Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 1 (страница 53)

Ингибиторы этого рода не родственны по своей структуре субстрату данного фермента; в образовании комплекса с ингибитором участвует в этом случае не активный центр фермента, а какая-нибудь другая часть его молекулы (рис. 6.16). Образование комплекса влечет за собой изменение глобулярной структуры фермента, и, хотя настоящий субстрат при этом к ферменту все же присоединяется, катализ тем не менее оказывается невозможным. В качестве примера можно привести цианид. Он связывается с ионами металлов, выполняющими у некоторых ферментов роль простетической группы (в частности, с ионами меди цитохромоксидазы), и подавляет активность этих ферментов. С повышением концентрации ингибитора скорость ферментативной реакции все более снижается. К моменту насыщения ингибитором она оказывается практически равной нулю.

Рис. 6.16. Проявление неконкурентного ингибирования. А. Нормальная реакция. Б. Неконкурентное ингибирование

6.5.2. Необратимое ингибирование

Рис. 6.17. Необратимое ингибирование фермента йодуксусной кислотой

Некоторые ферменты полностью ингибируются очень малыми концентрациями ионов тяжелых металлов, например ионов ртути (Hg²⁺), серебра (Ag⁺) и мышьяка (As⁺), или йодуксусной кислотой. Эти вещества необратимо соединяются с сульфгидрильными группами (-SH) и вызывают осаждение ферментного белка.

6.5. Как повышение концентрации субстрата должно повлиять на скорость реакции между ингибитором этого типа и субстратом?

Диизопропилфторфосфат (ДФФ) — соединение из группы нервнопаралитических отравляющих веществ — образует фермент — ингибиторный комплекс, связываясь с остатком аминокислоты серина, находящимся в активном центре фермента ацетилхолинэстеразы. Этот фермент инактивирует ацетилхолин, играющий роль нейромедиатора. Одна из функций ацетилхолина заключается в обеспечении передачи нервного импульса от одного нейрона к другому через синаптическую щель (разд. 16.1). Почти сразу после передачи очередного импульса ацетилхолинэстераза инактивирует ацетилхолин, расщепляя его на холин и уксусную кислоту. Освободившийся нейрон готов к передаче следующего импульса. Если ацетилхолинэстераза ингибирована, то ацетилхолин накапливается, нервные импульсы следуют один за другим и мышца длительное время не расслабляется. В конце концов наступает паралич или смерть. Некоторые из применяемых в настоящее время инсектицидов (например, паратион) оказывают такое же действие на насекомых.

6.6. Аллостерические ферменты

Аллостерическими называют ферменты, активность которых регулируется не их субстратами, а другими веществами, присоединяющимися к ферментам в особых участках, удаленных от их активного центра. Эти вещества влияют на активность фермента, вызывая обратимое изменение в структуре его активного центра. Называются такие вещества аллостерическими эффекторами. В зависимости от характера влияния, которое они оказывают, увеличивая или уменьшая сродство фермента к субстрату, эффекторы подразделяются на аллостерические активаторы (ускоряющие реакцию) и аллостерические ингибиторы (тормозящие реакцию). Примером аллостерического фермента может служить фосфофруктокиназа, катализирующая фосфорилирование фруктозо-6-фосфата с образованием фруктозо-1,6-бисфосфата. Эта реакция протекает во время гликолиза, составляющего одну из стадий процесса дыхания. АТФ, если его концентрация высока, аллостерически ингибирует фосфофруктокиназу. Когда же клеточный метаболизм усиливается, а значит, расходуется АТФ и его общая концентрация падает, данный метаболический путь снова вступает в действие (рис. 6.18 и 6.19).

Рис. 6.18. Возможный механизм аллостерического воздействия АТФ на фосфофруктокиназу. (По D. Harrison (1975), Patterns in Biology, Arnold.)

Рис. 6.19. Схема, поясняющая, как работает аллостерический фермент

6.6.1. Ингибирование конечным продуктом (ингибирование по принципу отрицательной обратной связи — ретроингибирование)

Когда конечный продукт какого-либо метаболического пути начинает накапливаться, он может действовать как аллостерический ингибитор на фермент, контролирующий первый этап этого пути. При этом снижается сродство данного фермента к его субстрату и соответственно уменьшается или вовсе приостанавливается дальнейшее образование самого конечного продукта. Это явление — ингибирование конечным продуктом (рис. 6.20) — представляет собой пример механизма, регулирующего один из аспектов метаболической активности по принципу отрицательной обратной связи (разд. 18.1).

