 |
Е +S<-------------------à ES* --------à Eр -------à Е+ р
|
|
|
|
Биохимия - это наука о молекулярных основах жизни, занимается изучением молекул, химических реакций, процессов, протекающих в живых клетках организма. Подразделяется на:
1. статическую (строение и свойства биомолекул)
2. динамическую (химизм реакций)
3. специальные разделы (экологическая, биохимия микроорганизмов, клиническая)
Роль биохимии в решении основополагающих медицинских проблем
1. сохранение здоровья человека
2. выяснение причин различных заболеваний и изыскание путей их эффективного
лечения.
Таким образом, любое недомогание, заболевание человека связано с нарушением строения и свойств метаболитов или биомолекул, также связано с изменениями биохимических реакций, протекающих в организме. Применение любых способов лечения, лекарственных препаратов также основывается на понимании и точном знании биохимизма их действия.
Белки, их строение и биологическая роль
Белки - это высокомолекулярные полипептиды, условная граница между белками и полипептидами обычно составляет 8000-10000 единиц молекулярной массы. Полипептиды - это полимерные соединения, имеющие более 10 остатков аминокислот в молекуле.
Пептиды - это соединения, состоящие из двух и более остатков аминокислот (до 10) В состав белков входят только L-аминокислоты.
Встречаются производные аминокислот, например, в состав коллагена входит гидроксипролин и гидроксилизин. В некоторых белках обнаруживается у -карбоксиглутамат. Нарушение карбоксилирования глутамата в протромбине может привести к кровотечению. Часто в белках встречается фосфосерин.
Незаменимые аминокислоты - это те, которые не синтезируются в организме или
синтезируются в недостаточном количестве или с малой скоростью.
|
|
|
Для человека незаменимыми являются 8 аминокислот: триптофан, фенилаланин,
метионин, лизин, валин, треонин, изолейцин, лейцин.
Биохимические функции аминокислот:
1. строительные блоки пептидов, полипептидов и белков,
2. биосинтез других аминокислот (из фенилаланина синтезируется тирозин, из
метионина - цистеин)
3. биосинтез некоторых гормонов, например, окситацина, вазопрессина, инсулина
4. исходные продукты для образования глутатиона, креатина
5. глицин необходим для синтеза порфирина
6. р - аланин, валин, цистеин образуют КоА, триптофан — никотинамид, глутаминовая
кислота - фолиевую кислоту
7. для биосинтеза нуклеотидов необходим глутамин, глицин, аспарагиновая кислота,
они образуют пуриновые основания, глутамин и аспарагиновая кислота -
пиримидиновые
8. 11 аминокислот являются глюкогенными, то есть способны метаболизироваться в
глюкозу и другие УВ
9. фенилаланин, тирозин, лейцин, лизин и триптофан принимают участие в
биосинтезе некоторых липидов
10. образование мочевины, углекислоты и энергии в виде АТФ.
Строение белков. Первичная структура.
Под первичной структурой понимают последовательность аминокислот в цепи, они соединены между собой ковалентными пептидными связями. Полипептидная цепь начинается с остатка, имеющего свободную аминогруппу (N - конец) и завершается свободным СООН — концом.
К первичной структуре также относят взаимодействие между остатками цистеина с образованием дисульфидных связей.
Таким образом, первичная структура — это описание всех ковалентных связей в молекуле белка.
Пептидная связь отличается полярностью, что обусловлено тем, что связь между N и С частично носит характер двойной связи. Вращение затруднено и пептидная связь имеет жесткую структуру. Последовательность аминокислот генетически строго детерминирована, она определяет нативную природу белка и его функции в организме.
|
|
|
Вторичная структура
1951 г. - была расшифрована вторичная структура (тугозакрученная основная цепь полипептида, которая составляет внутреннюю часть стержня, боковые цепи направлены наружу, располагаясь по спирали) Все -С=О- N-H- группы оснований цепи связаны водордными связями.
'°
Водородные связи делают а - спираль более устойчивой.
Другой тип вторичной структуры - это р - складчатый слой. Это параллельно лежащие полипептидные цепи, которые сшиты водородными связями. Возможно закручивание таких р - образований, что придает белку большую прочность.
Третий тип вторичной структуры характерен для коллагена. Каждая из трех полипептидных цепей предшественника коллагена (тропоколлаген) имеет форму спирали. Три такие спирализованные цепи закручиваются относительно друг друга, образуя тугую нить.
Специфика такого типа структуры обусловлена наличием водородных связей сугубо между остатками глицина, пролина и гидроксипролина, а также внутри- и межмолекулярных ковалентных поперечных связей.
Третичная структура
Обусловлена взаимодействием аминокислотных остатков, далеко отстоящих друг от друга в линейной последовательности. Факторы поддержания:
1. водородные связи
2. гидрофобные взаимодействия (нужны для структуры и биологических функций
белка)
3. дисульфидные и солевые мостики
4. ионные и ван-дер-ваальсовы связи.
В большинстве белков на поверхности молекул находятся остатки аминокислотных радикалов, обладающих гидрофильными свойствами. УВ - радикалы, которые являются гидрофобными расположены внутри молекул. Такое распределение имеет важное значение в формировании нативной структуры и свойств белка.
В результате белки имеют гидрарную оболочку, а стабилизация третичной структуры во многом обусловлена гидрофобными взаимодействиями. Например, 25-30% аминокислотных остатков в молекулах глобулина имеют выраженные гидрофобные радикалы, 45-50% содержат ионные и полярные радикальные группы.
Боковые цепи аминокислотных остатков, которые отвечают за структуру белков различают по размеру, форме, заряду и способности образовывать водородные связи, также по химической реактивности:
|
|
|
1. алифатические боковые цепи, например, у валина, аланина. Именно эти остатки
формируют гидрофобные взаимодействия.
2. гидроксилированные алифатические (серии, треонин). Эти аминокислотные
остатки принимают участие в формировании водородных связей, а также сложных
эфиров, например, с серной кислотой.
3. ароматические - это остатки фенилаланина, тирозина, триптофана.
4. аминокислотные остатки с основными свойствами (лизин, аргинин, гистидин).
Преобладание в полипептидной цепи таких аминокислот придает белкам основные
свойства.
5. остатки, обладающие кислотными свойствами (аспарагиновая и глутаминовая
кислоты)
6. амидные (аспарагин, глутамин)
7. содержащие серу (метионин, цистеин)
Белки, содержащие несколько полипептидных цепей, обладают четвертичной структурой. Здесь подразумевается способ укладки цепей относительно друг друга. Такие ферменты называют субъединицами. В настоящее время принято использовать термин «домен», которым обозначают компактную глобулярную единицу белковой молекулы. Многие белки состоят из нескольких таких единиц с массой от 10 до 20кДа. В белках большой молекулярной массы отдельные домены соединяются относительно гибкими участками ППЦ. В организме животных и человека присутствуют ещё более сложные структурные организации белков, примером которых могут быть мультиферментные системы, в частности пируватдекарбоксилазный комплекс.
Понятие о нативном белке
При определенных значениях рН и температуры ППЦ обладает, как правило, только одной конформацией, которая называется нативной и при которой белок в организме выполняет свою специфическую функцию. Почти всегда эта единственная конформация в энергетическом отношении преобладает над десятками и сотнями вариантов других конформаций.
Классификация. Биологические и химические свойства белков
Удовлетворительной классификации белков не существует, они условно классифицируются по пространственному строению, растворимости, биологическим функциям, физико - химическим свойствам и другим признакам.
|
|
|
1. по строению и форме молекул белки подразделяют на:
- глобулярные (сферические)
- фибриллярные(нитевидные)
2. по химическому составу делятся на:
- простые, которые состоят только из аминокислотных остатков
- сложные, имеют в составе молекулы соединения небелковой природы.
Классификация сложных белков основана на химической природе небелковых
компонентов.
Один из главных типов классификации:
З. по выполняемым биологическим функциям:
- ферментативный катализ. В биологических системах все химические реакции
катализируются специфическими белками-ферментами. Известно более 2000
ферментов. Ферменты - мощные биокатализаторы, которые ускоряют реакцию как минимум в 1 млн. раз.
- транспорт и накопление
Перенос многих молекул небольшого размера и различных ионов часто осуществляется специфическими белками, например гемоглобином, миоглобином, которые переносят кислород. Пример накопления: ферритин накапливается в печени.
координированное движение. Белки являются основным компонентом сократительных мышц ( актиновые и миозиновые волокна). Движение на микроскопическом уровне - это расхождение хромосом во время митоза, движение сперматозоидов за счёт жгутиков.
- механическая опора. Высокая упругость кожи и костей обусловлена наличием
фибриллярного белка - коллагена.
