Ксенобиотики – регуляторы активности ферментов

Активаторы ферментов – это вещества 1) формирующие активный центр фермента (Co²⁺,Mg²⁺, Zn²⁺, Fe²⁺, Са²⁺); 2) облегчающие образование фермент-субстратного комплекса (Мg²⁺); 3) восстанавливающие SH-группы (глутатион, цистеин, меркаптоэтанол); 4) стабилизирующие нативную структуру белка-фермента. Активируют ферментативные реакции обычно катионы (в таблице Менделеева с 19 по 30). Анионы менее активны, хотя ионы хлора и анионы некоторых других галогенов могут активировать пепсин, амилазу, аденилатциклазу. Активаторами могут быть белки: апопротеин А-I (ЛХАТ), апопротеин С-II (ЛПЛ).

Ингибиторы ферментов – это соединения, которые, взаимодействуя с ферментом, препятствуют образованию нормального фермент-субстратного комплекса, уменьшая тем самым скорость реакции или прекращая ее. Ингибиторы делят на две группы: 1) неспецифические,вызывающие денатурацию белка-фермента (соли тяжелых металлов, кислоты, щелочи и др.). Их действие не связано с механизмами ферментативного катализа. 2) Специфические, действие которых связано с механизмами ферментативного катализа.

По типу ингибирования различают необратимое и обратимое ингибирование. При необратимом ингибировании происходит непрерывная модификация молекул фермента, в результате чего фермент частично или полностью теряет свою активность. Сюда относят ингибиторы, которые прочно и необратимо связывают функциональные группы активного центра или стойко изменяют валентность металла в активном центре: 1) ингибиторы металлосодержащих ферментов (HCN, KCN, CO, NaN₃) – дыхательные яды, т.к. стойко меняют валентность Fe и Cu, препятствуя переносу электронов; 2) вещества, связывающие SH-группы (монойодацетат, соединения ртути и мышьяка); 3) вещества, связывающие ОН-группы серина в активном центре (фосфорорганические соединения, например, диизопропилфторфосфат). Обратимое ингибирование поддается количественному изучению на основе кинетики Михаэлиса-Ментен. Обратимые ингибиторы делят на конкурентные и неконкурентные.

Конкурентный ингибитор – это молекула, настолько похожая по своей структуре на молекулу субстрата, что фермент не может различить их. В результате связывания конкурентного ингибитора с активным центром фермента падает концентрация истинных фермент-субстратных комплексов и скорость реакции. Ингибитор в продукт не превращается. Конкурентные ингибиторы увеличивают Кm реакции, но не влияют на Vmax. Напомним, что Кm – концентрация субстрата, при которой скорость реакции равна половине максимальной (Vmax). Роль ингибитора, поскольку он конкурирует с субстратом за активный центр, сводится фактически к «разбавлению» субстрата. Следовательно, для достижения скорости реакции, равной половине Vmax, требуется теперь большая концентрация субстрата. Так как путем увеличения количества субстрата можно нейтрализовать действие ингибитора, Vmax не меняется.

Неконкурентный ингибитор – это молекула, связывающаяся с неактивным центром фермента. Обратимые неконкурентные ингибиторы понижают Vmax, но поскольку ингибиторы этого типа не мешают связыванию субстрата с активным центром фермента, величина Кm не меняется. Механизм ингибирования состоит в снижении скорости, с которой субстрат в составе фермент-субстратного комплекса превращается в продукт. Поэтому при неконкурентном ингибировании уменьшается лишь величина Vmax.

Для медицинской и валеологической практики важно представление об антиметаболитах, которые являются конкурентными ингибиторами природных субстратов (точнее, ферментов, превращающих эти субстраты). Сульфаниламидные препараты вытесняют парааминобензойную кислоту из фермент-субстратного комплекса, что тормозит образование фолиевой кислоты и подавляет жизнедеятельность бактерий.

Структурно-функциональная организация мембран

И ксенобиотики

Мембраны – это высокоорганизованные структуры, отграничивающие внутреннее пространство клетки или ее отсеков, построенные из белков и липидов.

Мембраны выполняют следующие функции:1) отделяют клетки от окружающей среды. Обладают избирательной проницаемостью, содержат специфические транспортные системы. Внутренние мембраны клеток ограничивают органеллы и формируют обособленные внутриклеточные отсеки – компартменты. Они обеспечивают функциональную специализацию клетки. 2) Играют центральную роль в системе межклеточных взаимодействий. В них располагаются рецепторы, воспринимающие химические, физические и другие внешние сигналы. Некоторые мембраны сами способны генерировать сигнал (химический или электрический). 3) Участвуют в процессах превращения энергии (фотосинтез, окислительное фосфорилирование).

