[Ензими] Ензими Цел

При топлокръвните организми като човека, поддържащи постоянна телесна температура, промените в скоростта на ензимните реакции са без особено значение освен при хипотермия или треска. При животни, които не поддържат постоянна телесна температура, промените в скоростта на ензимните реакции е важна особеност, позволяваща оцеляването им.

4.2.10 Приложение на познанията в медицината

4.2.10.1 Промени в K_m и V_max за ензима ФРФФ синтетазата при случаи на подагра

Подаграта е хетерогенна група от заболявания, възникващи по различни причини, но обединени от увеличеното образуване на пикочна киселина в организма във всички случаи. Поради ниска разтворимост, пикочната киселина се отлага най-често в стави, но и в други тъкани, което е изключително болезнено.

Един от дефектните ензими, които са причина за усилено образуване на пикочна киселина, е фосфорибозилпирофосфат синтетаза (фиг. 4-20). Този регулаторен ензим от синтезата на пуринови нуклеотиди по т.н. път "синтеза de novo " е с аномално висока активност и това води до засилване на тяхната синтеза. При разграждането им като краен продукт в човека се образува повече пикочна киселина (урат).

Тази висока активност на ФРФФ синтетазата се дължи на мутации в гена за този ензим. Променената вследствие на мутации първична структура води до промени в конформацията и активността на ензима, отразени в промени на кинетичните параметри. В едни пациенти промените водят до снижена K_m за субстрата рибозо-5-фосфат, а в други пациенти - до повишена V_max[8].

Други нарушения в обмяната на пуринови нуклеотиди, водещи до подагра, са разгледани в т. 4.3.8.1.

и т. 4.4.6. - фиг. 4-40.

Фиг. 4-20. Опростена схема на обмяната на пуринови нуклеотиди (de novo синтеза и разграждане), обясняваща ролята на ФРФФ синтетазата за натрупване на пикочна киселина и развитие на подагра.

4.2.10.2 Променен рН оптимум на алкохол дехидрогеназа и повишена K_m на ацеталдехид дехидрогеназа при азиатци с повишена чувствителност към етанол

Азиатците са необикновено чувствителни към алкохол (по-лесно се опиват) и биохимичното обяснение се свежда до промени в ензимите, които метаболират алкохола.

Под действие на алкохол дехидрогеназа алкохолът се превръща в ацеталдехид, който всъщност предизвиква вазодилатация, зачервяване на лицето, ускорена сърдечна дейност (тахикардия). Ацеталдехидът се отстранява от ацеталдехид дехидрогеназа, която го окислява до ацетат (фиг. 4-21).

Алкохол дехидрогеназата има три полипептидни вериги ( , , ), кодирани от различни гени. В участъка, кодиращ -веригата, са открити три алели, и съответно известни са три типа -вериги: ₁, ₂ и ₃ с рН оптимуми 10, 8.5 и 7.0 [9]. Причината са точкови мутации в два важни остатъка: Арг47 и Арг369, които в ₁-веригата задържат с йонни връзки получаващия се НАДН и забавят отделянето му. В ₂-веригата Арг47 е заменен с Хис, а в ₃-веригата Арг369 е заменен с Цис (табл. 4-5). Хис и Цис имат по-ниски рК стойности и това измества рН оптимума към по-физиологични стойности. Улеснява се отделянето на НАДН, т.е. увеличава се активността на алкохол дехидрогеназата и след поемане на алкохол той бързо и лесно се окислява до вредния ацеталдехид.

Освен увеличена активност на алкохол дехидрогеназата, в азиатци е налице и забавено окисление на ацеталдехида [10]. Липсата на митохондрийна ацеталдехид дехидрогеназа с ниска К_m е една от причините за по-високо ниво на ацеталдехид след поемане на алкохол (табл. 4-6).

При тях има само цитоплазмена ацеталдехид дехидрогеназа с висока К_m. Наред с увеличената активност на алкохол дехидрогеназата това обяснява по-лесното опиване при азиатци.

За запазване на хомеостазата организмите регулират ензимната активност чрез:

Голяма част от съвременните фармацевтични средства действат като инхибитори на ензимното действие. Инхибиторите биват необратими и обратими. Необратимите инхибитори, сред които има силно действащи отрови, трайно снижават или прекратяват ензимната активност. Обратимите инхибитори биват конкурентни и неконкурентни.

Конкурентните инхибитори са структурни аналози на субстрати или на коензими. Тези инхибитори се свързват с групи от активния център на ензима. Инхибиторът взаимодейства само със свободен ензим. Ефектът на инхибиране зависи от съотношението в концентрациите на субстрата и инхибитора.
Голяма група антивирусни, антибактериални и антитуморни лекарствени средства, наречени антиметаболити, спадат към конкурентните инхибитори. Разгледани са следните антиметаболити: аналози на пуринови и пиримидинови бази, антибиотикът пуромицин; ацикловир и ациклогуанозин; сулфонамиди; метотрексат; алопуринол.

Неконкурентните инхибитори се свързват с групи извън активния център на ензима. Ефектът на инхибиране зависи само от концентрацията на инхибитора. Инхибиторът взаимодейства както със свободен ензим, така и с ензим-субстратен комплекс.

Ролята на ензимни активатори се изпълнява от други ензими, или от междинни метаболити, или от метални йони.

Протеазите, необходими за процесите на храносмилане, кръвосъсирване и разтваряне на кръвни съсиреци, се синтезират като неактивни предшественици. Превръщат се в активни ензими чрез необратимо протеолитично откъсване на един или повече пептиди от веригата на преензима. При това се отблокират важни групи, необходими за формиране на активния център.

Алостеричното инхибиране спада към неконкурентното инхибиране. Тъй като има и алостерично активиране, по-общо се говори за алостерично повлияване. Алостеричните ефектори се свързват в специфични алостерични центрове, извън активния център. Това предизвиква конформационна промяна, която повлиява и ензимната активност. Обикновено алостерични ефектори са крайните продукти в синтезните вериги. Те повлияват или първия специфичен за веригата ензим или скорост-определящия ензим, или и двата, ако те не съвпадат.

Интересен е примерът с пациент, страдащ от подагра поради мутация, засягаща алостеричния център на един от регулаторните ензими от синтезната верига на пуринови нуклеотиди. Липсата на такъв център не позволява на ензима да "усети" натрупването на крайните продукти. Синтезата на пуриновите нуклеотиди се извършва непрекъснато, без спиране. А това създава условия за превръщането им в пикочна киселина. Като пример е описана и възможността за лечене на оротатемия чрез крайните продукти в синтезната верига на пиримидинови нуклеотиди, които инхибират началните регулаторни ензими.

Обратимото ковалентно фосфорилиране-дефосфорилиране е широко използван и много важен механизъм за регулиране на ензимната активност. В много регулаторни ензими има специфични серинови и треонинови остатъци, които под действие на протеин кинази се фосфорилират, а под действие на фосфатази се дефосфорилират. Някои ензими са активни във фосфорилираната си форма (напр. гликоген фосфорилаза), а други в дефосфорилираната (напр. гликоген синтаза).
Така се повлиява активирането на наличен ензим. Много рецептори за хормони и растежни фактори имат тирозин киназна или автотирозин киназна активност. Фосфорилират се тирозинови остатъци в самия рецептор и в други цитоплазмени ензимни и неензимни белтъци. Това фосфорилиране на свой ред активира различни каскади, като освен метаболизма, се повлиява и генната експресия, т.е. синтезата на нов ензим.

4.3.2 Въведение

Независимо от промените във външното обкръжение, организмите запазват постоянство във вътреклетъчната среда благодарение на възможността за регулиране на ензимното действие. Това става чрез:
1) промени в абсолютното количество ензим като се индуцира или репресира неговата синтеза (виж гл. 15). Скоростта на разграждане на ензимната молекула също може да бъде контролирана.

