Конспект

Регуляция активности ферментов и основы биохимии нуклеиновых кислот

Ключевые тезисы

• Активность ферментов регулируется через изменение их активности (активация/ингибирование) и количества.
• Аллостерическая регуляция — ключевой механизм обратимого контроля активности ферментов.
• Ингибирование бывает обратимым (конкурентное, неконкурентное) и необратимым.
• Ферменты имеют множественные формы (изоферменты), специфичную локализацию в клетке и организме.
• Ферменты широко применяются в медицине (энзимодиагностика, энзимотерапия).
• Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) — биополимеры из нуклеотидов, хранящие и передающие генетическую информацию.
• Нуклеотид состоит из азотистого основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты.
• Первичная структура ДНК — последовательность нуклеотидов, связанных 3',5'-фосфодиэфирными связями.
• Вторичная структура ДНК — двойная спираль, стабилизированная комплементарными парами оснований (А=Т, Г≡Ц) и водородными связями.

Регуляция активности ферментов

Основные способы регуляции

• Активация: Повышение активности фермента.
• Ингибирование: Снижение активности фермента.
• Аллостерическая регуляция: Может быть как активирующей, так и ингибирующей. Эффектор (активатор или ингибитор) связывается с аллостерическим центром, изменяя конформацию фермента и сродство активного центра к субстрату.

Механизмы активации ферментов

1. С помощью кофакторов:
   • Неорганические: ионы металлов (Mg²⁺, Fe²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺), анионы (Cl⁻).
   • Органические: коферменты (производные витаминов группы B), нуклеотиды.
2. Путём модификации (изменения конформации):
   • Частичный протеолиз (активация пищеварительных ферментов, факторов свёртывания).
   • Образование или разрыв дисульфидных связей.
   • Фосфорилирование/дефосфорилирование (распространённый способ регуляции внутриклеточных ферментов).
   • Объединение или разъединение субъединиц (для ферментов с четвертичной структурой).

Ингибирование ферментов
Ингибиторы — вещества, вызывающие ингибирование.

• Необратимое ингибирование: Активность фермента утрачивается навсегда (разрушение структуры белка). Пример: фосфорорганические соединения (зарин).
• Обратимое ингибирование:
  • Конкурентное: Ингибитор структурно похож на субстрат и конкурирует с ним за активный центр. Действие снимается повышением концентрации субстрата. Пример: сульфаниламиды.
  • Неконкурентное: Ингибитор связывается не с активным центром, изменяя конформацию фермента. Не похож на субстрат.

Особые формы и локализация ферментов

Множественные формы ферментов (изоферменты)

• Изоферменты — множественные формы ферментов, катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающиеся по физико-химическим свойствам и имеющие генетически обусловленные различия в первичной структуре.
• Примеры: Креатинкиназа (типы BB, MB, MM), лактатдегидрогеназа (5 изоформ, комбинации субъединиц H и M). Используются в диагностике.

Локализация ферментов

• Внутриклеточная: Ферменты специфичны для определённых органелл (маркёры органелл). Метод выделения — дифференциальное центрифугирование.
• Органоспецифичность: В разных органах и тканях присутствуют характерные для них ферменты (например, КК-МВ и ЛДГ-1 для миокарда). Основа энзимодиагностики.

Мультиферментные комплексы

• Несколько ферментов, прочно связанных между собой, катализирующих последовательные стадии одного процесса (например, пируватдегидрогеназный комплекс). Повышают эффективность за счёт сокращения времени передачи промежуточных продуктов.

Применение ферментов в медицине (Медицинская энзимология)

Направления:

1. Энзимопатии (нарушения синтеза или функции ферментов):
   • Врождённые (первичные): Мутации генов (альбинизм, гликогенозы, мукополисахаридозы).
   • Приобретённые (вторичные): Следствие других заболеваний (сахарный диабет, панкреатит).
2. Энзимодиагностика:
   • Определение активности ферментов (особенно органоспецифичных) в биологических жидкостях для локализации патологического процесса.
   • Использование ферментов в качестве высокоспецифичных аналитических реагентов для определения веществ (глюкоза, холестерин, мочевина).
3. Энзимотерапия:
   • Использование ферментов, их активаторов и ингибиторов в качестве лекарственных средств.
   • Примеры ферментных препаратов: Заместительная терапия (панкреатин, мезим), лечение ран (трипсин), тромболитики (стрептокиназа), противоопухолевые (аспарагиназа).
   • Сложности: Иммуногенность, аллергенность, быстрое разрушение. Решение — иммобилизованные ферменты (например, стрептодеказа).

Основы биохимии нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты

• Нуклеиновые кислоты — биополимеры, состоящие из нуклеотидов, осуществляющие хранение и передачу генетической информации.
• Существуют в комплексе с белками (нуклеопротеины: хроматин, рибосомы).

Строение нуклеотида
Нуклеотид состоит из трёх компонентов:

1. Азотистое основание:
   • Пуриновые: Аденин (А), Гуанин (Г).
   • Пиримидиновые: Цитозин (Ц), Тимин (Т, только в ДНК), Урацил (У, только в РНК).
2.  Углевод (пентоза):
   • Дезоксирибоза (в ДНК).
   • Рибоза (в РНК).
3. Остаток фосфорной кислоты.

• Связь основание-пентоза — N-гликозидная.
• Соединение основание + пентоза = нуклеозид.
• Соединение нуклеозид + фосфат = нуклеотид.

Функции нуклеотидов (помимо структурной)

• Энергетическая (АТФ).
• Регуляторная (цАМФ, цГМФ).
• Входят в состав коферментов (НАД, КоА).
• Участвуют в обмене веществ (УДФ-глюкоза).
• Синтетические аналоги — лекарственные препараты.

Первичная структура ДНК

• Порядок чередования дезоксирибонуклеотидов в полинуклеотидной цепи.
• Нуклеотиды соединены 3',5'-фосфодиэфирными связями (между 3'-ОН одной пентозы и 5'-фосфатом следующей).
• Цепь имеет направленность: 5'-конец (свободный фосфат) и 3'-конец (свободная ОН-группа).

Правила Чаргаффа (количественные закономерности состава ДНК)

1. Количество аденина равно количеству тимина (А=Т), количество гуанина равно количеству цитозина (Г=Ц).
2. Сумма пуриновых оснований равна сумме пиримидиновых (А+Г = Т+Ц).
3. Отношение (Г+Ц)/(А+Т) — коэффициент специфичности — постоянно для вида.

Вторичная структура ДНК (модель Уотсона-Крика)

• Две антипараллельные полинуклеотидные цепи, закрученные в правую спираль.
• Цепи комплементарны: Аденин (А) образует две водородные связи с Тимином (Т), Гуанин (Г) — три связи с Цитозином (Ц).
• Основания направлены внутрь спирали, фосфатные остатки — наружу.
• Стабилизируется водородными связями между комплементарными основаниями и гидрофобными взаимодействиями.

Выводы

• Способность регулировать активность и количество ферментов — основа адаптации организма.
• Понимание механизмов регуляции позволяет создавать эффективные лекарства (ингибиторы, активаторы).
• Специфичность локализации и множественные формы ферментов являются мощным инструментом медицинской диагностики.
• ДНК — материальная основа наследственности, её структура обеспечивает точное хранение и передачу генетической информации благодаря комплементарности и правилам Чаргаффа.