Все мембраны обладают общими свойствами:1) это плоская структура толщиной в 2–3 молекулы, образующая сплошную перегородку. 2) Состоят из липидов и белков в соотношении от 1:4 до 4:1. Имеются также углеводы, связанные с липидами и белками. 3) Липиды мембран – это относительно небольшие молекулы, имеющие гидрофобные и гидрофильные группы. 4) Белки мембран выполняют роль насосов, клапанов, рецепторов, ферментов и преобразователей энергии. Белки мембран встроены в липидный бислой. 5) Представляют собой нековалентные надмолекулярные структуры. Белки и липиды в них удерживаются вместе множеством нековалентных взаимодействий (кооперативных по характеру). 6) Асимметричны в структурном и функциональном отношениях (так углеводы локализуются всегда снаружи и их нет на внутренней стороне мембраны; направление перемещения ионов через мембрану и др.). 7) Являются динамичными структурами. Входящие в их состав белки и липиды могут двигаться в плоскости мембраны (латеральная диффузия). Однако переход белков и липидов с одной стороны мембраны на другую (поперечная диффузия, fliр-floр-перескок) происходит крайне медленно.

В состав мембран входят липиды и белки. Липиды представлены фосфолипидами и холестерином, имеющими гидрофобные и гидрофильные группы. В мембранах находят гликолипиды. В водных растворителях фосфолипиды самоорганизуются в мицеллы, затем образуют плоский би-слой и везикулы. Везикулы, состоящие из фосфолипидного бислоя называют липосомами; везикулы с включением белков – протеолипосомами. Функции липидной части мембраны: 1) является растворителем для интегральных белков мембраны. 2) Представляет барьер проницаемости для полярных молекул. Гидрофобные жирорастворимые вещества легко проходят через липидный бислой. Малые молекулы газов – кислород, двуокись углерода и азот легко диффундируют через гидрофобную область мембраны. 3) Обеспечивает ее жидкостность или текучесть. Жидкостность определяется степенью насыщенности жирных кислот в фосфолипидах и наличием холестерина. Текучесть понижается при повышении насыщенности жирных кислот и увеличении содержания холестерина. От текучести мембраны зависят такие ее функции, как транспорт веществ через мембрану, взаимодействие рецепторов с лигандами. Основой старения организма и атеросклероза является понижение жидкостности мембран.

Белки мембран встроены в липидный бислой. Различают внешние(периферические) белки, непрочно связанные с поверхностью мембраны; внутренние(интегральные) белки, погруженные внутрь мембраны гидрофобными радикалами аминокислот; прошивающие белки, пронизывающие мембрану насквозь. Периферические и частично интегральные белки связаны с углеводами и являются рецепторами. Число белков варьирует от 6–8 видов в мембранах саркоплазматического ретикулума, до 100 видов в плазматической мембране.

Молекулярная организация мембран. Существует несколько моделей, описывающих молекулярную организацию мембран. Первую «жидкостно-мозаичную» модель строения мембраны предложили Сингер и Никольсон (1972). Мембрана представляет собой липидный бислой, в ко-тором расположены глобулярные белки. Каждая молекула липидов расположена так, что ее неполярная углеводородная часть («хвосты», их всегда два) направлены внутрь бислоя, а полярные головки находятся на поверхности, контактируя с молекулами воды. По этой модели мембрана представляет собой динамическую систему, в которой молекулы белка относительно свободно «плавают в липидном море в виде айсбергов». Прямые измерения показали, что белки движутся в сотни раз медленнее из-за переплетения углеводных цепей на поверхности мембраны (гликокаликс). Кроме того компоненты мембраны с внутренней стороны связаны с системой белков цитокаркаса. Второй моделью является решетчато-мозаичная модель, по которой мембрана – это липидный бислой, включающий молекулы белков, заключенных в ажурный каркас. Молекулы белков, которые связаны с цитокаркасом, малоподвижны; те же белки, которые с цитокаркасом не связаны, могут относительно свободно перемещаться в плоскости мембраны. Так, в мембране эритроцитов интегральный анионпереносящий белок связан с белками цитокаркаса – спектрином, анкирином. При гемолизе эти связи нарушаются.

