Biokhimia_cheloveka_Marri_tom_1 (1123306), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Этот процесс можно представить таким образом: Фермент Роль иона металла Маскирование нуклеофнла Активация электрофила Гнстиднндеэамннаэа Кннаэы, лнаэы, пнруватдекарбокснлаэа Карбоангндраэа Кобамндные ферменты Связывание металла Быпряя стялия Активация нуклеофнла Металл действует как нуклеофил Удаление я-электронов Епх+ М(НвО)в — Епх — М(Н,О)в „+ ггНвО Пнруваткарбокснлаэа, карбокснпептндаэа„ алкогольдегндрогенаэа Негемовьге желеэопротенны Пнруваткннаэа, пнруваткарбоксилаэа, адени- латкинаэа Перестройка с образованием активной конформации (Епхе): Металл служит донором я-электронов Ион металла связывает лнганды н ориентирует нк друг относительно друга Индукцня напряженного со- стояния Мядляняяя Епх — М(НгО)в- — - Епхе — М(НэО)в „. В случае металлоферментов образование тройного комплекса с мостиковым металлом должно происходить путем присоединения субстрата к бинарному комплексу: Фосфотрансфераэа, 13-кснлоэонэомераэа, гемо- протенны М Епх-М + Е = Епх-М-ЗяяяЕпк а Ионы металлов могут участвовать в каждом из четырех известных типов механизмов, с помощью которых ферменты ускоряют химические реакции: 1) общий кислотно-основный катализ; 2) ковалентный катализ; 3) сближение реактантов; 4) индукцня напряжения в ферменте или субстрате.
Помимо ионов железа, которые функционируют в гемсодержащих белках, в ферментативном катализе чаще всего участвуют МВ'+„Мп'+ и Са'+, хотя в работе некоторых ферментов важную роль играют и другие ионы (напрнмер, К'). Ионы металлов, как и протоны, являются льюисовыми кислотами (электрофилами) н могут образовывать со своими лигандами Ь-связь за счет поделенной электронной пары. Ионы металлов можно рассматривать также как «сверхкислоты», поскольку они устойчивы в нейтральном растворе, часто несут положительный заряд (> 1) и способны к образованию я-связей. Кроме того (в отличие от протонов), металлы могут служить трехмерной матрнцей, ориентирующей основные группы фермента или субстрата.
Ионы металлов могут функционировать как акцепторы электронов с образованием б- нли я-связей, активируя электрофилы илн нуклеофилы (общий кислотно-основный катализ). Металлы могут активнровать нуклеофилы, отдавая электроны, или же сами действовать как нуувлеофильь Координационная сфе- ЛИТЕРАТУРА 4 !575 Роль металлов в катализе Тяблння 9Л. Примеры, иллюстрирующие роль ионов ме- таллов в мехвннме действия ферментов" Р Нэ работы М1!<Ьап А. 8.: Мега1в гп епгугпе санг!ув1в. Чо1. 2, р. 456 нп Еягугнег, Воуег Р.
1Э., 1вгбу Н., МугЬася К. (441гогв). Асвдепнс Ргевв. 1970, с изменениями. ра металла может обеспечивать контактирование фермента и субстрата (сближение) либо путем образования хелатов переводить фермент или субстрат в напряженное состояние. Ион металла может маскировать нуклеофил, предотвращая побочные реакции. Наконец, возможен стереохнмический контроль хода ферментативной реакции, который обеспечивается способностью координационной сферы металла играть роль трехмерной матрицы, удерживающей реагирующие группы в нужной пространственной ориентации (табл.
9.1). Сгане Р. Нудгог1шпопе г)еЬуг1гояепавев, Аппп. Вет. ВюсЬегп., 1977, 46, 439. Еегвйг А. Епхугпе Бтгпспгге аи$ МесЬап1вгп, 2пг! ей., Ргеешап, 1985. (Имеется перевод 1-го издания: Фершт Э. Структура н механизм действия ферментов.— М.: Мнр, 1980.) Кгаиг Х Яеппе рго1еавев: Вггпсгнге апд пгесЬап1вгп о 1 са!а! ув!в. Аппп. Вен. В!осЬегп., 1977, 46, 331. МЙЬап А.5. МесЬагпвгп о1' епхугпе ас6оп, Аппп. Вен. ВюСЬепг., 1974, 43, 357. Риггсй гУ.Х., !'егЦ Епхупге Гйпе6св апг1 гпесЬап!впгв. Раггв А апг1 В.
1гс МегЬог)в 1и Ецхутпо1ойу, Уо!. 63, 1979; Уо!. 64, 1980, Асж1епйс Ргевв. 1Ииинег М..г., Вове ЕА. МССЬан!вгпв о! епхугпе-саЫутед 8гопр ггапвуег геасбопв, Аппп. Вет. В1осЬепг., 1978, 47, 1031. 1г'оЫ гг.б., Вагг1еп К.Е. Вю6п епгупгев, Аппп. Кет. ВюсЬегп., 1977, 46, 385. Глава 10 Ферменты: регуляция активности Виктор Родуэлл ВВЕДЕНИЕ БИОМЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РЕГУЛЯЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА Гомеастиз В этой главе мы рассмотрим яа нескольких примерах механизмы регуляции метаболических процессов, в которых участвуют ферменты. При этом мы постараемся обрисовать общую картину регуляции.
