Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ЧИТИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ
БЕЛКИ. ФЕРМЕНТЫ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
ЧИТА - 2011
УДК – 612.015.348 : 612.015.1
ББК – 28.072
О.К. Плотникова, Л.П. Никитина
Белки. Ферменты: учебное пособие. – Чита, 2011. – 80 с.
Учебное пособие составлено в соответствии с рабочей программой лечебного и педиатрического факультетов медицинских вузов. В нём подробно изложены материалы, касающиеся строения, свойств и биологической значимости белков и ферментов. Приведены примеры их влияния на биохимические процессы в жизнедеятельности организма и использования в медицине. Включены также ситуационные задачи и тестовые задания для оценки уровня знаний.
Учебное издание предназначено для студентов лечебного и педиатрического факультетов медицинских вузов.
Рецензенты:
Старший научный сотрудник лаборатории экспериментальной
и клинической биохимии и иммунологии НИИ медэкологии при
ГБОУ ВПО Читинской государственной Медицинской академии
к.б.н. М.В. Максименя
Директор инновационной научно-производственной лаборатории
«ЗабБиоТех» ФБГОУ Забайкальского Государственного университета
профессор, д.м.н. Б.С. Хышиктуев
Учебное пособие утверждено цикловой методической комиссией медико-биологических дисциплин ЧГМА (протокол № 73 от 27.10.2011) и центральным методическим координационным Советом ЧГМА (протокол № …от ...12.2011)
Плотникова О.К., Никитина Л.П., 2011
ГБОУ ВПО ЧГМА, 2011
Содержание
Список сокращений ………...…………………………………………………….5
Введение …………………...……………………………………………………...6
І. Тема: Белки …………………………………...….……………………………..7
1. Строение и биологическая роль аминокислот, пептидов, белков ………….8
1.1. Первичная структура – аминокислотная последовательность .…….13
1.2. Варианты вторичной структуры ...………….. ….…………………....14
1.3. Пространственная упаковка мицелл за счёт третичной структуры ..15
1.4. Четвертичная структура – высший уровень организации …………..17
2. Свойства протеинов …………………………………………………………..18
2.1. Физико – химические свойства биополимеров ……………………...18
2.2. Особенности биологических свойств белков ………………………...20
3. Методы очистки ……………………… ……………………………….……...21
4. Классификация белков …..……………………………………………….…...24
4.1. Простые белки …………………………………………………….........25
4.1.1. Глобулярные белки ……………………………………………..25
4.1.2. Фибриллярные белки …………………………………………...28
4.2. Сложные белки ……………………………………………..………..…31
5. Биологическая роль протеинов ……………………….……………………...40
6. Вопросы для самоконтроля …………………………………………………..41
7. Тестовые задания для оценки уровня знаний ..……………………………...43
8. Ситуационные задачи …………………………………………………….......45
ІІ. Тема: Ферменты ………………………………………………………….…..46
1.1. Энзим – сложный белок ………………………………………...…….48
1.1.1 Природа и роль кофермента ……………………………………49
1.1.2. Апофермент и его значение ……………………………………51
1.2. Функциональные центры фермента …………….……………..……..53
2. Энзимы как биокатализаторы ...………………………………………..…….54
2.1. Теории, объясняющие механизмы работы ферментов……………....54
2.2. Специфичность действия энзимов ...………………………………....55
2.3. Кинетика ферментативных реакций ………………………………....57
2.3.1. Зависимость скорости реакции от содержания субстрата …..57
2.3.2. Влияние концентрации фермента на скорость реакции ……..58
2.3.3. Эффект колебаний температуры …………….………………...58
2.3.4. Связь интенсивности процесса с величинами рН среды …….59
3.1. Классификация энзимов ………………………………....……………60
3.2. Характеристика отдельных классов ферментов …………..………....60
4. Положительная и отрицательная регуляции работы ферментов ………….63
4.1. Механизм аллостерической регуляции ……………………………....63
4.2. Последствия белок - белкового взаимодействия …………………….66
4.3. Регуляция путём ковалентной модификации ...…………………..…..66
4.4. Частичный протеолиз как способ активации зимогена ….……….....68
4.5. Особенности конкурентного ингибирования ………………………...68
5. Использование ферментов в медицине …………………………….………..70
5.1. Энзимопатии …………………………………………………………....70
5.2. Энзимодиагностика …………………………………………………....72
5.5. Энзимотерапия ………………………………………………………....72
6. Вопросы для самоконтроля …………………………………………………..74
7. Тестовые задания для оценки уровня знаний ..……………………………...75
8. Ситуационные задачи …………………………………………………………77
Приложение №1 Строение протеиногенных аминокислот ......………….........78
Ответы на ситуационные задачи и тесты ………………………………..……..84
Список литературы ………………………………………………………............85
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АДФ – аденозиндифосфорная кислота
а/к – аминокислоты
АТФ - аденозинтрифосфорная кислота
ГАГ– гликозаминогликаны
ГТГ – гонадотропные гормоны
ДГ – дегидрогеназа
ЖКТ – желудочно – кишечный тракт
ИЭТ – изоэлектрическая точка
к.ц. – кислотный центр
ЛДГ – лактатдегидрогеназа
ЛП – липопротеин
ЛПВП – липопротеин высокой плотности
ЛПНП – липопротеин низкой плотности
ЛПОВП – липопротеин очень высокой плотности
ЛПОНП – липопротеин очень низкой плотности
ЛППП – липопротеин промежуточной плотности
НАД+ – никотинамидадениндинуклеотид (окисленная форма)
н/ф – нуклеофил
НЭХС – неэтерифицированный(свободный) холестерин
о.ц. – основный центр
ПВК – пировиноградная кислота
п/п – полипептид
ТАГ – триацилглицеролы
ТТГ – тиреотропный гормон
УФО – ультрафиолетовое облучение
ФАД – флавинадениндинуклеотид
ФЛ – фосфолипид
ФМН – флавинмононуклеотид
ХМ – хиломикроны
ХС – холестерол
ЦТК – цикл трикарбоновых кислот
э/ф – электрофил
ЭХС – этерифицированный холестерол
Hb – гемоглобин
ВВЕДЕНИЕ
Биохимия – это наука, которая изучает механизмы развития, функционирования организмов на молекулярном уровне, структуру химических веществ и процессы, происходящие с ними, обеспечивая жизнь существ, населяющих Землю. В живых клетках происходит синтез множества органических молекул, среди которых особое значение имеют биополимеры – белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды.
Важная роль в жизнедеятельности организмов принадлежит протеинам. Из поколения в поколение передаётся генетическая информация об уникальности их структуры и функций, что обеспечивает видовую и индивидуальную специфичность особи в целом и определяет особенности строения тканей и выполняемой ими работы. Любые перемены в последовательности аминокислот могут привести к изменению конформации полимера с последующим повреждением соответствующих механизмов и развитием заболеваний.
І. ТЕМА: БЕЛКИ
Изучить:
Уметь:
Ознакомиться:
1. СТРОЕНИЕ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ АМИНОКИСЛОТ, ПЕПТИДОВ, БЕЛКОВ
Гетерофункциональные соединения, молекулы которых содержат одновременно амино- и карбоксильную группы, называются аминокислотами (а/к). Общее число, встречающихся в природе аминокислот, достигает 100. При этом в организме человека их найдено около 70, из которых 20 входят в состав белков. Ф.Крик назвал их “магической двадцаткой”. Только они шифруются генетическим кодом. Эти вещества относятся к -аминокислотам (, потому что NH2 - расположена у -С атома по рациональной номенклатуре) и называются протеиногенными (Приложение 1):
Существуют различные классификации аминокислот, входящих в состав белков, в зависимости от признака, положенного в основу их деления. По химической природе боковой цепи выделяют алифатические (ациклические), ароматические, гетероциклические. По количеству функциональных групп: моноаминомонокарбоновые, диаминомонокарбоновые, моноаминодикарбоновые, диаминодикарбоновые. От наличия иных функциональных групп в радикале различают: включающие гидрокси- (окси)аминокислоты, амидо-, серо- и иминосодержащие. В зависимости от вариантов происхождения аминокислоты бывают незаменимые, не способные синтезироваться в организме, отсюда должны поступать с пищей (вал, лей, иле, лиз, тре, мет, фен, три) и заменимые – которые могут и содержаться в продуктах питания, и образовываться при необходимости в клетках. При некоторых, чаще всего наследственных заболеваниях, перечень незаменимых кислот расширяется. Так при фенилкетонурии нарушены реакции, с помощью которых создаётся тирозин (отсюда – условнозаменимые а/к).
По отношению к воде (растворимости их радикалов) подразделяются на:
По степени ионизации их можно рассматривать как кислые, основные и нейтральные. В организме все полярные радикалы гидрофильных кислот находятся в диссоциированном состоянии, что обеспечивает им заряд. Он обусловлен соотношением кислотных и основных центров в молекуле. Если преобладают первые (асп, глу) – заряд будет отрицательным; если - основные (арг, лиз, гис) – положительным. В формировании данного параметра важную роль играет рН среды, в которой соединение растворено. В нейтральной среде аминокислоты, содержащие дополнительную карбоксильную группу, имеют суммарный отрицательный заряд и называются кислыми:
Аспарагиновая кислота (асп)
В радикале основных дополнительно содержится положительно заряженная аминогруппа:
Лизин (лиз)
Если же радикал неполярный (—СН2ОН), то заряд молекулы в целом равен нулю:
Серин (сер)
Любые сдвиги рН среды приводят к изменению заряда молекулы. Та величина показателя, при которой значение общего заряда а/к стремится к нулю, называется изоэлектрической точкой (ИЭТ, рІ). В ИЭТ растворимость вещества минимальна и оно способно выпадать в осадок:
Особенностью - аминокислот является их способность взаимодействовать друг с другом, с образованием пептидов:
Между аминокислотами образуется новая связь – пептидная (амидная), довольно прочная, химически устойчива, в том числе к гидролизу. Поэтому белки in vitro подвергаются этой реакции только в присутствии кислого или щелочного катализатора при длительном кипячении:
Гораздо быстрее протекает ферментативный гидролиз в щелочной среде, продуктами которого являются соли аминокислот.
Количество мономеров в пептидах может сильно варьировать. Цепь, состоящая из двух аминокислот – дипептид, трёх – трипептид, из нескольких – олигопептид (olygo - мало), из большого числа – полипептид (Рис.1).
Простейшими представителями подобных соединений являются дипептиды. Примером могут служить: карнозин (от лат. carnosus - мясной) и ансерин. Они находятся в митохондриях, предотвращая их набухание, тем самым способствуют сохранению функций субклеточных образований.
Пептиды, включающие до 10 аминокислот, называются олигопептидами. Число звеньев в молекуле отражается в её названии: трипептид, пентапептид и т.д. Например: трипептид – глутатион, один из важнейших восстановителей в антиоксидантной системе организма, которая регулирует свободно-радикальные процессы.
Вазопрессин и окситоцин - гормоны задней доли гипофиза, состоят из 9 а/к; регулируют баланс ионов в организме. Вазопрессин (антидиуретический гормон, АДГ) усиливает реабсорбцию воды в почках, контролирует осмотическое давление плазмы крови и водный баланс. Служит гормоном верности и моногамности. А окситоцин вызывает сокращение гладких мышц матки и в меньшей степени − мышц мочевого пузыря и кишечника, стимулирует отделение молока молочными железами. Его ещё называют гормоном счастья, нежности.
Пептиды, содержащие более 10 а/к, называют полипептидами. Например: АКТГ - гормон передней доли гипофиза, состоит из 39 аминокислотных остатков; усиливает секрецию глюкокортикостероидов корой надпочечников; способствует обучению; обеспечивает долговременную память, улучшает адаптацию к изменяющимся условиям окружающей среды.
Пептиды - полярные молекулы и находятся в ионизированном состоянии, следовательно, имеют заряд и способны изменять его при сдвиге рН среды. При ацидозе (смещении рН в кислую) или алкалозе (соответственно в щелочную сторону) растворимость биополимеров будет уменьшаться, что мешает выполнению ими своих функций.
Полипептиды, включающие более чем 50 аминокислотных остатков, называют белками. Их многообразие обусловлено различным сочетанием ≈ 20-ти аминокислот.
Полипептидные цепи – это длинные нити, обеспечивающие выполнение определённых функций. За счёт чередования sp2 и sp3 гибридизованных атомов углерода они способны образовывать определённые более компактные формы молекул в пространстве – структуры белка. Различают четыре уровня подобной организации протеинов: первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры.
Установлены общие правила их формирования в пространстве.
1.1. Первичная структура белка
Это генетически запрограммированная последовательность -аминокислот L-ряда в полипептидной цепи. Она имеет зигзагообразное конформационное строение:
Стабилизируется с помощью пептидных связей.
Каждый белок организма имеет уникальную последовательность аминокислот.
Биороль данной структуры: специфические особенности чередования различных по строению а/к обусловливают индивидуализацию формирования пространственных структур (вторичной, третичной и четвертичной), а следовательно и свойства, и функции получившегося протеина.
1.2. Варианты вторичной структуры белка
Данный уровень образуется благодаря вращению пептидных групп относительно друг друга или появлению в полипептидной цепи одноимённо заряженных либо крупных радикалов, пролина.
Различают -спираль и β-складчатый слой. Радикалы этих структур, как гидрофобные, так и гидрофильные, направлены перпендикулярно цепи, имея наиболее выгодное расположение заместителей - транс-конформацию, поэтому белки, обладающие лишь вторичной структурой, плохо растворимы в воде.
Правозакрученная α-спираль (Рис.2) содержит 3,6 аминокислотных остатка в одном витке; это создает возможность для взаимодействия карбонильного атома кислорода одной пептидной группы с атомом водорода аминогруппы соседнего витка. В результате возникают многочисленные водородные связи, которые стабилизируют данную структуру.
β-структура представляет складчатый слой, образованный одной или несколькими полипептидными цепями, располагающимися параллельно или антипараллельно (Рис.3).
Эта пространственная организация молекулы похожа на «вытянутую» спираль, где радикалы аминокислот препятствуют спирализации и увеличивают расстояние между витками (одноименно заряженные или крупные радикалы).
Оба варианта стабилизируются за счёт водородных связей, а β-складчатый слой может и с помощью дисульфидных мостиков.
Биороль данной структуры: отвечает за формирование третичной структуры и свойства белка.
1.3. Третичная структура белка
Чередование α-спирализованных, β-структурированных и неспирализованных аморфных участков позволяет полипептидной цепи более плотно уложиться в пространстве. В разных белках наблюдается различное соотношение типов структур (Рис.4). Например, инсулин содержит 52% α-спирали и 6% β-структуры, трипсин – 14% и 45% соответственно.
Первичная структура малоорганизованных участков включает пролин, особое строение которого провоцирует в цепи изгибы. Формирование глобул происходит в водной среде клетки, поэтому гидрофобные радикалы аминокислот «прячутся» внутрь сферы, образуя «жирную» каплю, а гидрофильные – будут направлены наружу, способствуя созданию гидратной оболочки мицеллы. Поэтому подобные белки хорошо растворимы в воде.
Стабилизируется с помощью различных дополнительных (добавочных) связей, например:
Биороль: способствует формированию четвертичной структуры, обуславливает выполнение функций.
1.4. Четвертичная структура белка – высший уровень организации
Когда глобулы состоят из двух и более полипептидных цепей, ассоциированных между собой нековалентными (непептидными и недисульфидными) связями, то это свидетельствует, что они обладают четвертичной структурой. Подобные белки называются олигомерами, а их индивидуальные цепи – протомерами (мономерами, субъединицами). Если их молекулы содержат 2 протомера, это димеры, если 4 - тетрамеры и т.д. Их число всегда чётное (от 2 до 24).
Например, гемоглобин А (HbА) – белок эритроцитов, связывающий кислород, состоит из четырёх субъединиц (2 α- и 2 β) (Рис.5). Лактатдегидрогеназа (ЛДГ) – фермент, принимающий активное участие в окислении и синтезе глюкозы, также включает 4 протомера – Н (heart) и М (muscle) в разных сочетаниях: Н4, Н3М1, Н2М2, Н1М3, М4. Креатинкиназа – энзим, используемый в регенерации АТФ при мышечном сокращении, имеет только две субъединицы – В (brain) и М (muscle) в разных сочетаниях: ВВ, ВМ или ММ. Взаимодействие протомеров друг с другом осуществляется по принципу комплементарности, т.е. их поверхность подходит друг другу по геометрической форме и по функциональным группам аминокислот (возникновение ионных и водородных связей).
Стабилизируется с помощью добавочных связей.
Биороль: отвечает за проявление специфических функций белка, выполнение которых обеспечивает только мультимер; его диссоциация приводит к снижению или потере активности протеина.
Особенности строения обуславливают свойства белков.
2.1. Физико - химические свойства биополимеров
а) Аминокислотного состава: чем больше гидрофильных (полярных) а/к, тем лучше это свойство.
б) Уровня организации белковой молекулы. Протеины, обладающие вторичной структурой (фибриллярные), содержат гидрофобные и гидрофильные а/к остатки, обращённые наружу, следовательно, данные полимеры плохо растворимы в воде (кератин волос, коллаген соединительной, эластин покровных тканей). Белки, компактно сложившиеся в пространстве (имеющие третичную и четвертичную структуры - глобулярные), хорошо растворимы, т.к. гидрофобные радикалы аминокислот находятся внутри глобулы, а полярные - направлены наружу, благодаря чему молекула приобретает заряд и способна притягивать диполи воды, образующие вокруг неё гидратную оболочку.
В результате одноимённо заряженные частицы (подавляющее количество природных протеинов - кислые) отталкиваются, а гидратная оболочка отделяет их друг от друга и не даёт им склеиваться. Отсюда наличие заряда и гидратной оболочки – ключевые факторы стабильности белковых растворов (Рис.6).
в) Значений рН
В физиологических условиях в тканях человека рН = 7,35 – 7,40 (слабощелочная). Это оптимальная среда для работы протеинов. Если изменять этот показатель так, что заряд мицеллы будет приближаться к нулю (ИЭТ), то их молекулы будут сближаться, склеиваться и выпадать в осадок. В сильнокислой и сильнощелочной средах белки также осаждаются, так как происходит их денатурация (см. ниже).
Высаливание (ренатурация) – это обратимое осаждение белков, под действием высаливающих реагентов, которые лишают мицеллу гидратной оболочки или/и уменьшают величину заряда. К ним относятся: соли щелочных металлов, аммония, разбавленные растворы кислот и щелочей.
Но так как внутрь мицеллы они не проникают и структуру протеина не нарушают, то при добавлении воды (восстановлении гидратной оболочки) можно вернуть нативность полимеру (возвратить растворимость).
Денатурация – необратимое осаждение белков, вызванное повреждением структуры и последующей за этим потерей физико-химических и биологических свойств молекул.
Среди денатурирующих реагентов можно выделить:
- физические: высокая t0 (свыше 430) усиливает амплитуду колебаний и движения атомов, нарушает их взаимодействие, что приводит к разрыву связей; при низкой t0 кристаллизуются молекулы воды, разрывая острыми краями мицеллу протеина; излучение (УФО, ,β,-лучи) – источник добавочной энергии, которая разрушает связи в белке; изменение давления повреждает структуру, сдавливая протеин.
- химические: концентрированные кислоты и щёлочи резко изменяют рН и вызывают перераспределение электронной плотности, потерю заряда и разрыв, в первую очередь, ионных связей; соли тяжёлых металлов (Cu, Ag, Hg, Pb и т.д.) вступают в прочные контакты с важными функциональными группами белков, изменяют их конформацию и т.д.
Такие реагенты вначале повреждают гидратную оболочку протеина, изменяют заряд (производят высаливание), затем проникают вглубь мицеллы, разрушая добавочные связи. Это приводит к потере нативной конформации белка (вторичной, третичной и четвертичной структур), сопровождающейся утратой специфических функций молекулы. При денатурации не происходит разрыва пептидных связей, т.е. первичная структура сохраняется. Её распад осуществляется только с помощью гидролиза.
Это свойство белков используется в медицине для стерилизации инструментов и материалов (хранение под спиртом, автоклавирование), помещений (кварцевание), обеззараживания раневых поверхностей (с помощью антисептиков), остановки кровотечений электрокоагуляторами при операциях и т.д.