- иммунная защита. Антитела - это высокоспецифические белки, способные узнавать
и связывать вирусы, бактерии, клетки других организмов.
- генерирование и передача импульсов. Ответ нервных клеток на импульсы
опосредован рецепторными белками
регуляция роста и дифференцировки. Строгая регуляция последовательности экспрессии генетической информации необходима для роста дифференцировки клеток. В любой отрезок времени жизни организма экспрессируется только небольшая часть генома клетки. Например, под действием специфического белкового комплекса формируется сеть нейронов у высших организмов.
К другим функциям пептидов и белков относят гормональные. После того как человек научился осуществлять синтез гормональных пептидов, они стали иметь исключительно важное биомедицинское значение. Пептидами являются различные антибиотики, например, валиномицин, противоопухолевые препараты. Кроме того белки выполняют функции механической защиты (кератин волос или слизистые образования, выстилающие ЖКТ или полость рта).
Основное проявление существования любых живых организмов - это воспроизведение себе подобных. В конечном итоге, наследственная информация представляет собой кодирование последовательности аминокислот всех белков организма. На здоровье человека влияют белковые токсины.
|
|
|
Молекулярная масса белков измеряется в дальтонах (Да) — это единица массы, практически равная массе водорода (-1, 000). Термин дальтон и молекулярная масса вводятся как взаимозаменяемые. Mr большинства белков находится в пределах от 10 до 100000.
Физико-химические свойства белков
В основе многообразия выполняемых белками функций лежит необычайная универсальность их физико-химических свойств. Растворы белков являются молекулярно-дисперсными, вследствие большого размера растворённых молекул такие растворы имеют физические свойства, характерные для коллоидных систем (буферные свойства, гидрофобность, онкотическое давление, седиментация, коагуляция, высаливание, диализ). Коллоидные растворы представляют собой растворы с размером частиц от 0, 1 до 0, 01 микрон. Наличие на поверхности белковых молекул ионизирующих групп (NH2-COOH ) определяет кислотно - основные характеристики растворов белков. Таких ионогенных групп может насчитываться до 15-20 на каждые 100 аминокислотных остатков. Т. о. белки - это полиэлектролиты, т. к. они могут содержать одновременно «+» и «-» заряженные группировки, белки являются амфолитами. Значение рН, при котором
белок находится в изоэлектрическом состоянии (т. е. когда заряд равен 0), называют изоэлектрической точкой. В кислой среде увеличение концентрации Н+ приводит к подавлению диссоциации СООН- группы и уменьшает «-» заряд белков.
В щелочной среде избыток ОН связывается с протонами Н+, образованными при
диссоциации: -NН3+ OH-*~NH2+ H2O , что уменьшает «+» заряд молекулы.
Т. о. суммарный заряд какого-либо белка зависит от рН раствора. Для многих ферментов
характерно то, что их нативная активность проявляется при значениях рН, близких к
ИЭТ, поэтому даже самые незначительные изменения рН крови, цитоплазмы, клеток и
т. д. приводят к очень серьезным последствиям и являются причиной целого ряда
заболеваний. Большинство белков имеет гидрофильную поверхность, однако некоторые
на поверхности содержат гидрофобные радикалы, как следствие этого плохо растворимы
или не растворимы в воде, но растворимы в липидах.
Процесс взаимодействия таких радикалов с липидами называется сольватация. Такие
белки характерны для мембран. Кроме значения рН растворимость белка зависит от его
химической природы и состава растворителя. Например, белки, не растворимые в воде,
растворяются в присутствии низких концентраций нейтральных солей.
Некоторые примеры растворимости белков: альбумины растворимы в воде и в солевых
растворах, глобулины слабо растворимы в воде, но хорошо в солевых растворах.
Кроме уровня организации молекулы, аминокислотного состава ППЦ на растворимость
белков существенное влияние оказывает рН.
В ИЭТ белки способны агрегироваться и выпадать в осадок. Осаждение белков может
быть вызвано и другими факторами, например, действие водоотнимающих средств,
таких как C2H5OH, CH3COH, CHOH. Растворимость белка снижается при денатурации.
Этот процесс связан с разрывом, нарушением слабых связей и взаимодействий, которые
поддерживают нативную структуру. Ковалентные связи при этом не изменяются.
