Ферменты представляют собой белковые вещества
Работа добавлена на сайт samzan.net:
Химическая природа и строение ферментов.
Ферменты представляют собой белковые вещества. Поэтому успехи в расшифровке структуры и механизма действия ферментов зависят прежде всего от успехов химии и физики белка, от успехов в области исследования строения белков. Белки являются биополимерами с молекулярной массой от 6 тыс. до миллиона и более, состоящими из остатков аминокислот.
В состав белков входят 22 различные аминокислоты, называемые протеиногенными аминокислотами. Отдельные аминокислоты в молекулах белков связываются при помощи пептидной связи, наличие которой в белках было обосновано и доказано главным образом работами Эмиля Фишера, развившего так называемую полипептидную теорию строения белка.
Согласно этой теории, которая сейчас общепринята, аминокислоты соединяются между собой пептидной связью следующим, образом:
Таким образом, пептидная связь образуется за счет атома водорода а минной группы одной аминокислоты и ОН-группы карбоксила другой аминокислоты с выделением воды. Так, из аланина и глицина образуется соединение, которое содержит одну свободную карбоксильную группу, оставшуюся от молекулы аланина, и одну свободную аминогруппу, которая осталась от молекулы глицина. Мы получили дипептид т. е. соединение, содержащее остатки двух аминокислот. Если продолжить процесс присоединения остатков аминокислот и присоединить еще один остаток, то получим трипептид. Далее можно получить тетрапептид, пентапептид, полипептид.
Пептидная связь является основной связью в молекулах белков, и, следовательно, молекула белка представляет собой полипептидную
цепочку, имеющую на одном своем конце свободную аминную группу, и на другом — свободную карбоксильную группу:
Пептидная связь
Остатки аминокислот
Последовательность отдельных аминокислотных остатков в полипептидной цепочке белка называется первичной структурой белковой молекулы.
Свободная аминогруппа и свободная карбоксильная группа, находящиеся на концах полипептидной цепочки, называются концевыми группами - концевой аминогруппой или же концевой карбоксильной группой. Аминокислота, содержащая концевую аминогруппу, называется N-концевой аминокислотой, а аминокислота, содержащая концевую карбоксильную группу, носит название С-концевой аминокислоты.
Были разработаны специальные методы определения концевых аминокислот. Эти методы играют исключительно важную роль при изучении строения белков.
Одним из важных методов, который дал замечательные результаты, оказался метод определения N-концевых аминокислот, разработанный Ф. Сенгером. Этот метод заключается в следующем. Известно, что если кипятить белок или полипептид с кислотой, то в результате гидролиза он распадается на составляющие его аминокислоты. Сенгер предложил перед гидролизом обрабатывать полипептид или белок динитрофторбензолом. Это соединение, реагируя со свободной аминогруппой полипептида или белка, образует с ней настолько прочное соединение, что потом, когда мы прогидролизуем этот белок или полипептид кислотой, все пептидные связи разорвутся, а связь между N-концевой аминокислотой и динитрофенильным остатком сохранится. Затем мы можем из полученного гидролизата тем или иным способом количественно выделить динитрофенильное производное и определить, какая именно аминокислота была N-концевой и сколько ее содержится в данном белке. Реакция между динитрофторбензолом и N-концевой аминокислотой протекает следующим образом:
N=С=S. При обработке этим реактивом образуется фенилтиокарбамоил-производное пептида или белка, которое затем при комнатной температуре подвергается действию слабой кислоты. В результате отщепляется фенилтиогидантоиновое производное N-концевой аминокислоты, и пептид (или белок) укорачивается на один остаток. Отщепленный фенилтиогидантоиновый остаток затем идентифицируют с помощью тонкослойной или газожидкостной хроматографии. Последовательное проведение этой операции дает возможность определить от 40 до 50 N-концевыx аминокислот.
