Конспект

Ферменты: регуляция активности и энзимодиагностика

Ключевые тезисы

• Ферменты — высокоактивные вещества, реализующие химические реакции в клетках. Их активность регулируется.
• Понимание механизмов регуляции ферментов критически важно для изучения фармакологии.
• Ингибирование ферментов может быть обратимым и необратимым, конкурентным и неконкурентным.
• Метаболические пути регулируются через ключевые ферменты, часто по принципу аллостерической регуляции.
• Энзимодиагностика использует специфичность ферментов (изоферментов) для диагностики повреждения органов.

Ингибирование ферментов

Ингибирование — процесс снижения или прекращения активности фермента.

• Обратимое ингибирование: фермент (энзим) связывается с ингибитором с образованием комплекса, который может распасться.
• Необратимое ингибирование: ингибитор прочно и навсегда связывается с ферментом, после чего белок уничтожается клеткой.

Конкурентное ингибирование

• Ингибитор структурно похож на субстрат фермента и конкурирует с ним за связывание с активным центром.
• При увеличении концентрации субстрата его шансы связаться с ферментом возрастают.
• Не изменяет максимальную скорость реакции (Vmax), но повышает константу Михаэлиса (Km), так как для достижения половины максимальной скорости требуется больше субстрата.
• Примеры:
  • Маланат ингибирует сукцинатдегидрогеназу, конкурируя с сукцинатом.
  • Прозерин и аналоги — конкурентные ингибиторы ацетилхолинэстеразы. Блокируя разрушение медиатора ацетилхолина, усиливают нервно-мышечную передачу, что используется при миастении.
  • Сульфаниламиды — антибактериальные препараты, конкурирующие с парааминобензойной кислотой в метаболизме бактерий, нарушая синтез фолиевой кислоты.

Неконкурентное ингибирование

• Ингибитор связывается с ферментом в любой точке, кроме активного центра.
• Активный центр не затронут, поэтому константа Михаэлиса (Km) не меняется.
• Максимальная скорость реакции (Vmax) снижается, так как часть ферментов неактивна.
• Пример: Аспирин необратимо ингибирует фермент циклооксигеназу, ацетилируя его.

Задача: отравление фосфорорганическими соединениями

• Фосфорорганические соединения — необратимые ингибиторы ацетилхолинэстеразы.
• Блокировка фермента приводит к накоплению ацетилхолина во всех синапсах, вызывая чрезмерную передачу сигнала (судороги, спазмы).
• График скорости реакции от концентрации субстрата: Vmax снижен, Km не изменён.
• Фермент ацетилхолинэстераза относится к классу гидролаз.

Регуляция активности ферментов

Клетки регулируют целые метаболические пути через ключевые ферменты.

Аллостерическая регуляция

• Фермент является олигомерным белком и имеет аллостерический центр, отличный от активного.
• Связывание эффектора (ингибитора или активатора) с этим центром изменяет конформацию и активность фермента.
• Логика метаболического пути: накопление начального субстрата часто активирует ключевой фермент, а накопление конечного продукта — аллостерически его ингибирует.

Регуляция белково-белковыми взаимодействиями

• Пример: протеинкиназа А. Состоит из регуляторных и каталитических субъединиц.
• В неактивном состоянии регуляторные субъединицы блокируют каталитические.
• Активация происходит при связывании цАМФ с регуляторными субъединицами, что приводит к их отделению и активации фермента.

Регуляция путём фосфорилирования/дефосфорилирования

• Киназы — ферменты, присоединяющие фосфатную группу к белкам (фосфорилирование).
• Фосфатазы — ферменты, удаляющие фосфатную группу (дефосфорилирование).
• Фосфорилирование может как активировать, так и инактивировать фермент в зависимости от его структуры.

Регуляция путём частичного протеолиза

• Фермент синтезируется в неактивной форме (профермент или зимоген), часто с суффиксом «-ген» (например, пепсиноген, трипсиноген).
• Активация происходит путём отщепления части полипептидной цепи уже в месте работы (например, в просвете желудка или кишечника).
• Пример: пищеварительные ферменты активируются в ЖКТ, чтобы не повреждать клетки, которые их производят.

  Задача: острый панкреатит и апротинин

  • При панкреатите проферменты поджелудочной железы (трипсиноген) активируются внутри органа, вызывая самопереваривание.
  • Апротинин — обратимый конкурентный ингибитор протеолитических ферментов (трипсина, химотрипсина). Связываясь с их активным центром, он останавливает разрушение ткани.
  • Трипсин — гидролаза, расщепляющая пептидные связи, образованные карбоксильными группами лизина и аргинина.

Энзимодиагностика

Энзимодиагностика — определение активности или концентрации ферментов в биологических жидкостях (чаще в крови) для диагностики повреждения органов.

Основной принцип: при повреждении клеток органа в кровь попадают специфичные для него ферменты (изоферменты).

• Изоферменты — ферменты, катализирующие одну и ту же реакцию, но различающиеся по строению (аминокислотной последовательности) и локализации в тканях.

Ключевые ферменты для диагностики

• Лактатдегидрогеназа (ЛДГ):
  • Олигомерный белок из 4 субъединиц двух типов: H (heart, сердце) и M (muscle, мышца).
  • Разные комбинации (H4, M4, H3M1 и т.д.) образуют изоферменты ЛДГ1-ЛДГ5, преобладающие в разных тканях.
  • Кофермент — НАД (производное витамина РР).
• Креатинкиназа (КК):
  • Олигомерный белок из 2 субъединиц: B (brain, мозг) и M (muscle, мышца).
  • Изоформы: КК-ВВ (мозг), КК-ММ (скелетные мышцы), КК-МВ (сердечная мышца).
• Аминотрансферазы (АЛТ, АСТ): маркеры повреждения печени, сердца.
• Панкреатическая амилаза: маркер повреждения поджелудочной железы.
• Кислая фосфатаза: маркер заболеваний предстательной железы.

Задача: диагностика инфаркта миокарда

• При инфаркте повреждаются кардиомиоциты, в кровь высвобождаются внутриклеточные ферменты и белки.
• Золотой стандарт диагностики — тропонин (особенно сердечные изоформы I и T).
• Преимущества тропонина перед КК и ЛДГ: повышается в крови уже через 2-6 часов, остаётся повышенным до 2 недель, обладает высокой специфичностью для сердца.
• Определение активности изоферментов (КК-МВ, ЛДГ1) также помогает в диагностике и оценке динамики заболевания.

Выводы

• Регуляция ферментов осуществляется сложными механизмами: ингибирование, аллостерическая регуляция, ковалентная модификация, частичный протеолиз.
• Эти механизмы лежат в основе действия многих лекарственных препаратов.
• Энзимодиагностика использует органоспецифичность изоферментов для выявления и мониторинга повреждений тканей (инфаркт миокарда, гепатит, панкреатит и др.).