Факторы денатурации:
1. температура
2. изменение нормального для белка значения рН
3. высокие концентрации солей, которые нарушают электростатические
взаимодействия и водородные связи
4. соли тяжёлых металлов, которые образуют с белками стойкие нерастворимые
комплексы
5. мочевина и гуанидин, который действует на гидрофобные взаимодействия и
водородные связи
6. сульфидные связи (13-меркаптоэтанол) или надмуравьиная кислота, которые
разрушают дисульфидные связи.
Денатурация может быть обратимой и необратимой. Находящиеся на поверхности аминокислотные остатки способны образовывать разнообразные связи с другими веществами, которые называют лигандами. Как правило, белковые молекулы имеют специфические центры связи, имеющие вид углубления. Существуют определённые принципы взаимодействия белков с лигандами:
1. соседние остатки ППЦ могут взаимодействовать таким образом, что доступ воды к другим участкам поверхности белка может быть ограничен, в этом случае удаётся достигнуть более прочных водородных связей и ионных взаимодействий между белком и лигандом,
2. образование комплекса из соседних полярных аминокислот изменяет реакционную
способность боковых группировок, что может привести к активированию обычно
неактивных функциональных группировок,
3. значительную роль во взаимодействиях белков с другими молекулами играют
гидрофобные остатки аминокислот.
Помимо активного центра у белков имеются определённые участки, которые способны регулировать активность связывания, взаимодействие белка с другими веществами — такие участки называются аллостерическими. Аллостерические центры характерны для многих ферментов и играют роль в их активности.
Биохимия сложных белков
Сложные белки или протеины относятся к смешанным макромолекулам, т. е. комплексам белков и небелковых соединений, которые могут быть связаны между собой как ковалентными, так и слабыми связями и взаимодействиями.
Белковая часть называется апопротеином, небелковая - простетической группой, а сам белок - холопротеином.
1. гликопротеины. Наиболее часто встречающиеся в составе этих белков УВ — это
различные гексозы, гексозамины, их ацетильные производные, глюкуроновая, сиаловая,
нейраминовая кислоты, различные гетерополисахариды. Как правило, гликопротеины
отличаются повышенной устойчивостью к действию химических агентов и высокой
механической прочностью. Например, гиалуроновая кислота входит в состав соед. ткани
роговицы глаза, стекловидного тела, пуповины, сердечных клапанов, кожи. В тканях
содержится фермент гиалуронидаза, который расщепляет связи в молекуле
гликопротеина, конкретно, остатков гиалуроновой кислоты, что приводит к нарушению
прочности тканей, включающих гликопротеин, ослаблению функций соед. тканей.
Гликопротеины играют важную роль в строении и свойствах хрящевой ткани, в белках
соед. ткани, особенная их роль в строении и функции коллагена. Гликопротеины входят
в состав различных слизистых выделений и способствуют защите эпителия стенок ЖКТ
от механических и химических воздействий.
2. фосфопротеины. Простетическая группа представлена остатками фосфорной кислоты
Н3 РО4, которые по массе достигают 0, 5-0, 9%. Фосфорная кислота связана
сложноэфирной связью со спиртовой группой остатка серина и треонина. Часто остатки
фосфорной кислоты способны связывать катионы двухвалентных металлов. Это имеет
биологическое значение, например, казеиноген, кроме фосфора содержит кальций.
Казеин - это белок, необходимый для формирования костной ткани.
3. нуклеопротеины содержат в виде простетической группы ДНК и РНК, например, ядра
клеток включают в себя сложное вещество ~ хроматин, который состоит из равных по
массе количеств ДНК, белков - гистонов, и небольшого количества белков с кислотными
свойствами.
По содержанию лизина и аргинина гистоны подразделяют на 5 типов:
Н1, Н2А, Н2В, НЗ, Н4
По структуре хроматин имеет вид нити с тесно нанизанными бусинами (нуклеосомами).
Каждая нуклеосома представляет собой октомер, содержащий по 2 молекулы гистонов
Н2А и Н2В, НЗ и Н4.
Рибосомы - это частицы, находящиеся в клетках, содержащие РНК и ~ наполовину
различные белки. Каждая рибосома состоит из двух субъединиц (большего и меньшего
размера). Добавление специальных химических агентов, например, уменьшение в среде
магния ниже концентрации 1 ммоль, субъединицы распадаются, если подействовать
раствором мочевины или LiCl происходит разделение на свободные белки и
т
нуклеиновые кислоты. Рибосомы необходимы для биосинтеза белков. Полисомы - это
образования в клетке, состоящие из вытянутой молекулы м-РНК, окруженной
рибосомами.
