ситуации, когда в канале есть единственное место связывания, и кинетика работы такого фермента по-прежнему описывается уравнением Михаэлиса.

Если допустить, что мембранный потенциал M равен нулю, то такую "ферментативную реакцию" можно представить следующим образом

где E – канальный белок (фермент) в "открытом" состоянии, Sin и Sout –

транспортируемое вещество (субстрат) внутри и снаружи мембраны,

ES – комплекс субстрата с местом связывания внутри канала.

Пусть кинетика переноса ионов белком-переносчиком (или белком – ионным каналом) описывается моделью ферментативной кинетики,

простейшей из которых является модель Михаэлиса-Ментен. Тогда

скорость транспорта ионов (число транспортируемых ионов в единицу

времени) будет подчиняться уравнению Михаэлиса – константа Михаэлиса, [E]0 – суммарная концентрация переносчиков (ионных каналов, ионных насосов и т. д.).

Рассмотрим два предельных случая.

1. Избыток субстрата [S]KM, при котором все места связывания заняты ([E]0 [ES]), и скорость достигает своего максимального значения, определяемого высотой энергетического барьера для выхода их канала wmax k2[E]0 .

2. Низкая концентрация субстрата [S]KM, при которой наблюдается линейная зависимость скорости от концентрации субстрата 2 max

ДАЛЕЕ СМ ВКЛАДКУ

Феноменологическая кинетическая модель Михаэлиса полезна также и при исследовании ионной селективности каналов. Ионную селективность можно объяснить несколькими путями.

Селективность – это способность канала пропускать некоторые ионы лучше, чем другие; ее можно количественно охарактеризовать как от

ношение проницаемостей или проводимостей для сравниваемых ионов. Поскольку в выражение для константы скорости транспорта входят как k1 , так и k2 , то причиной селективной ионной проводимости может служить как более низкий энергетический барьер на входе в канал ( k1 ), так и более низкий барьер для перемещения внутри канала ( k2 ) для определенного типа ионов.

Например, если у входа в канал имеются отрицательные заряды или

диполи, то скорость транспорта анионов может уменьшиться, т. е. канал

окажется катионселективным. Такая картина, в частности, наблюдается

для нескольких рецепторных канальных белков и грамицидина А.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ОСНОВНАЯ

1. Введение в биофизику. Физические основы биотехноло-

гии / . – Х. : НТУ "ХПИ", 2008. – 320 с.

2. Введение в молекулярную биофизику / . –

Х