В дальнейшем в этой книге мы не раз встретимся и со многими другими примерами, иллюстрирующими многообразие процессов регуляции метаболизма. Механизмы, посредством которых клетки и целые организмы координируют и регулируют весь набор метаболических процессов, представляют интерес для ученых, работающих в самых разных областях биомедицияских наук. Сюда можно отнести проблемы канцерогенеза, сердечно-сосудистых заболеваний, старения, физиологии микроорганизмов, дифференцировки, метаморфоза, действия гормонов и лекарственных препаратов. Во всех этих областях наблюдаются примеры нарушений регуляции работы ферментов, имеющие важное медицинское значение.
Например, изучение экспериментальных опухолей показывает, что во многих раковых клетках наблюдаются нарушения регуляции, приводящие к изменению пропорций при образовании ферментов (отсутствие их индукции нлн репрессии). Это подтверждает хорошо известное положение, согласно которому одним из фундаментальных признаков раковых клеток является нарушение системы генетического контроля. Или другой пример: некоторые онкогенные вирусы содержат ген, кодирующий тирозиновую протеинкиназу; когда эта киназа экспрессируется в клетках хозяина, она фосфорилирует многие белки и ферменты, которые в норме не фосфорилированы, что приводит к серьезным изменениям клеточного фенотипа.
Изменения подобного характера, по-видимому, лежат в основе целой категории клеточных трансформаций, вызываемых онкогенными вирусами. И наконец, последняя из упомянутых выше областей биомедицины, связанная с действием лекарств: здесь мы тоже обнаруживаем множество примеров, свидетельствующих о важности процессов регуляции работы ферментов. В частности, известно, что введение некоторых лекарств приводит к усилению синтеза ряда ферментов (эти лекарства действуют как индукторы ферментов). Например, фенобарбитал приводит к значительному (в 3— 5 раз) увеличению содержания микросомного фермента цитохрома Р-450, который играет центральную роль в метаболизме самого фенобарбитала и многих других лекарственных препаратов.
Один из таких препаратов — варфария. препятствующий свертыванию крови, Если больной принимает варфарин, а затем ему назначают фенобарбитал, то доза варфарина должна быть существенно увеличена, чтобы компенсировать его разрушение под действием индуцированного цнтохрома Р-45О. Иядукция ферментов †э один из важных биохимических механизмов взаимообусловленного действия лекарств, когда прием одного препарата сопровождается значительным изменением в метаболизме другого, Представление о гомеостатической регуляции внутренней среды было введено Клодом Бернаром в конце Х1Х в. Эта способность животного поддер. живать постоянным состав внутриклеточной среды означает, что все необходимые ферментатнвные реакции протекают со скоростями, соответствующими изменениям внутренней среды организма и его окружения.
Клетку или организм можно считать больными, если они неадекватно реагируют на внутреннее или внешнее воздействие. Чтобы понять механизмы гомеостаза нормальных клеток и выяснить молекулярные основы различных заболеваний„важно представить, от каких факторов зависят скорости ферментативных реакций.
Фермеитьи регуляция актиеиоети Все химические реакции, в том числе и ферментативные, до некоторой степени обратимы '. Однако внутри живых клеток такой обратимости может и не быть, поскольку продукты реакции быстро удаляются в результате других ферментативных реакций. Поток метаболитов в живых клетках можно уподобить течению воды по водопроводной трубе.
Хотя вода может течь по трубе в обе стороны, на практике она течет всегда в одном направлении. Поток метаболитов в клетках тоже в основном является однонаправленным. Истинное равновесие, совершенно нехарактерное для живых существ, устанавливается лишь после гибели клеток. Живая клетка — это динамическая стационарная система, в которой поддерживается однонаправленный поток метаболитов (рис. 10.1). В зрелых клетках средние концентрации метаболитов в течение длительного периода времени остаются примерно постоянными'. Гибкость стационарной системы обеспечивается всевозможными подстроечными и компенсационными процессами,с помощью которых организмподдерживает постоянство внутренней среды, несмотря на разнообразие диеты, различия в количестве потребляемой жидкости и поступающих минеральных веществ, объеме выполняемой работы и температуре окружающей среды.
Общая картина регуляции метаболизма Для нормального функционирования организма должна осуществляться точная регуляция потока метаболитов по анаболическим и катаболическим путям. Все сопутствующие химические процессы должны протекать со скоростями, отвечающими требованиям организма как целого в условиях окружающей среды. Генерация АТР, синтез макромолекул, транспорт, секреция, реабсорбция в почечных канальцах должны чутко реагировать на самые небольшие изменения в окружении, в котором находится клетка, орган, животное.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