Вирусы можно выделять в кристаллической форме, они не имеют своей ферментной
системы. Вирус - это упакованная одно- или двухцепочечная молекула ДНК или РНК,
окруженная белковой оболочкой. Инфицирование клетки имеет место, когда внутрь нее
проникает либо целый вирус или только ДНК (РНК). Последние перестраивают
метаболизм клетки, таким образом, что энергия и вновь образованные метаболиты
используются для биосинтеза новых вирусных частиц.
Липопротеины (ЛП). Различают свободные ЛП, выполняющие транспортную роль, они
отличаются значительным количеством гидрофобных аминокислот, высших жирных
кислот, которые присоединяются к цепи за счет сложноэфирных связей, способностью
функционировать в гидрофобном окружении.
В крови обнаружено несколько форм ЛП, такие как хиломикроны, липопротеины очень
низкой плотности (ЛОНП), ЛП низкой плотности (ЛНП), ЛП высокой плотности (ЛВП).
Поверхностная часть ЛП образована слоем фосфолипидов и белками. ФЛ
гидрофильными концами образуют наружную поверхность, а гидрофобные растворены
внутри частицы. ЛП синтезируются в клетках слизистой оболочки кишечника
(хиломикроны, ЛОНП), гепатоциты - ЛОНП, ЛНП, плазма крови - ЛНП, ЛВП (для
транспорта холестерина).
Хромопротеины. В этих соединениях простетическая группа представлена окрашенными
веществами, например, гем, порфирин, каротиноид, витамины.
Некоторые особенности строения миоглобина и гемоглобина
НЬ состоит из простого белка глобина и 4 молекул гема. При объединении глобина и тема получается сложное соединение, которое выполняет в организме исключительно важную дыхательную функцию. Другое важное свойство - поддержание постоянства рН крови. НЬ обеспечивает до 50% буферной ёмкости крови. НЬ - аллостерический белок, присоединение какого-либо вещества к нему меняет его сродство к другим. Он обладает способностью легко взаимодействовать с рядом газов: ОА, СОА, СО, NO, NQ. Кинетика связывания кислорода миоглобином и гемоглобином
В отличие от НЬ миоглобин имеет 1 ППЦ, которая связана с гемом. Миоглобин не способен переносить кислород от лёгких к периферическим тканям по своей химической природе. Он преобладает в мышцах и является веществом, которое эффективно запасает кислород. % или степень насыщения миоглобина Од, зависит от концентрации О2 в среде, окружающей молекулы белка. [О2] обозначается как парциальное давление в мм рт. ст. Зависимость между (О2) в среде и насыщенностью миоглобина О2, описывается в виде прямоугольной гиперболы. Кривая насыщения миоглобина и гемоглобина кислородом.
Для выяснения кинетики насыщения О2 миоглобина и НЬ необходимо принимать во внимание, что Р О2(в лёгких) = 100мм рт. ст., поэтому миоглобин в лёгких мог бы весьма эффективно насыщаться О2, . В венозной крови Р О2 составляет 40мм рт. ст., а в активно работающей мышце - 20мм рт. ст. Даже при таких параметрах миоглобин будет в значительной степени насыщаться О2, поэтому МЬО2 не может являться средством доставки O2 от лёгких к периферическим тканям. При тяжёлой мышечной работе Ро2 может понизиться до 5, при этих условиях МЬО2 легко отдаёт О2, который используется для окислительного биосинтеза АТФ в митохондриях мышечных клеток.
НЬ связывает 4 молекулы О2, на 1 тетрамер (по одной молекуле на гем в каждой субъединице). Кривая насыщения носит сигмоидный характер. Т. о. способность НЬ связывать О2 зависит от того содержатся ли в данном тетрамере другие молекулы О2,. Как видно из изотермы адсорбции связывание первой молекулы О2, протекает медленно, другой - с большей скоростью и т. д. Такой характер кинетики объясняется так называемым кооперативным связыванием, благодаря которому НЪ легко насыщается О2 в легких (при Ро2 = 100мм рт. ст. ) и очень легко отдает О2, в периферических тканях (Р50 ~20мм рт. ст. ). Для характеристики кинетики действия НЬ введён показатель P50 (значение РО2, при котором происходит 50%-ное насыщение, у теплокровных Р50 может значительно варьировать, однако оно всегда выше значения \ в периферических тканях). Оксигенирование НЬ сопровождается значительными изменениями конформации молекул:
1. разрыв солевых связей, образованных концевыми карбоксилами субъединиц, что
облегчает присоединение О2,
2. разрыв связи обуславливает изменение вторичных, третичных, четвертичных
структур, при этом происходит компактизация тетрамеров и увеличивается
сродство к О2
3. четвертичная структура НЬ описывается как Т - состояние для частично
оксигенированного НЬ и как R-состояние для полностью оксигенированного НЬ.