Рис. 6.20. Ингибирование конечным продуктом. Специфические ферменты, катализирующие отдельные этапы данного метаболического пути, обозначены буквами e₁-e₄

6.7. Регуляция метаболизма

В типичной клетке содержится свыше 500 различных ферментов. Их активность и концентрация все время колеблются. Как же в таком случае осуществляется регулирование и как достигается согласованность всего процесса метаболизма? Ответ на этот вопрос следует искать в специфичности действия ферментов, в их пространственной организации и в их функциональном взаимодействии с другими клеточными компонентами. В клетке существует два типа метаболических путей, на которых четко прослеживаются перечисленные особенности: линейные и разветвленные метаболические пути.

6.7.1. Линейный метаболический путь

Некоторые ферменты действуют организованно, будучи объединены друг с другом в мультиферментные комплексы. Обычно такие ферменты связаны с мембранами (рис. 6.21, А). Линейное расположение ферментов создает возможность для саморегуляции путем ингибирования по принципу отрицательной обратной связи, так что скорость данного метаболического пути регулируется концентрацией его конечного продукта. Такая тесная связь, кроме того, снижает до минимума воздействия других реакций. Каждый фермент взаимосвязан с соседними: продукт одного из них становится субстратом следующего фермента в цепи и так продолжается до тех пор, пока процесс не завершится образованием конечного продукта.

Рис. 6.21. Мультиферментные системы. А. Мультиферментная система, связанная с мембраной. Б. Диссоциированная мультиферментная система, продуктами которой в зависимости от условий в клетке могут быть В, С, D и Е

6.7.2. Разветвленный метаболический путь

Такой путь может привести к разным конечным продуктам. Какой именно из них образуется, зависит от условий, существующих в клетке в данный момент (рис. 6.21, Б). Ингибирование по принципу обратной связи участвует в регулировании образования конечного продукта. Здесь также действуют мультиферментные системы, однако ферменты находятся в растворе и тесно друг с другом не связаны.

6.6. Ниже изображена мультиферментная система:

а) Известно, что е₁ специфичен для А и что конечный продукт X ингибирует e₁. Зная это, что можно сказать о том, в каких участках молекулы фермента связываются А и X?

б) Как может избыток X регулировать данный метаболический путь?

в) Как называется тип регуляции, действующей в этой системе?

г) Почему на любом метаболическом пути должно действовать несколько ферментов?

6.7. Перечислите характерные свойства ферментов.

Таблица 6.2. Некоторые примеры использования ферментов в промышленности[21]

6.8. Классификация ферментов

В 1961 г. специальной комиссией Международного биохимического союза была предложена систематическая номенклатура ферментов. Ферменты были подразделены на шесть групп в соответствии с общим типом реакции, которую они катализируют. Каждый фермент получил систематическое наименование, точно описывающее катализируемую им реакцию. Однако, поскольку многие из этих систематических названий оказались очень длинными и сложными, каждому ферменту было присвоено также и "тривиальное", рабочее название, предназначенное для повседневного употребления. Рабочее название состоит из названия субстрата, на который действует данный фермент, указания на тип катализируемой реакции и окончания "-аза". (Пример: рибулозобисфосфаткарбоксилаза; здесь субстрат-рибулозобисфосфат (+ СО₂), а тип реакции — карбоксилирование (добавление СО₂). Классификация ферментов по группам приведена в табл. 6.3.)

Таблица 6.3. Классификация ферментов[22]

Глава 7. Клетки

Клетки — это структурные и функциональные единицы живых организмов. Подобное представление, известное как клеточная теория, сложилось постепенно в XIX в. в результате микроскопических исследований. Наука, занимающаяся микроскопическим изучением клетки, называлась в то время цитологией. Позже, в конце XIX в., а затем уже в XX в., изучение клеток приобрело в значительной мере экспериментальный характер, и теперь существует целая большая отрасль науки, именуемая биологией клетки, которая использует самые разнообразные методы для того, чтобы постичь жизнедеятельность организмов на клеточном уровне. Подобно биохимикам, клеточные биологи часто исследуют фундаментальные процессы, а потому биология клетки, так же как и биохимия, является в биологии объединяющим предметом. Некоторые наиболее важные события, определившие собой развитие биологии клетки, перечислены в табл. 7.1.

Можно вполне убедительно обосновать клеточную основу жизни. Клетка, по существу, представляет собой самовоспроизводящуюся химическую систему. Для того чтобы поддерживать в себе необходимую концентрацию химических веществ, эта система должна быть физически отделена от своего окружения, и вместе с тем она должна обладать способностью к обмену с этим окружением, т. е. способностью поглощать те вещества, которые требуются ей в качестве "сырья", и выводить наружу накапливающиеся "отходы". Таким путем, т. е., выполняя работу, эта система может сохранять стабильность (гомеостаз; гл. 18). Роль барьера между данной химической системой и ее окружением играет плазматическая мембрана; она помогает регулировать обмен между внутренней и внешней средой и, таким образом, служит границей клетки.