Для определения С-концевых аминокислот чаще всего пользуются ферментами, которые называются карбоксипелтидазами. Эти ферменты специфически расщепляют те пептидные связи, которые находятся рядом со свободной карбоксильной группой. Если мы обработаем белок карбоксипептидазой, то этот фермент в первую очередь отщепит только одну аминокислоту от всей полипептидпой цепочки, а именно С-концевую аминокислоту. Если при этом в растворе мы обнаружим свободный валин, то можно быть уверенным в том, что С-концевой аминокислотой является валин.
Таким образом, расшифровка первичной структуры белковой молекулы заключается в следующем: определяют какая аминокислота является N-концевой. Параллельно проводят обработку белка карбоксипептидазой, которая последовательно отщепляет аминокислоты, находящиеся у С-конца полипептидной цепочки. В результате узнают, какая аминокислота является С-концевой.
При осторожном кислотном или ферментативном гидролизе белка можно постепенно отщеплять от него те или иные аминокислоты или пептиды. Известно, что некоторые протеолитические ферменты расщепляют строго определенные пептидные связи, в которых участвуют та или иная аминокислота, например тирозин; другие, например трипсин, специфически действуют на пептидные связи, в образовании которых обязательно участвуют аргинин или лизин.
Положим, что мы действуем на белок или полипептид ферментом, расщепляющим связи, в образовании которых обязательно участвует аргинин. Мы имеем полипептид, в котором четвертой аминокислотой справа является аргинин;
Тогда под действием указанного фермента мы получим трипептид, содержащий N-концевую аминокислоту, и остальную часть полипептидной цепочки. Далее этот трипептид и остальную часть молекулы можно подвергнуть анализу и определить их N- и С-концевые аминокислоты. Следовательно, путем сочетания постепенного гидролиза с определением С-концевых и N-концевых аминокислот можно расшифровать структуру полипептидной цепочки белка.
Этим путем была расшифрована первичная структура ряда биологически активных белков. Так, например, было определено строение инсулина - гормона, выделяемого поджелудочной железой человека и животных. Инсулин имеет молекулярную массу около 6 тыс. Сентер, применив свой метод определения N-концевых аминокислот и карбоксипептидазу в сочетании с постепенным гидролизом, расшифровал строение инсулинов различных животных. Оказалось, что молекула инсулина представляет собой сочетание двух полипептидных цепочек, одна из которых содержит 21 аминокислотный остаток, а вторая - 30. Таким образом, всего в состав молекулы инсулина входит 51 аминокислотный остаток. Предложенная Сснгером структура инсулина блестяще подтвердилась, поскольку удалось произвести полный химический синтез этого белка. Строение молекулы инсулина крупного рогатого скота показано на рис. 1.
Следует отметить, что для обозначения аминокислот и амидов, входящих в состав белков, применяются трехбуквенные символы: Таким же путем удалось расшифровать структуру ряда ферментов. Например, была расшифрована первичная структура молекулы бычьей панкреатической рибонуклеазы - фермента, расщепляющего рибонуклеиновую кислоту (рис. 2).
Из рисунка видно, что молекула рибонуклеазы представляет собой длинную полипептидную цепочку, состоящую из остатков 124 аминокислот, в которой N-концеdой аминокислотой является лизин, а С-концевой - валин. Следует отметить, что нумерацию аминокислотных остатков начинают от N-концевой аминокислоты.
Рис. 1. Первичная структура молекулы инсулина крупного рогатого скота
Полностью расшифрована первичная структура лизоцима - фермента, содержащегося в яичном белке, слюне, некоторых органах животных, некоторых микроорганизмах и растениях
Рис. 2. Первичная структура молекулы бычьей панкреатической рибонуклеазы
Лизоцим (иначе он называется мурамидазой) вызывает растворение клеточных стенок ряда бактерий, поскольку он расщепляет основное вещество, являющееся их главной составной частью. Кристаллический лизоцим яичного белка имеет молекулярную массу 14 386 и состоит из 129 аминокислотных остатков, образующих одну полипептидпую цепь.