Трансмембранный перенос – это первый этап взаимодействия организма с ксенобиотиком. Различают 4 способа переноса вещества через мембрану:

1. Простая диффузия – это перенос небольших нейтральных молекул по градиенту концентрации без затраты энергии, нетребующий переносчиков. Легко проходят через мембрану вещества, растворимые в липидах.

2. При облегченной диффузии перенос вещества осуществляется по градиенту концентрации и не требуется затрат энергии, но используется переносчик. Характерна для водорастворимых веществ. По принципу действия мембранные переносчики делят на 2 типа: 1) переносчиками I типа являются молекулы, которые транспортируют вещество с одной стороны мембраны на другую и затем возвращаются назад; 2) переносчики II типа встроены в мембрану и изменяют свою конформацию по механизму «пинг-понг». В состоянии «понг» белок открыт на стороне высокой концентрации переносимого вещества и связывает его вещество. Затем происходит изменение конформации («пинг») и белок со связанным веществом открывается на сторону с низкой концентрацией переносимого вещества. Процесс обратим. Суммарный поток определяется концентрационным градиентом. Этот тип диффузии преобладает в обмене веществ в клетке. Облегченная диффузия отличается от простой большей скоростью переноса и способностью к насыщению. Некоторые вещества способны создавать искусственные каналы в мембранах, через которые могут проходить макромолекулы (антибиотик грамицидин, дифтерийный токсин, краун эфиры).

3. Активный транспорт – транспорт веществ против градиента концентрации (незаряженные частицы) или электрохимического градиента (для заряженных частиц), требующий затрат энергии. При нарушении снабжения АТФ активный транспорт останавливается. Выделяют два вида: 1) первичный активный транспорт, использующий энергию АТФ или окислительно-восстановительного потенциала; 2) вторичный активный транспорт, использующий градиент ионов (Н⁺, К⁺, Na⁺ и др.), созданный на мембране за счет работы системы первичного активного транспорта. Примером первичного активного транспорта является транспорт К⁺ и Nа⁺ при участии Nа⁺, К⁺ -АТФазы. Известно, что Na⁺ – это внеклеточный катион,
а К⁺ – внутриклеточный катион. Nа⁺, К⁺ -АТФазы обеспечивают выведение 3 ионов Na⁺ из клетки в обмен на введение в клетку двух ионов К⁺ против градиента концентрации с затратой 1 молекулы АТФ. Неравнозначный перенос заряженных ионов (частиц) через мембрану вызывает ее поляризацию: появление «+» снаружи и «-» изнутри, поэтому Nа⁺, К⁺-насос называют элекрогенным. Создаваемый градиент Nа⁺ используется для вторичного активного транспорта глюкозы в клетки. Например, рассмотрим всасывание глюкозы из просвета кишечника:

· переносчик глюкозы обеспечивает транспорт глюкозы в цитозоль энтероцита за счет входа в клетку ионов Na⁺ под действием электрохимического градиента (концентрация Na⁺ высокая в просвете кишечника и низкая в цитозоле клеток);

· глюкоза из клетки переходит во внеклеточную жидкость по механизму облегченной диффузии. Скорость переноса глюкозы зависит от величины градиента Na⁺: она увеличивается при повышении разности концентраций Na⁺ в просвете кишечника и цитозоле энтероцита;.

· Na⁺, К⁺-АТФаза поддерживает эту разность концентраций Na⁺ за счет его откачки в межклеточное пространство в обмен на К⁺ с затратой АТФ.

Согласованный перенос двух веществ называют котранспортом: при симпорте имеет место перенос обоих веществ в одном направлении, а при антипорте – в противоположных направлениях.

4. Везикулярный транспорт обеспечивает перенос крупных молекул и частиц через клеточную мембрану. Эндоцитоз – перенос внутрь клетки. Экзоцитоз – перенос из клетки во внешнюю среду (различные виды секреции). Эндоцитоз делят на два типа: фагоцитоз (поглощение частиц макрофагами и гранулоцитами) и пиноцитоз (поглощение жидкостей и растворенных компонентов любыми клетками). Пиноцитоз бывает неизбирательный и селективный рецепторно-опосредованный. Вещества, высвобождаемые путем экзоцитоза, делят на три группы:

· вещества, связывающиеся с клеточной поверхностью как периферические белки – антигены;

· вещества, включающиеся во внеклеточный матрикс – коллаген, гликозамингликаны;

· вещества, входящие во внеклеточную среду как сигнальные молекулы (инсулин, катехоламины, паратгормон) или ферменты (экзокринные железы, эктоферменты).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: