Ағзада болатын барлық биохимиялық реакциялар реттеуші ферменттерге белсендіру немесе тежеу әсері арқылы жүзеге асырылатын арнайы бақылауға жатады. Соңғылары әдетте метаболикалық өзгерістер тізбегінің басында орналасады және не көп сатылы процесті бастайды, не оны бәсеңдетеді. Кейбір жеке реакциялар да реттеуге жатады. Бәсекелестік тежеу - ферменттердің каталитикалық белсенділігін бақылаудың негізгі механизмдерінің бірі.
Тежеу дегеніміз не?
Ферменттік катализ механизмі ферменттің белсенді аймағын субстрат молекуласымен (ES кешені) байланыстыруға негізделген, нәтижесінде өнімнің түзілуімен және бөлінуімен (E+S=ES) химиялық реакция жүреді.=EP=E+P).
Ферменттің тежелуі – катализ процесінің жылдамдығының төмендеуі немесе толық тоқтауы. Тарырақтамағынасында, бұл термин фермент молекулаларын ингибиторлық заттармен байланыстыру арқылы қол жеткізілетін субстратқа белсенді орталықтың жақындығының төмендеуін білдіреді. Соңғысы әртүрлі тәсілдермен әрекет ете алады, соның негізінде олар бір аттас тежеу механизмдеріне сәйкес келетін бірнеше түрге бөлінеді.
Тежеудің негізгі түрлері
Процесс табиғаты бойынша тежелу екі түрлі болуы мүмкін:
- Қайтымсыз - фермент молекуласында тұрақты өзгерістерді тудырады, оны функционалдық белсенділіктен айырады (соңғысын қалпына келтіру мүмкін емес). Ол спецификалық немесе арнайы емес болуы мүмкін. Ингибитор ковалентті әрекеттесу арқылы ферментпен қатты байланысады.
- Қайтымды – ферменттердің теріс реттелуінің негізгі түрі. Ол Михаэлис-Ментен теңдеуі бойынша кинетикалық сипаттауға қолайлы әлсіз ковалентті емес байланыстар арқылы ингибитордың фермент протеиніне қайтымды спецификалық қосылуына байланысты жүзеге асырылады (аллостериялық реттеуді қоспағанда).
Қайтымды фермент тежеуінің екі негізгі түрі бар: бәсекеге қабілетті (субстрат концентрациясының жоғарылауымен әлсіреу мүмкін) және бәсекелес емес. Соңғы жағдайда катализдің максималды мүмкін жылдамдығы төмендейді.
Бәсекелестік пен бәсекелес емес тежелудің негізгі айырмашылығы реттеуші заттың ферментке қосылу орнында. Бірінші жағдайда ингибитор тікелей белсенді аймақпен, ал екінші жағдайда ферменттің басқа сайтымен немесе фермент-субстрат кешенімен байланысады.
Теңбеудің аралас түрі де бар, онда ингибитормен байланысу ES түзілуін болдырмайды, бірақ катализді баяулатады. Бұл жағдайда реттегіш зат қос немесе үштік кешендердің (EI және EIS) құрамында болады. Бәсекеге қабілетсіз түрінде фермент тек ES-мен байланысады.
Ферменттердің қайтымды бәсекелес тежелуінің ерекшеліктері
Бәсекелестік тежелу механизмі реттеуші заттың субстратпен құрылымдық ұқсастығына негізделген. Нәтижесінде ингибитормен белсенді орталықтың кешені қалыптасады, шартты түрде EI деп аталады.
Қайтымды бәсекелес тежелудің келесі мүмкіндіктері бар:
- ингибитормен байланысу белсенді жерде жүреді;
- фермент молекуласының инактивациясы қайтымды;
- ингибиторлық әсерді субстрат концентрациясын арттыру арқылы азайтуға болады;
- ингибитор ферменттік катализдің максималды жылдамдығына әсер етпейді;
- EI кешені ыдырауы мүмкін, ол сәйкес диссоциация константасымен сипатталады.
Реттеудің бұл түрімен ингибитор мен субстрат белсенді орталықтағы орын үшін бір-бірімен бәсекелесетін (бәсекелесетін) сияқты, сондықтан процестің атауы.
Нәтижесінде бәсекелес тежелуді белсенді аймақтың ингибитор затына спецификалық жақындығына негізделген ферменттік катализді тежеудің қайтымды процесі ретінде анықтауға болады.
Әсер ету механизмі
Тетерингбелсенді учаскесі бар ингибитор катализге қажетті фермент-субстрат кешенінің түзілуіне жол бермейді. Нәтижесінде фермент молекуласы белсенді емес болады. Соған қарамастан каталитикалық орталық тек ингибитормен ғана емес, субстратпен де байланыса алады. Бір немесе басқа кешеннің пайда болу ықтималдығы концентрациялардың қатынасына байланысты. Егер субстрат молекулалары айтарлықтай көп болса, онда фермент ингибиторға қарағанда олармен жиірек әрекеттеседі.
Химиялық реакция жылдамдығына әсері
Бәсекелес тежелу кезінде катализдің тежелу дәрежесі ферменттің қанша бөлігі EI-кешендерін түзетінімен анықталады. Бұл жағдайда субстрат концентрациясын ингибитордың рөлі ауыстырылатындай дәрежеге дейін арттыруға болады, ал катализ жылдамдығы Vmax мәніне сәйкес келетін максималды мүмкін мәнге жетеді. Михаэлис-Ментен теңдеуі бойынша.
Бұл құбылыс ингибитордың күшті сұйылтуына байланысты. Нәтижесінде фермент молекулаларының онымен байланысу ықтималдығы нөлге дейін азаяды және белсенді орталықтар тек субстратпен әрекеттеседі.
Бәсекелес ингибитор қатысатын ферментативті реакцияның кинетикалық тәуелділіктері
Бәсекелес тежелу реакцияның басында катализдің ½ максималды жылдамдығына жету үшін қажетті субстрат концентрациясына тең Михаэлис тұрақтысын (Km) арттырады. Гипотетикалық субстратпен байланысуға қабілетті ферменттің мөлшері тұрақты болып қалады, ал ES- саны.кешендері тек соңғысының концентрациясына байланысты (EI комплекстері тұрақты емес және субстратпен ығыстырылуы мүмкін).
Ферменттердің бәсекелес тежелуін субстраттың әртүрлі концентрациялары үшін құрастырылған кинетикалық тәуелділік графиктерінен оңай анықтауға болады. Бұл жағдайда Km мәні өзгереді, ал Vmax тұрақты болып қалады.
Бәсекелес емес тежелу кезінде керісінше болады: ингибитор белсенді орталықтан тыс байланысады және субстраттың болуы бұған ешқандай әсер ете алмайды. Нәтижесінде фермент молекулаларының бір бөлігі катализден «өшіріледі» және максималды ықтимал жылдамдық төмендейді. Соған қарамастан белсенді фермент молекулалары субстратпен соңғысының төмен концентрациясында да, жоғары концентрациясында да оңай байланыса алады. Сондықтан Михаэлис тұрақтысы тұрақты болып қалады.
Қос кері координаттар жүйесіндегі бәсекелес тежелудің графиктері 1/Vmax нүктесінде у осін қиып өтетін бірнеше түзу сызықтар. Әрбір түзу сызық субстраттың белгілі бір концентрациясына сәйкес келеді. Абсцисса осімен (1/[S]) әртүрлі қиылысу нүктелері Михаэлис тұрақтысының өзгерісін көрсетеді.
Бәсекеге қабілетті ингибитордың малонат мысалында әрекеті
Бәсекелестік тежелудің типтік мысалы сукцин қышқылының (сукцинат) фумар қышқылына дейін тотығуын катализдейтін фермент сукцинатдегидрогеназаның белсенділігін төмендету процесі болып табылады. Мұнда ингибитор ретіндесукцинатқа құрылымдық ұқсастығы бар малонат әрекеті.
Ортаға ингибитор қосу сукцинатдегидрогеназамен малонат кешендерінің түзілуін тудырады. Мұндай байланыс белсенді сайтқа зақым келтірмейді, бірақ оның янтарь қышқылына қол жетімділігін блоктайды. Сукцинат концентрациясын арттыру ингибиторлық әсерді азайтады.
Медициналық қолдану
Кейбір зат алмасу жолдарының субстраттарының құрылымдық аналогтары болып табылатын, тежелуі ауруларды емдеудің қажетті бөлігі болып табылатын көптеген препараттардың әрекеті бәсекелес тежелу механизміне негізделген.
Мысалы, бұлшықет дистрофиясы кезінде жүйке импульстарының өткізгіштігін жақсарту үшін ацетилхолин деңгейін жоғарылату қажет. Бұған оның гидролиздеуші ацетилхолинэстеразаның белсенділігін тежеу арқылы қол жеткізіледі. Тежегіштер дәрілік заттардың құрамына кіретін төрттік аммоний негіздері болып табылады (прорезин, эндрофония және т.б.).
Антиметаболиттер ингибиторлық әсерден басқа псевдосубстрат қасиеттерін көрсететін арнайы топқа бөлінеді. Бұл жағдайда ЭИ кешенінің түзілуі биологиялық инертті аномальді өнімнің түзілуіне әкеледі. Антиметаболиттерге сульфаниламидтер (бактериялық инфекцияларды емдеуде қолданылады), нуклеотидтердің аналогтары (ракты ісік жасушаларының өсуін тоқтату үшін қолданылады) және т.б. жатады.