Расшифрована первичную структуру некоторых гидролизующих белки ферментов, например химотрипсина. Этот фермент образуется в поджелудочной железе в виде неактивного предшественника - химотрипсиногена, который затем и кишечнике превращается в активный химотрипсин. Первичная структура полипептидной химотрипсиногена полностью раскрыта. Советскими учеными расшифрована первичная структура фермента аспартатаминотрансферазы, молекула-мономер которого состоит из 412 аминокислотных остатков.
На рисунке строения молекулы инсулина (см. рис. 1) видно, что в ней две полипептидные цепочки соединены затушеванными перемычками и, кроме того, имеется еще одна такая перемычка, которая как бы стягивает более короткую полипептидную цепочку. Эти перемычки являются дисульфидными связями – S-S - , образованными двумя остатками цистеина. Таким образом, в молекуле инсулина имеется три таких связи. Дисульфидные связи разрываются при восстановлении. Если, например, инсулин обработать восстанавливающим реактивом, то дисульфидные связи обрываются и образуются две полипептидные цепочки в свободном виде. При этом инсулин полностью теряет свою биологическую активность.
В рибонуклеазе и лизоциме имеются по четыре дисульфидных связи (рис. 2). Они скрепляют длинную полипептидную цепочку, которая как бы свертывается в клубок. Как и в случае инсулина, если разрушить дисульфидные связи, то рибоyуклеаза и лизоцим теряют свою биологическую, в данном случае ферментативную активность. Однако если, например, путем продувания воздуха через раствор окислить образовавшиеся сульфгидрильпые группы, то в белке снова образуются дисульфидпые связи. При этом может восстановиться первоначальная структура молекулы белка и его ферментативная активность. Такое явление наблюдается, например, при окислении кислородом воздуха раствора предварительно восстановленной рибонуклеазы.
В некоторых случаях (рис. 3, справа вверху) дисульфидные связи снова образуются,
Рис. 3. Разрыв дисульфидных связей в молекуле белка и их образование при окислении белка
но не в тех местах, где они были в нативном белке, и поэтому возникает белок, не обладающий ферментативной активностью.
Таким образом, в молекуле белка, кроме полипептидных связей, имеется еще один вид ковалентных связей, а именно дисульфидные связи, которые либо скрепляют между собой отдельные полипептидные цепочки, либо «стягивают» одну и ту же полипептидную цепочку/ Имеются, однако, белки, например белок вируса табачной мозаики, в которых нет дисулъфидных связей.
Нужно подчеркнуть, что содержащиеся в белках сульфгидрилыше группы имеют большое значение для активности некоторых ферментов. Если эти группы окислить, то фермент теряет свою активность.
Если представить себе полипептидную цепочку белка, то возникают вопросы: каким образом эта длинная цепочка расположена пространстве и какие связи поддерживают эту пространственную структуру молекулы? Здесь на первый план выступают водородные связи. Как известно, водородные связи являются нековалентными связями. Если для того, чтобы разорвать обычну химическую (ковалентную) связь, нужно затратить от 84 до 8400 кДж/моль, то для разрыва одной водородной связи в водной среде нужно затратить всего лишь 6,3 кДж/моль. Таким образом, прочность водородных связей значительно меньше, чем прочность обычных ковалентных связей.
Водородные связи возникают между ковалентно-связанпым водородным атомом, имеющим некоторый положительный заряд, и отрицательно заряженным ковалентно-связанным атомом-акцептором. Примеры различных водородных связей, образующихся в белках, приведены ниже.
Рис. 4. Водородные связи между различными группами
Биологически наиболее важные водородные связи образуются водородными атомами, ковалентно-связанными с кислородом или азотом. По всей вероятности, в образовании водородных связей принимают участие также и сулъфгидрильные группы белков.
Различные водородные связи отличаются друг от друга своей прочностью, которая зависит дт химической природы атома-акцептора и от направления водородной связи. Если водородный атом расположен непосредственно против атома-акцептора, то водородная связь будет более прочной (рис. 5, а), чем при непрямом взаимодействии {рис. 6, б).