2.2. Особенности биологических свойств белков
3. МЕТОДЫ ОЧИСТКИ И ВЫДЕЛЕНИЯ БЕЛКОВ
Для подробного исследования физико-химических и биологических свойств белков, а также изучения их химического состава и структуры непременным условием является их выделение в химически чистом, гомогенном состоянии. Последовательность операций при этом следующая:
Все методы разделения смесей основаны на том, что их компоненты в результате каких-либо манипуляций оказываются в разных участках системы и могут быть механически отделены друг от друга. Очищение индивидуальных белков является ступенчатым процессом, т.к. на первых этапах очистки фракции содержат множество примесей.
Остановимся на наиболее распространённых методах.
4. КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ
Часть белков включает только аминокислоты, но обычно из-за их лигандности в организме формируются более сложные структуры. Поэтому их и классифицируют следующим образом (рис. 9):
4.1. Простые белки
Простые белки – это биополимеры, состоящие только из аминокислот.
По форме они подразделяются на глобулярные и фибриллярные.
4.1.1. Глобулярные белки
Они довольно сложно организованы, имеют третичную структуру, поэтому растворимы в воде. Из-за направленности заряда их делят на:
Наиболее яркие представители:
Протамины - самые маленькие низкомолекулярные белки (Мr 5000 Д), впервые выявлены в зрелой сперме некоторых рыб. Включают до 85% аргинина. Являются основными компонентами нуклеопротеидов хроматина ядра спермиев, а также полирибосом, что сохраняет и регулирует передачу генетической информации при делении клеток и между особями.
Гистоны – белки с большей, чем у протаминов, молекулярной массой от 11 до 21 тыс. Д. Вклад основных аминокислот лизина и аргинина меньше и составляет от 20 до 30%. Это гетерогенная фракция. Различают 5 классов гистонов: Н1, Н2а, Н2b, Н3, Н4. Их молекулы (кроме Н1) легко взаимодействуют друг с другом, образуя мультимеры – октамеры. В свободном виде они не встречаются, а входят в состав сложных белков – нуклеопротеидов (рис. 10), выполняя следующие функции: структурную и регуляторную. Первая заключается в формировании и стабилизации пространственной компановки молекулы ДНК. Вторая обусловлена тем, что – находясь в связи с этим хранителем информации, они блокируют её передачу на РНК.
Кислые. Это широко распространённые белки в основном, внеклеточных жидкостей. Наиболее богаты ими плазма крови, лимфа, ликвор, молоко и т.д. Из-за преобладания в них кислых аминокислот (глутамата и аспартата) растворы имеют кислый характер.
К ним относят:
Альбумины. Их Мr = 40-70 тыс.Д. Молекулы представляют одну полипептидную цепь небольших размеров. Из-за высокого содержания глутаминовой кислоты имеют солидный отрицательный заряд. Это сильно гидратированные белки (с огромной гидратной оболочкой), поэтому осаждаются только при большой концентрации водоотнимающих средств, а также устойчивы к нагреванию.
Характерным свойством альбуминов является их способность связывать лиганды и адсорбировать на своей поверхности вещества, перенося их с током биологической жидкости. Таким способом в комплексе с ними плазмой крови доставляются к клеткам гормоны, липиды, витамины, лекарства, яды, катионы металлов и т.д.; кроме того эти протеины обеспечивают онкотическое давление плазмы крови и являются её составляющей буферной системы.
Глобулины – это белки с большой молекулярной массой свыше 150 тыс. Д. По сравнению с альбуминами в их составе меньше кислых аминокислот. В отличие от них это слабо гидратированные мицеллы, поэтому легко высаливаются. Кроме того они гетерогенны, что подтверждается при электрофорезе на бумаге, после разгонки регистрируют пять фракций: 1, 2, β1, β2, . Последняя (нейтральные глобулины) является самой крупной и наиболее разнообразной. В ней сосредоточены некоторые факторы свёртывания крови и различные антитела (иммуноглобулины). Отсюда следует, что глобулины выполняют не только функции, подобные альбуминам, но и предохраняют организм от неадекватных кровопотерь и участвуют в его иммунной защите. Они являются составляющей сложных белков – гликопротеинов и липопротеинов.
Соотношение величин альбуминов и глобулинов в плазме крови называется белковым коэффициентом ().
В норме он сохраняется на постоянном уровне и составляет 1,5 – 2,3. Данный параметр изучают с целью диагностики различных патологических состояний. Например: при инфекционных заболеваниях после разделения белков плазмы крови оценивают соотношение величин альбуминов и глобулинов и находят белковый коэффициент (). Если организм борется с инфекцией, то закономерно повышается уровень иммунных защитников -глобулинов в крови, что снижает значения дроби: белковый коэффициент 1,5. Если не борется (что плохо), то величины остаются в пределах нормы, следовательно, врачебная тактика должна быть более активной: требуется дополнительное введение иммуностимуляторов (веществ, усиливающих образование антител) или готовых -глобулинов.
4.1. 2. Фибриллярные белки
Уровень организации этих белков включает лишь вторичную структуру, поэтому они не всегда растворимы в воде. Среди них выделяют:
Миозин - основной сократительный белок. Мr = 470 тыс. Д. Его молекула имеет сильно вытянутую форму и состоит из субъединиц, в состав которых входит по две полипептидные цепи (Н - тяжёлые и L- лёгкие). Две первые (Н с Мr = 210 000) закручены относительно друг друга в -спираль, образуя гидрофобный хвост. Конец каждой такой тяжёлой нити совместно с несколькими лёгкими (L) цепями создают глобулу – гидрофильную головку, способную соединяться с актином (рис. 11). Необычное строение создаёт возможность совмещать в молекуле совершенно разные функции: структурную и каталитическую. Фибриллярная часть обеспечивает образование нитей мышечного волокна, а глобулярная головка служит ферментом, гидролизуещем АТФ до АДФ и Рн. Энергия, выделяющаяся в результате этой реакции, используется для осуществления мшечного сокращения.
Актин – глобулярный протеин с Мr = 42 000 Д. Это также сократительный белок, представлен мелкими гранулами (G – globula - форма), образующими цепь, которая в результате полимеризации приобретает структуру двухцепочечной спирали (F – fibrilla - актин) и напоминает нити бус, закрученные относительно друг друга (рис. 12).
Фибриноген – это гликопротеин с молекулярной массой 340 тыс. Д. Он синтезируется в печени и содержится в плазме крови. Молекула фибриногена состоит из 6 полипептидных цепей (2α, 2β, 2γ), связанных дисульфидными мостиками. Каждый протомер включает большое количество остатков аспартата и глутамата, что создаёт сильный отрицательный заряд, препятствующий агрегации. Фибриноген является I плазменным фактором свёртывания крови. Участвует в образовании фибринового сгустка, превращаясь в фибрин (фактор Iа) путём частичного протеолиза.
- Белки опорных тканей – это протеины соединительной ткани образующие волокна (коллагены, эластины, ретикулин).