« Т- и R-состояние» используют для характеристики четвертичной структуры многих аллостерических ферментов, в Т-состоянии отмечается наименьшее сродство к субстрату. НЬ ускоряет транспорт СО2 от ткани к лёгким =15% СО2 крови переносится НЬ.
Гемаглобинопатии
Обусловлены наличием аномального НЬ. У них изменяется одно из трёх свойств:
1. растворимость
2. сродство к О2
3. устойчивость к денатурации.
1). НЬ с изменённой растворимостью. HbS - серповидно-клеточный, в Б-цепях НЬ в 6 положении заменяются аминокислотные остатки, изменяется форма, повышается ломкость, укорачивается продолжительность жизни ЭЦ.
Талассемии - нарушение синтеза цепи НЬ. а - талассемия - а - цепи, b-b- (3 - цепей, следовательно изменяется продукция эритроидных клеток в костном мозге и насыщение ЭЦНЬ.
2). Метгемоглобин - в нём железо трехвалентно
Восстановление метНЬ в нормальный происходит с участием витамина С и фермента НАДФН - метгемоглобинредуктазы. Развивается при:
а), отравлениях NO3, Br-, NО-2, анилином, особая опасность: нитратсодержащая вода для
новорожденных,
б), наследственный дефицит фермента метгемоглобинредуктазы.
Карбоксигемоглобин. Сродство НЬ человека к СО в 200 раз выше, чем к О2, т. к. СО
вытесняет О2 из оксиНЬ, при отравлении СО на коже и в тканях жертвы проявляется
ярко-вишнёво-розовый цвет
ФЕРМЕНТЫ
Характеристика.
Ферменты - биокатализаторы, ускоряющие скорость химических реакций в организме, в
реакциях не расходуются, катализируют как прямую, так и обратную реакции,
катализируют не более 1 хим. реакции, увеличивают скорость хим. реакции при обычной
температуре, обладают высокой степенью специфичности, могут регулироваться. С
термодинамической точки зрения ускоряют реакции за счет снижения энергии
активации, путем увеличения числа активированных молекул, становятся реакционно
способными на более низком энергетическом уровне.
Энергия активации - энергия, необходимая для перевода всех молекул 1 моля вещества в
активированное состояние при данной температуре.
Классификация. Номенклатура.
Название: 1. субстрат 2. тип катализируемой реакции с окончанием «аза»
Классы ферментов (в основе классификации лежит специфичность ферментов). Для
некоторых используются тривиальные названия (пепсин, трипсин).
1. оксидоредуктазы (ОВР)
НАД, ФАД '
2. трансферазы (перенос отдельных групп атомов кроме Н от одной молекулы к другой)
Аминотрасфераза
3. гидролазы (гидролиз пептидных, эфирных связей с участием воды - ферменты ЖКТ)
4. лиазы (отщепление групп от субстрата без воды с образованием двойных связей, или
присоединение групп по = связи)
Амидинлиаза, фумаратгидротаза
5. изомеразы (взаимопревращение изомеров)
Рацемаза
6. лигазы или синтетазы (образование связей в реакциях конденсации у различных
соединений с использованием энергии АТФ или витамина Н(биотин))
Глутаминсинтетаза
Структура ферментов.
Все ферменты - глобулярные белки, состоящие из одной или нескольких ППЦ в
третичной структуре. Имеют активный центр (АЦ) - это участок, образованный
боковыми радикалами аминокислотных остатков, отдаленных друг от друга, которые на
уровне третичной структуры формируют центр. К нему присоединяется субстрат,
который обладает пространственным и химическим сродством к нему
(комплиментарностью).
Субстрат - это лиганд или вещество, которое подвергается химической модификации
при взаимодействии с АЦ фермента.
АЦ содержит якорный участок, который не играет каталитической роли, а служит для
специфического связывания субстрата; каталитический центр, который участвует в
химической модификации. Кроме АЦ в молекуле фермента может присутствовать
аллостерический центр (регуляторный), при помощи него осуществляется регуляция
активности фермента.
Аллостерический центр содержат ферменты, состоящих из нескольких субъединиц, эти
ферменты являются ключевыми в различных метаболических путях. Часто молекулы
фермента содержат небелковый компонент, от которого зависит его активность -
кофактор. Комплекс белковой части и кофактора называют холоферментом. К
кофакторам относят: ионы металлов и коферменты (орг. соединения).
Более 25% ферментов прочно связаны с ионами металлов.
Различают:
1. металлоферменты - содержат ионы металлов, имеющих функциональное значение,
которые в ходе очистки не отделяются от фермента
2. ферменты, активируемые металлами - связаны с металлом менее прочно, но для
проявления активности фермента необходимо добавление металла в среду.
В отличие от ионов металлов коферменты участвуют в химической реакции. Коферменты являются переносчиками различных групп и их рассматривают как второй субстрат. Коферменты претерпевают химические превращения, противоположные тем, которые происходят с субстратом (в ОВР субстрат окисляется, а кофермент -восстанавливается).
Механизм действия ферментов. Основные черты
ферментативного катализа, его этапы.
При ферментативном катализе фермент обратимо соединяется с субстратом, в результате образуется нестойкий ферментсубстратный комплекс (ES).
На первых этапах носит обратимый, а затем необратимый характер. Потом распадается на фермент и продукт реакции.
Е +S< -------------------à ES* --------à Eр -------à Е+ р
Так как ES существует, в течение конечного промежутка времени может быть и так, что все молекулы фермента связаны в ES (при условии, что концентрация субстрата высокая - субстрат в избытке) — говорят о максимальной скорости ферментативной реакции. Теория Фишера подразумевает жёсткое соответствие между активным центром и субстратом («ключ» - «замок»), т. е. каталитический центр заранее подготовлен к форме субстрата.
Теория Кошланда (теория индуцированного соответствия). Подразумевает гибкость каталитического центра, т. е. каталитически активная конформация фермента и субстрата может возникать в момент присоединения субстрата, до него геометрическое соответствие АЦ и субстрата приблизительное.
|
|
|
|
Гипотеза индуцированного соответствия предполагает между ферментом и субстратом
не только геометрического соответствия, но и электрическое.
Основные черты:
1. АЦ формируется из участков ППЦ и отдельных аминокислотных остатков. Субстрат соединяется с АЦ в нескольких точках, это обеспечивает высокую избирательность связывания (комплиментарность субстрата и АЦ) и ориентацию субстрата, необходимую для катализа.
2. АЦ составляет небольшую часть молекулы фермента, располагается в углублении
(нише) поверхности фермента. Ниша - гидрофобная. Субстрат, соединяясь с АЦ,
оказывается не в водной среде, а в специфическом окружении функциональных
групп АЦ.
3. В ходе присоединения субстрата и в ходе катализа происходят конформационные
изменения молекулы фермента и субстрата, до взаимодействия конформации
соответствуют лишь незначительно. Строгая комплиментарность возникает при
взаимодействии в результате изменения конформации (индуцированное
соответствие)
Конформационные изменения могут способствовать «растягиванию», разрыву связи или сближению молекул в реакциях синтеза, тем самым, ускоряя реакцию. Специфичность.
1. субстратная (структура АЦ комплиментарна только 1 субстрату) Пример: АЦ
фермента гистидаза комплиментарен гистидину и катализирует его превращения.
2. групповая (катализируют однотипные превращения сходных по строению
веществ). Пример: липаза гидролизует жиры с различными жирными кислотами.
3. стереоспецифичность (превращение лишь одного из стереоизомеров). Пример:
цис-изомер фумаровой кислоты - малеиновая кислота не может быть субстратом
для фумаразы.
Единица ферментативной активности (с. 157)
За единицу фермента принимают такое его количество, какое катализирует превращение
1 ммоль вещества за 1 мин. [1 Ед].
Удельная активность фермента — число единиц фермента на массу белка в мг. В образце.
Молярная активность указывает сколько молекул субстрата превращает 1 моль фермента
за 1 минуту (число оборотов).
Регуляция активности ферментов. Выделяют 4 типа регуляции:
|
|
|