Хотя водородные связи являются слабыми, они образуются в молекуле белка в очень большом количестве и поэтому играют важную роль в поддержании структуры белковой молекулы. Если мы имеем длинную полипептидную цепочку, то в этой длинной цепи между отдельными ее частями возникают водородные связи. В результате полипептидная цепочка как бы закручивается по спирали. Таким образом, возникает спиралевидная структура белковой молекулы, которая называется α-структурой белковой молекулы. Наличие α-структуры в молекулах белков было установлено известным американским химиком Л. Полингом и его сотрудником Р. Кори главным образом па основе данных рентгеноструктурвого анализа.
Спиралевидная α-структура полипептидной цепочки представлена на рис. 6. Один полный виток спирали включает 3,6 аминокислотных остатка, а «шаг» спирали, соответствующий одному аминокислотному остатку, имеет в длину 0,15 нм.
Для установления степени спирализации белковых молекул пользуются определением удельного вращения плоскости поляризованного света. Оказалось, что чем больше степень спирализации белковой молекулы, тем сильнее изменяется удельное вращение растворов белка. Особенно широко применяется измерение дисперсии оптического вращения (т. е. измерение удельного вращения при различной длине волны) в приборе, называемом спектрополяриметром. Почти все белки, как легко растворимые, так и трудно растворимые, и почти все ферменты обладают α-структурой. Однако не все белки заспирализованы на всем протяжении своих полипептидных цепей. К числу таких белков, у которых полипептидная цепочка заспирализована лишь частично, относятся, например, ферменты рибонуклеаза и лизо-цим. Так, в молекуле лизоцима 42% полипептидной цепочки заспирализовано в виде α-структуры. Спирализованные участки молекулы лизоцима показаны на рис. 6.
Рис. 6. α-структура полипептидной цепочки (слева), вторичная и третичная структура лизоцима из белка куриного яйца (справа)
Кроме α-структуры, в белках имеется также так называемая β-структура. Она образуется благодаря водородным связям, соединяющим расположенные рядом полипептидпые цепочки. В результате возникает складчатая структура.
В β-структуре три параллельно расположенные полипептидные цепочки, соединенные между собой водородными связями и образующие структуры, в которой группы R расположены над и под плоскостью «складчатого листа». а- и β-Структуры образуют вторичную структуру белковой молекулы.
При изучении строения молекулы белка возникает вопрос о том, не может ли сама вторичная структура белка, в свою очередь, по-разному располагаться в пространстве. Полипептидную цепочку, которая в большей или меньшей степени имеет спиралевидную структуру, можно различным образом упаковать в каком-то определенном объеме. Способ ее укладки в пространстве получил название третичной структуры белка. С помощью рентгеноструктурного анализа в настоящее время установлена третичная структура ряда белков и ферментов.
Биологические свойства белков, в частности их ферментативные свойства, зависят в первую очередь от первичной структуры, т. е. аминокислотного состава и взаиморасположения аминокислотных остатков. Они зависят также от вторичной структуры белка. Наконец, третичная структура белка также оказывает чрезвычайно большое влияние на действие фермента, на проявление его каталитической активности.
В настоящее время развито представление о четвертичной структуре белковой молекулы. Молекулы многих белков состоят из нескольких полипептидных цепочек, соединенных между собой непептидными связями - водородными, ионными (солевыми) или гидрофобными. Каждая молекула подобного белка состоит из нескольких субъединиц, которые, соединяясь между собой, образуют четвертичную структуру белковой молекулы. Классическим примером подобного белка, обладающего четвертичной структурой, является гемоглобин, который имеет молекулярную массу 64 500 и состоит из четырех полипептидных цепочек, причем одна их пара (α-цепи) имеет первичную структуру, отличную от другой пары (β-цепи) . Каждая полипептидная цепь связана с атомом железа, заключенным в центре группы атомов, образующих пигмент, называемый гемом, который придает крови свойственный ей красный цвет и от которого зависит способность гемоглобина связывать кислород. Молекулы белков, обладающих четвертичной структурой, - олигомеры - при определенных условиях диссоциируют в растворе на субъединицы, которые при других условиях могут обратимо ассоциировать, образуя первоначальную молекулу.