Коллаген – это общее название большого семейства похожих протеинов, которые являются основными структурными компонентами межклеточного матрикса многих тканей. На их долю приходится > 30% всех белков (кожи, сухожилий, фасций кровеносных сосудов, хрящей, зубов). Естественно, что в различных органах регистрируются разные типы коллагенов. В настоящее время описано 19 вариантов, различающихся первичной структурой полипептидных цепей, функциями и локализацией в организме. Данный вид белков отличают следующие особенности состава и строения.
Эластин. В отличие от коллагена он включает около 800 а/к остатков, среди которых преобладают лизин, пролин, а также глицин, валин, аланин.
Это основной белок эластических волокон, которые в больших количествах содержатся в межклеточном веществе кожи, стенок кровеносных сосудов, связок, лёгких. Название этих фибрилл отражает их свойство - эластичность, т.е. способность возвращаться в исходное состояние после деформации, что обусловлено особенностями состава и строения белка. Его полипептидные цепи сохраняют гибкую случайную конформацию благодаря наличию пролина и гидрофобных радикалов. А главное – в эластине возникают совершенно уникальные сшивки, присущие только этому белку за счёт формирования таких структур, как лизиннорлейцин и десмозин, образованные соответственно 2-мя или 4-мя остатками лизина разных цепей;
Ретикулин отличается от коллагена наличием в своём составе серосодержащих аминокислот, которые образуя дисульфидные связи между цепочками, делают белок ещё более прочным.
- Белки покровных тканей:
Кератин - это протеин волос, ногтей, а также когтей, шерсти, меха. По строению его полипептидные цепи, образующие β – складчатый слой, включают до 12% серосодержащих аминокислот, с помощью которых отдельные нити прочно связываются между собой что обуславливает, например, форму волос (прямые или кудрявые), а отсюда и возможность изменения их структуры (химическая завивка).
4.2. Сложные белки
Это структуры, содержащие белковую часть – апопротеин и небелковый компонент – простетическую группу. В зависимости от строения последней принято различать следующие их варианты.
Фосфопротеины – это сложные белки, простетической группой которых является остаток фосфорной кислоты. Тип связи между апопротеином и небелковым компонентом – сложноэфирная, которая образуется при взаимодействии ОН-группы серина или треонина с фосфорной кислотой. К протеинам этого класса относятся казеиноген молока, фосфорилированные модификации гистонов, ферменты (РНК-полимеразы, некоторые фосфотрансферазы, фосфатазы) и другие, а также вителлин, фосвитин желтка и овальбумин белка яиц, ихтуллин икры рыб.
Остатки фосфорной кислоты, включённые в белки, находятся в диссоциированом состоянии, что придаёт молекуле сильный отрицательный заряд. Поэтому фосфопротеины могут легко взаимодействовать с лигандами или отталкивать их. Так, например, они связывают ионы Са2+ и транспортируют их.
Но главная особенность данной простетической группы – это возможность изменения конформации и заряда белковой молекулы, что сказывается на её свойствах и функциях. Реакция взаимодействия с фосфорной кислотой называется фосфорилирование или дефосфорилирование и используется, например, для регулирования активности ферментов и изменения функциональной активности биомембран (проницаемости и др.).
Фосфопротеины необходимы для развития зародыша, плода, новорожденного, т.к. содержат оптимальный набор аминокислот, а фосфорная кислота используется для формирования скелета (связывание ионов Са2+), для образования макроэргов – АТФ, АДФ и др., которые требуются в качестве источников энергии в реакциях синтеза, особенно интенсивно протекающих в растущем организме.
Нуклеопротеины – сложные белки, простетической группой которых являются нуклеотиды, и в первую очередь нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК. В качестве апопротеина выступают белки гистоны, реже протамины. Так как эти протеины положительно заряжены, а нуклеиновые кислоты – отрицательно, то связь, образуемая между ними, ионная. Множество октамеров гистонов, комплексируясь с полинуклеотидом, образует нуклеосомы, которые затем компактно укладываются в органоидах (рис. 13).
В функциональном отношении они отвечают за хранение и передачу наследственной информации и процессы биосинтеза белка.
Хромопротеины («цветные белки») своей окраской обязаны простетической группе – пигменту. В зависимости от строения различают следующие подклассы: гемопротеины, флавопротеины, родопсин.
Гемопротеины (красные) – сложные белки, простетической группой которых служит гем. Он представлен порфирином, состоящим из 4-х пиррольных колец, соединённых метиновыми мостиками (—СН=). В центре располагаются ионы Fe2+ (гем b) или Mg2+ (гем а). Связь между апопротеином и небелковым компонентом координационная (донорно-акцепторная). Гемопротеины различаются по составу и структуре белка, обеспечивая разнообразие биофункций. Чаще всего встречается гем b (рис. 14). Он входит в состав гемоглобина (Hb) и миоглобина, обеспечивающих связывание газов, транспорт их эритроцитами или накопление кислорода миоцитами. Мицелла Hb состоит из четырёх полипептидных цепей и служит примером обладания биологическим свойством кооперативность (см. выше) – то есть у каждой последующей субъединицы сродство к кислороду выше предыдущей. Гемоглобин присоединяет кислород в условиях его высокого парциального давления и отдает соответственно в среде с низким содержанием этого газа. Сродство гемоглобина к монооксиду углерода больше, чем к кислороду, поэтому угарный газ (СО) может вытеснять кислород из оксигемоглобина. Образующийся карбоксигемоглобин не способен служить переносчиком кислорода, в тканях развивается гипоксия, опасная для клеток. Эта форма Hb имеет вишнево-красную окраску, обуславливающую цвет лица людей, отравившихся диоксидом углерода, что позволяет легко диагностировать токсическое действие газа. Зародышевый гемоглобин F (α2γ2) обладает более высоким сродством к кислороду, чем HbА взрослых людей. Благодаря этому возможен оптимальный перенос газа от матери к плоду.
Миоглобин – небольшой глобулярный белок (Mr 16500 Да); молекула его состоит из одной полипептидной цепи (153 а/к) и одного гема. Сродство к кислороду у данного гемопротеида значительно больше, чем у гемоглобина, поэтому он может принимать газ от последнего для сохранения или использования его в мышечных клетках.
Гем b является также структурной единицей ферментов каталазы и пероксидазы, обезвреживающих пероксиды, и цитохромов – митохондриальных белков, участвующих в переносе электронов от окисляемых веществ в конечном итоге на кислород за счёт своей способности изменять валентность железа.
Гем а встречается в растительных гемопротеинах и участвует в процессе фотосинтеза.
Флавопротеины (flavus - жёлтый). Их простетической группой служат активные формы витамина В2 (рибофлавин) – ФАД (флавинадениндинуклеотид), ФМН (флавинмононуклеотид). Классический пример данного вида белков оксидоредуктазы — ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции в клетке. В некоторые флавоноиды включены ионы металлов - металлофлавопротеины или молекула гема – флавогемопротеины. Их типичными представителями, содержащими также негемовое железо, являются альдегидоксидаза, ксантинДГ, дигидрооротатДГ, ацил-КоА-ДГ. На долю последних приходится до 80 % митохондриальных белков, выполняющих важную роль в биоэнергетике клетки.