2) промени в активността на налични ензими - посредством ефектори (инхибитори и активатори) и чрез обратимо ковалентно модифицане, най-често фосфорилиране-дефосфорилиране.

Ензимната активност може да бъде повлиявана in vivo от присъствието на инхибитори или активатори. Изследванията с ензимни инхибитори in vitro са допринесли за изясняване механизма на действието на различни ензими, за идентифициране на групи в активни центрове, за изучаване на метаболитни пътища, за изясняване токсичното или лечебно действие на различни вещества, за осветляване на различни аспекти от въпроси върху растеж, развитие, стареене, рак, инфаркт, действие на хормони.

Голяма част от съвременните фармацевтични средства представляват ензимни инхибитори, действащи по различни механизми. Бактериални и вирусни инфекции се лекуват почти изключително с лекарства, които инхибират активността на ензими от бактериите и вирусите.

Инхибиторите биват необратими и обратими.

4.3.3 Необратимо инхибиране на ензимната активност

Като необратими инхибитори действат вещества, които блокират трайно и необратимо определена група в активния център на различни ензими, предоставена от апоензима или коензима - виж табл. 4-7. Повечето от тях са силно действащи отрови и изясняването на механизма на действие има значение за токсикологията.

Табл. 4-7. Примери за необратими инхибитори.

Обратимите инхибитори биват конкурентни, неконкурентни и аконкурентни. Последните не са предмет на този курс.

			Фиг. 4-22-1. Конкурентно инхибиране. Инхибиторът реагира само със свободен ензим. Получават се ЕS и EI комплекси.
		Фиг. 4-22-2. Неконкурентно инхибиране. Инхибиторът реагира и със свободен ензим, и с ЕS. Получават се ЕI, ES и ESI комплекси.
	Фиг. 4-23. Пример за конкурентно инхибиране. Малонат, като конкурентен инхибитор на сукцинат, инхибира сукцинатдехидрогеназата. Чрез двете карбоксилни групи малонат се свързва с активния център на ензима, но тъй като няма две съседни метиленови групи, не може да бъде дехидрогениран.

4.3.5 Антиметаболитите - конкурентни инхибитори по отношение на субстрати или кофактори на ензимите

Съвременната лекарствена терапия се основава на познанията за инхибиране на ензимното действие.
Лекарствата (антивирусни, антибактериални, антитуморни) се синтезират целенасочено с оглед инхибирането на определен ензим в определен метаболитен път, като стремежът е те да са с ограничена токсичност за пациента. Токсичността трудно може да се избегне, тъй като, с изключение на биосинтезата на клетъчната стена в бактерии, малко са метаболитните пътища, уникални за тумори, вируси или бактерии. Затова лекарствата, които убиват тези организми, са вредни и за клетките на човека и това трябва да се отчита при дозирането и времеприлагането.

Но при всички тези случаи се разчита на по-високата чувствителност на микроорганизмите или на туморните клетки към антиметаболитите в сравнение с тази на макроорганизма . По-високата чувствителност може да се дължи на това, че:

В глава 3 са разгледани аналози на пуринови и пиримидинови бази като 6-меркаптопурин, 5-флуорурацил, които наред с много други, прекратяват синтезата на нуклеиновите киселини в микроорганизми или тумори (т.3.11.1, фиг. 3-26).

Антибиотикът пуромицин е структурен аналог на естерифицирания с аминокиселина 3'-край на Тир-тРНК и инхибира белтъчната биосинтеза в микроорганизми (фиг. 4-24).

Фиг. 4-24. Пуромицин - структурен аналог на Тир-тРНК, инхибитор на белтъчната биосинтеза.

Фиг. 4-25. Примери за антиметаболити, използвани в терапията на СПИН - ацикловир или ациклогуанозин (пуринов аналог) и 3'-азидо-3'-дезокситимидин (AZT).