Уровни организации белковых молекул (повтор!)
Уровни структуры белков: 1 - первичная, 2 - вторичная, 3 - третичная, 4 - четвертичная
Кроме последовательности аминокислот полипептида (первичной структуры), крайне важна трёхмерная структура белка, которая формируется в процессе фолдинга (от англ. folding, «сворачивание»). Трёхмерная структура формируется в результате взаимодействия структур более низких уровней. Выделяют четыре уровня структуры белка.
- Первичная структура - последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Важными особенностями первичной структуры являются консервативные мотивы - сочетания аминокислот, играющих ключевую роль в функциях белка. Консервативные мотивы сохраняются в процессе эволюции видов, по ним часто удаётся предсказать функцию неизвестного белка.
- Вторичная структура - локальное упорядочивание фрагмента полипептидной цепи, стабилизированное водородными связями и гидрофобными взаимодействиями. Ниже приведены самые распространённые типы вторичной структуры белков:
- α-спирали - плотные витки вокруг длинной оси молекулы, один виток составляют 3,6 аминокислотных остатка, и шаг спирали составляет 0,54 нм (так что на один аминокислотный остаток приходится 0,15 нм), спираль стабилизирована водородными связями между H и O пептидных групп, отстоящих друг от друга на 4 звена. Спираль построена исключительно из одного типа стереоизомеров аминокислот (L). Хотя она может быть как левозакрученной, так и правозакрученной, в белках преобладает правозакрученная. Спираль нарушают электростатические взаимодействия глутаминовой кислоты, лизина, аргинина. Расположенные близко друг к другу остатки аспарагина, серина, треонина и лейцина могут стерически мешать образованию спирали, остатки пролина вызывает изгиб цепи и также нарушает α-спирали.
- β-листы (складчатые слои) - несколько зигзагообразных полипептидных цепей, в которых водородные связи образуются между относительно удалёнными друг от друга (0,347 нм на аминокислотный остаток) в первичной структуре аминокислотами или разными цепями белка, а не близко расположенными, как имеет место в α-спирали. Эти цепи обычно направлены N-концами в противоположные стороны (антипараллельная ориентация). Для образования β-листов важны небольшие размеры боковых групп аминокислот, преобладают обычно глицин и аланин.
- π-спирали;
- неупорядоченные фрагменты.
- Третичная или трёхмерная структура - пространственное строение полипептидной цепи (набор пространственных координат составляющих белок атомов). Структурно состоит из элементов вторичной структуры, стабилизированных различными типами взаимодействий. В стабилизации третичной структуры принимают участие:
- ковалентные связи (между двумя остатками цистеина - дисульфидные мостики);
- ионные связи между противоположно заряженными боковыми группами аминокислотных остатков;
- водородные связи;
- гидрофильно-гидрофобные взаимодействия. При взаимодействии с окружающими молекулами воды белковая молекула «стремится» свернуться так, чтобы неполярные боковые группы аминокислот оказались изолированы от водного раствора; на поверхности молекулы оказываются полярные гидрофильные боковые группы.