Родопсин (от греч. rhodos — пурпур и opsis — зрение) – это белок, простетической группой которого является активная форма витамина А – ретиналь. Апопротеин связан с ним иминной связью. Родопсин - основное светочувствительное вещество палочек сетчатки глаза. Его функция состоит в восприятии света в сумерках, т.е. он отвечает за сумеречное зрение.
Металлопротеины – сложные белки, где роль небелкового компонента выполняют катионы металлов. Связь между ними ионная или координационная (донорно-акцепторная). Типичными представителями таких белков являются железосодержащие белки.
Ферритин. В его составе ионы Fe3+ депонируются в клетках селезёнки, костного мозга, но богаче всего этим белком печень. Там может накапливаться до 700 мг железа, которое используется по мере надобности для синтеза гема. Гемосидерин – это комплекс гликопротеина и ионов железа, образуется в тканях при кумулировании избытка железа. Трансферрин – растворимый в воде железопротеин, содержащий ещё олигосахариды (металлогликопротеин). Этот белок вырабатывается гепатоцитами и секретируется в кровь, где служит для транспорта катионов этого металла к клеткам других органов. Молекула трансферрина удерживает два иона железа, которые захватывает в кишечнике или местах распада гема, и осуществляет их перенос к точкам депонирования и утилизации. Церулоплазмин аналогично трансферрину обеспечивает транспорт катионов металла, только восьми ионов меди.
Кроме того, многие ферменты в свой активный центр включают различные ионы металлов, выступающие в роли Ко-фактора: Zn2+ - в алкогольдегидрогеназу (алкогольДГ), Mn2+ - в аргиназу, Mg2+ - в гексокиназу, Мо2+ - в ксантинДГ и другие.
Гликопротеины, или гликоконъюгаты. В них простетическая группа представлена углеводными компонентами и связана с белком О-гликозидными (реже N-гликозидными) связями. Небелковый фрагмент некоторых гликопротеидов редко бывает представлен одним моносахаридом; как правило, это олиго- или полисахаридные разветвлённые цепочки. Причём на долю углеводов может приходиться от 1 до 85%.
Исходя из вклада в общую копилку, выделяют два подкласса белков, содержащих углеводы: протеогликаны и гликопротеины. Между ними имеются существенные отличия:
Таблица 1
Отличительные особенности строения углеводсодержащих белков
|
Гликопротеины |
Протеогликаны |
|
|
Как видно из таблицы 1, для собственно гликопротеинов характерно низкое содержание углеводов 15-20 %, которые присоединены к амидному азоту аспарагина N-гликозидной связью, либо к гидроксигруппе остатка серина, реже треонина, гидроксилизина. В глициде отсутствует регулярность в чередовании моносахаридов, регистрируются манноза, галактоза, глюкоза, их аминопроизводные, N-ацетилнейраминовая кислота. Разнообразие гликановых фрагментов используется при построении мембранных рецепторов (рис. 15), для обеспечения взаимодействия антиген-антитело, специфичных контактов клеток между собой, а также в защите ферментов от протеолиза. Почти все внеклеточные белки, включая глобулины (см. 4.1.1.) крови, относятся к гликопротеинам. К ним же принадлежат некоторые гормоны (тиреотропный, гонадотропные) являются гликоконъюгатами. К типичным представителям данного класса белков относятся все антитела (иммуноглобулины), интерфероны, факторы системы комплемента, групп крови и др. Первые — синтезируются в плазмоцитах, обезвреживают антигены любой химической природы. Различают пять классов иммуноглобулинов: IgG, IgM, IgA, IgD и IgE. Интерфероны (α, β, γ) — гликопротеины, образующиеся в клетке в ответ на внедрение вирусов и ингибирующие их размножение.
Другая группа гликоконъюгатов – протеогликаны – характеризуется наличием крупных полисахаридов (рис. 16), в состав которых входят гликозаминогликаны (ГАГ): гиалуроновая кислота, хондроитин-сульфаты, кератансульфаты, дерматансульфаты и гепарансульфаты. Углеводные фрагменты усиливают гидрофильные свойства белков за счёт большого количества гидроксильных групп и кислотных группировок. Соотношение компонентов: протеина - 10-15%, а углеводов - 90-95%. Цепи последних недостаточно гибкие и стремятся принять конформацию очень рыхлого случайного клубка, занимая огромный объём. Будучи гидрофильными, они притягивают много воды и даже в низких концентрациях образуют гидратированные гели. Подобная способность создаёт во внеклеточном пространстве тургор. Протеогликаны хрящевого матрикса содержат гиалуроновую кислоту, образующую студенистый гель, выполняющий роль амортизатора в хрящах и суставных поверхностях. Входя в межклеточное вещество соединительной ткани она регулирует её проницаемость.
Липопротеины – сложные белки, простетическая группа в которых – липиды: нейтральные жиры (ТАГ), эфиры холестерола, фосфолипиды (ФЛ). Между компонентами возникают гидрофобные взаимодействия, реже ионная или эфирная связи.
Все липопротеины имеют сходное строение (рис 17).
Внутри липопротеиновой частицы находится жировая капля – ядро, содержащее неполярные (гидрофобные) липиды: ТАГ и эфиры холестерола. Снаружи оно окружено однослойной мембраной, образованной ФЛ, белком и НЭХС. Белковый компонент получил название аполипопротеин(ы), некоторые из них прочно связаны со всеми фрагментами и не могут быть отделены от целой мицеллы, а другие способны переходить от одного липопротеина к другому. Их белки выполняют несколько функций: формируют структуру частицы, взаимодействуют с рецепторами на поверхности плазмоллем, определяя, каким тканям она необходима, служат ферментами или их активаторами.
Плотность белка выше плотности липидов, поэтому, чем меньше доля апопротеина в частице, тем она тяжелее. По соотношению входящих в частицу компонентов различают несколько классов липопротеинов: хиломикроны (ХМ), липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП), липопротеины промежуточной плотности (ЛППП), липопротеины низкой плотности (ЛПНП), липопротеины высокой плотности (ЛПВП).
Каждый из типов ЛП образуется в разных тканях и транспортирует определённые липиды. Благодаря наличию отрицательного заряда на поверхности ЛП хорошо растворимы в крови. Мицеллы небольших размеров способны легко проникать через стенки сосудов, а некоторым (ХМ) это делать трудно из-за больших размеров, поэтому они сначала попадают в лимфатические сосуды, затем через главный грудной проток вливаются в систему полых вен, правое предсердие, малый круг кровообращения и только потом оказываются в аорте и артериях, доставляющих их к органам.
Характеристика ЛП частиц представлена в таблице 2.
Таблица 2.
Характеристика липопротеиновых частиц
|
Класс ЛП |
Доля белка (%) |
Доля ФЛ (%) |
Доля ХС (%) |
Доля ТАГ (%) |
Плотность (г/мл) |
Места синтеза |
Функции |
|
ХМ |
2 |
3 |
5 |
85 |
< 1 |
Клетки эпителия тонкого кишечника (энтероциты) |
Транспорт в основном экзогенных жиров из кишечника к тканям |
|
ЛПОНП |
10 |
18 |
17 |
55 |
≈1 |
Клетки печени |
Транспорт эндогенных жиров из печени к тканям |
|
ЛППП |
11 |
23 |
38 |
26 |
1,02 |
Плазма крови (из ЛПОНП) |
Промежуточная форма превращения ЛПОНП в ЛПНП под действием ЛП-липаз |
|
ЛПНП |
25 |
21 |
50 |
7 |
1,06 |
Плазма крови (из ЛПОНП и ЛППП) |
Транспорт эндогенного ХС из печени к тканям |
|
ЛПВП |
50 |
27 |
20 |
3 |
1,21 |
Гепатоциты |
Транспорт не использованного ХС из тканей к печени |
Итак, главными транспортными формами ТАГ в организме являются ХМ и ЛПОНП, а перенос ХС осуществляют ЛПНП и ЛПВП. Нарушение баланса между фракциями может приводить к различной патологии. Наибольшую опасность представляет изменение соотношения ЛПНП и ЛПВП, приводящее к атеросклерозу.
5. БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ПРОТЕИНОВ
К основным функциям белков относятся следующие:
1. Структурная. Первое место по количеству среди белков тела человека занимают структурные (коллаген, эластин, кератин и др.). Они участвуют в образовании цитолемм, межклеточного вещества соединительной ткани, в комплексе с углеводами входят в состав ряда секретов (муцина, мукоидов и др.).
2. Каталитическая. Все ферменты является белками. От выполнения этой функции зависит скорость химических реакций в биологических системах.
3. Транспортная. Многие белки плазмы крови, взаимодействуя с гидрофобными молекулами, создавая растворимые комплексы, обеспечивают их перенос. Альбумины принимают участие в транспорте высших жирных кислот (ВЖК), билирубина, стероидных гормонов; мицеллы глобулинов, связываясь с катионами металлов, органическими и неорганическими веществами, обеспечивают их доставку к органам-мишеням. Белки – переносчики помогают соединениям преодолеть мембрану. Например, с их помощью в клетку проникают ионы, глюкоза, аминокислоты и другие молекулы.
4. Дыхательная. Связывание газов (кислорода, углекислого, угарного газов и др.) в крови осуществляется молекулами гемоглобина, являющегося протеином эритроцитов.
5. Сократительная. Специфические белки миоцитов (актин и миозин) играют главную роль в акте мышечного сокращения и расслабления. Похожей способностью обладают также белки цитоскелета (тубулин, спектрин), обеспечивающие расхождение хромосом в процессе митоза.
6. Регуляторная (гормональная). Ряд гормонов, участвующих в поддержании постоянства внутренней среды организма, имеет белковую природу. Например, инсулин – это полимер, содержащий 51 аминокислоту. Секретируется β-клетками поджелудочной железы в кровь при повышении уровня глюкозы в крови после еды и снижает её концентрацию до нормы (3,3 – 5,5 ммоль/л).
7. Питательная (резервная). Существуют специальные резервные протеины, осуществляющие питание плода (овальбумины) и ребенка (альбумины и казеин). Белки плазмы крови, являясь резервами аминокислот, при голодании распадаются до своих мономеров.
8. Защитная. В ответ на поступление в организм чужеродных веществ – антигенов, синтезируются специфические защитные белки – антитела (например, иммуноглобулины). Белки свертывающей системы (фибриноген, тромбин) предохраняют организм от неадекватной потери крови при ранениях.
9. Кроме того, протеины участвуют в экспрессии генетической информации (гистоны, протамины).
10. Зрительная. За принятие зрительных сигналов в сетчатке отвечает специфический белок – родопсин.
11. Поддерживают онкотическое давление крови и клеток (альбумины, глобулины).
12. Обеспечивают гомеостаз pH внутренней среды организма (буферные белковые системы).
13. Рецепторная. С помощью специальных рецепторных белков наружной поверхности плазматической мембраны клеткой воспринимаются информация о состоянии внешней среды, различные регуляторные сигналы.
14. Энергетическая. Только при патологических состояниях или голодании, белки распадаются с выделением энергии.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ УРОВНЯ ЗНАНИЙ
(Выберите один правильный вариант)
1. ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА ОБРАЗУЕТСЯ ЗА СЧЁТ СВЯЗЕЙ:
1) пептидных
2) сульфидных
3) водородных
2. ПЕПТИДНАЯ СВЯЗЬ ВОЗНИКАЕТ МЕЖДУ АТОМАМИ:
1) азота и кислорода
2) азота и водорода
3) азота и углерода
3. ВО ВТОРИЧНОЙ СТРУКТУРЕ БЕЛКА ПРИСУТСТВУЮТ СВЯЗИ:
1) водородные
2) пептидные
3) сульфидные
4. БЕЛКИ ОСУЩЕСТВЛЯЮТ ФУНКЦИИ:
1) защитную
2) структурную
3) все перечисленные
5. ВЫБЕРИТЕ СЕРОСОДЕРЖАЩУЮ АМИНОКИСЛОТУ:
1) треонин
2) цистеин
3) серин
6. КАКАЯ АМИНОКИСЛОТА ПРИДАЁТ БЕЛКАМ ОСНОВНЫЙ ХАРАКТЕР:
1) аргинин
2) тирозин
3) аспартат
7. СПОСОБ ОБРАТИМОГО ОСАЖДЕНИЯ БЕЛКА:
1) денатурация
2) высаливание
3) диализ
8. КОЛЕБАНИЯ ВЕЛИЧИН БЕЛКОВОГО КОЭФФИЦИЕНТА А/Г СЫВОРОТКИ КРОВИ В НОРМЕ:
1) 2,4-2,8
2) 1,5-2,3
3) 1,2-1,4
9. ФАКТОР, ПРЕПЯТСТВУЮЩИЙ ОСАЖДЕНИЮ БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛ:
1) гидратная оболочка
2) отсутствие электрического заряда
3) высокая молекулярная масса
10. КАК НАЗЫВАЕТСЯ ПРОЦЕСС ОСВОБОЖДЕНИЯ СМЕСИ БЕЛКОВ ОТ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ:
1) гидролиз
2) диализ
3) денатурация
11. КУДА БУДЕТ ДВИГАТЬСЯ БЕЛОК ПРИ ЭЛЕКТРОФОРЕЗЕ, ЕСЛИ рН РАСТВОРА НИЖЕ ИЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТОЧКИ:
1) к катоду
2) останется на старте
3) к аноду
12. КАКОЕ СВОЙСТВО ЛЕЖИТ В ОСНОВЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОМПЛЕКСОВ ФЕРМЕНТ-СУБСТРАТ, ГОРМОН-РЕЦЕПТОР, АНТИГЕН-АНТИТЕЛО:
1) комплементарность
2) растворимость
3) кооперативность
13. БЕЛОК, КУМУЛИРУЮЩИЙ ИЗБЫТОК ИОНОВ ЖЕЛЕЗА:
1) тиреотропин
2) церулоплазмин