- Четверичная структура (или субъединичная, доменная) - взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса. Белковые молекулы, входящие в состав белка с четвертичной структурой, образуются на рибосомах по отдельности и лишь после окончания синтеза образуют общую надмолекулярную структуру. В состав белка с четвертичной структурой могут входить как идентичные, так и различающиеся полипептидные цепочки. В стабилизации четвертичной структуры принимают участие те же типы взаимодействий, что и в стабилизации третичной. Надмолекулярные белковые комплексы могут состоять из десятков молекул
Окружение белков
Разные способы изображения трёхмерной структуры белка на примере фермента триозофосфатизомеразы. Слева - «палочковая» модель, с изображением всех атомов и связей между ними; цветами показаны элементы. В середине изображены структурные мотивы, α-спирали и β-листы. Справа изображена контактная поверхность белка, построенная с учетом Ван-дер-Ваальсовых радиусов атомов; цветами показаны особенности активности участков
По общему типу строения белки можно разбить на три группы:
- Фибриллярные белки - образуют полимеры, их структура обычно высокорегулярна и поддерживается, в основном, взаимодействиями между разными цепями. Они образуют микрофиламенты, микротрубочки, фибриллы, поддерживают структуру клеток и тканей. К фибриллярным белкам относятся кератин и коллаген.
- Глобулярные белки - водорастворимы, общая форма молекулы более или менее сферическая. Среди глобулярных и фибриллярных белков выделяют подгруппы. Например, изображённый на картинке справа глобулярный белок, триозофосфатизомераза, состоит из восьми α-спиралей, расположенных на внешней поверхности структуры и восьми параллельных β-слоёв внутри структуры. Белки с подобным трёхмерным строением называются αβ-баррелы (от англ. Barrel - бочка).
- Мембранные белки - имеют пересекающие клеточную мембрану домены, но части их выступают из мембраны в межклеточное окружение и цитоплазму клетки. Мембранные белки выполняют функцию рецепторов, то есть осуществляют передачу сигналов, а также обеспечивают трансмембранный транспорт различных веществ. Белки-транспортеры специфичны, каждый из них пропускает через мембрану только определенные молекулы или определенный тип сигнала.
Обратимая диссоциация гемоглобина происходит как раз по второму типу и может быть вызвана добавлением мочевины, которая разрывает водородные связи. При удалении мочевины субъединицы ассоциируют, образуя исходную молекулу гемоглобина.
Многие ферменты-олигомеры также обладают четвертичной структурой, что имеет большое значение для регулирования их действия в клетке. К числу таких ферментов принадлежит каталаза, которая расщепляет перекись водорода на кислород и воду в соответствии с уравнением
2Н2О2→2Н2О + О2.
Каталаза имеет молекулярную массу 232 тыс. и содержит четыре атома железа в молекуле. Молекула каталазы под действием кислот и щелочей может диссоциировать на более мелкие субмолекулы. Исследование кристаллической каталазы в электронном микроскопе в сочетании с критическим анализом ее химических и физических характеристик привело к представлению о том, что молекула этого фермента состоит из четырех субмолекул, имеющих молекулярную массу 57,5 тыс. Каждая такая субмолекула хорошо видна яри большом увеличении в электронном микроскопе.
Прекрасным примером фермента-олигомера является глютамин-синтетаза - фермент, катализирующий при участии АТР синтез глютамина из глютаминовой кислоты и аммиака. (лекция не закончена, нет окончания!)
2. Диктатура Франко 193975 гг
3. пять химических элементов составляющих земную кору
4. Этапы и перспективы развития содружества независимых государств(СНГ)
5. тема ~ Простая семейная жизнь
6. Реферат- История болезни - хирургия
7. Этапы становления биологии как науки
8. Стаття 2 Законодавство України про охорону прав на винаходи корисні моделі Законодавство України про охор
9. Об образовании в Российской Федерации в значительной мере изменяет систему правового регулирования в сфер
10. Лекция как один из методов обучения на третьей ступени общего среднего образования, методика её подготовки и чтения
11. тематической логике и числовым системам
12. На сцене появляются Снегурочка 1 и Снегурочка 2.html
13. АКВАМАРИН
14. тематический ресторан bring your own resturnt ~ ресторан где посетители приносят свою еду tkewy tke out ~ ресторан
15. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭТИКИ 1
16. Виробництво будівельних матеріалів і виробів з природної сировини
17. Testosteron Джоном Коенгом в 2000 году
18. длительное кровотечение из носа
19. возрастом социальных потерь
20. социальное пространство является основополагающей для технологизации