3) гемосидерин
14. ПРИ ОСТРЫХ ВОСПАЛИТЕЛЬНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЯХ В КРОВИ ПОВЫШАЕТСЯ СОДЕРЖАНИЕ:
1) альбуминов
2) гамма-глобулинов
3) альфа-глобулинов
15. КАКОЙ ГОРМОН ПО СТРУКТУРЕ ЯВЛЯЕТСЯ ГЛИКОПРОТЕИНОМ:
1) вазопрессин
2) паратгормон
3) тиреотропный гормон
16. ЧТО СОСТАВЛЯТ ПРОСТЕТИЧЕСКУЮ ГРУППУ ГЕМОГЛОБИНА:
1) протопорфирин
2) копропорфирин
3) фосфат
17. ФЛАВИНМОНОНУКЛЕОТИД – СОСТАВНОЙ КОМПОНЕНТ:
1) хромопротеидов
2) фосфопротеидов
3) гистонов
18. ПРОСТЕТИЧЕСКОЙ ГРУППОЙ ЦИТОХРОМОВ ЯВЛЯЕТСЯ:
1) углеводы
2) фосфаты
3) производные порфинов
СИТУАЦИОННЫЕ ЗАДАЧИ
II. ТЕМА: ФЕРМЕНТЫ
Изучить:
Уметь:
Ознакомиться:
1. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ФЕРМЕНТОВ
Основу жизнедеятельности любого организма составляют химические процессы, которые обычно протекают с участием природных биокатализаторов, называемых ферментами, или энзимами. В научной литературе утвердились оба термина, но предпочтение отдают первому, хотя наука об этих соединениях называется энзимологией. Слово «фермент» происходит от лат.fеrmentum – закваска, слово – «энзим» от греч. еn – в, внутри и zyme – дрожжи.
Ферменты (энзимы) - это высокоспецифичные белки, являющиеся катализаторами, веществами, которые ускоряют химическую реакцию, но сами в её ходе не расходуются. Вещество, преобразуемое энзимом в результате взаимодействия в один или несколько конечных продуктов (Р) носит название субстрат (S). В настоящее время известно более 3700 биокатализаторов.
Фермент подчиняется общим законам катализа и обладает всеми свойствами, характерными для небиологических катализаторов, однако имеет и отличия, обусловленные особенностями строения.
Сходство ферментов с минеральными катализаторами:
1) Катализируют только энергетически возможные реакции, то есть те, которые могут протекать и без них.
2) Не способны изменять направление процесса.
3) Не сдвигают равновесие обратимой реакции, а лишь ускоряют его наступление.
4) Не расходуются в процессе катализа и выходят из реакции в первоначальном виде.
Oтличия энзимов от небиологических катализаторов:
1) Все ферменты имеют белковую природу, а минеральные катализаторы неорганического происхождения.
2) Характеризуются крупными размерами, потому что обычно состоят из более 100 аминокислотных остатков.
3) Интенсивность ферментативных реакций выше, чем у катализируемых небелковыми веществами и прямо пропорциональна количеству энзима. При минимальных концентрациях максимально увеличивают эффективность реакции (в 107-1014 раз). Одна молекула биокатализатора способна преобразовать от 1000 до 1 млн. субстратов за минуту. Эта скорость недостижима для их небиологических аналогов.
4) Биокатализаторы обладают высокой специфичностью (избирательностью) действия по отношению к субстрату, минеральные же безразличны к его природе.
5) Энзимы катализируют реакции в очень мягких условиях (обычное давление, значения рН, близкие к нейтральным, невысокая tº ≈ 330- 430С), что их выгодно отличает от неорганических, чаще всего требующих ужесточение параметров (давление больше атмосферного, температура выше 1000С, среда сильно кислая или сильно щелочная).
6) Активность ферментов в клетках строго регулируется как на генетическом уровне, так и посредством определённых низкомолекулярных соединений (субстратов и продуктов реакции, катализируемой этими же энзимами) а также с помощью БАВ (витаминов, гормонов, медиаторов, ядов, лекарственных препаратов).
Биокатализаторы, как все протеины, обладают рядом свойств, характерных для высокомолекулярных веществ: амфотерностью, электрофоретической подвижностью и неспособностью к диализу через полупроницаемые мембраны. Их Mr колеблется от десятков тысяч до нескольких миллионов Дальтон. Энзимам присущи все особенности пространственной организации белковых молекул (первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры).
1.1. Энзим – сложный белок
В природе существуют как простые (реже), так в основном и сложные ферменты:
Первые представлены полипептидными цепями и при гидролизе распадаются исключительно на аминокислоты. Это в основном гидролитические ферменты, в частности пепсин, трипсин, липаза, уреаза, лизоцим, рибонуклеаза, фосфатаза и др.
Большинство энзимов относится к классу сложных, содержащих помимо полипептидного компонента (апофермента), какой-либо небелковый фрагмент (кофермент или кофактор), присутствие которого является абсолютно необходимым для каталитической активности. Он может иметь различную химическую природу и отличаться по прочности связи с апоферментом. Исходя из особенности строения, коферментами бывают органические соединения (активные формы витаминов РР, группы В), а кофактор – неорганические частицы (ионы металлов и другие электролиты).
Если апофермент связан прочной ковалентной связью с небелковым компонентом и этот комплекс не разделяется при выделении и очистке, то такой энзим получает название холофермент (холоэнзим), а кофермент – простетическая группа (например, ФАД, ФМН, биотин, липоевая кислота). Когда же между частями мицеллы связь непрочная (нековалентная) и они легко отделяются при диализе, то тогда небелковый фрагмент принято называеть коферментом (например, НАД+, НАД+Ф) или кофактором (ионы металлов: Mg2+, Мn2+, Са2+ и др.).
1.1.1. Природа и роль кофермента
Все коферменты термодинамически стабильные органические соединения, имеющие различное строение. Часто это вещества - производные витаминов (табл. 3)
Таблица 3
Витамины – компоненты коферментов
|
Витамин |
Название кофермента |
Роль |
|
Нуклеотидной природы |
||
|
Никотинамид (витамин РР, или В3) |
Никатинамидадениндинуклеотид (фосфат) (NAD+, NAD+F) |
Перенос протонов и электронов |
|
Рибофлавин, (витамин В2) |
Флавинмононуклеотид, флавинадениндинуклеотид (FMN, FAD) |
Перенос протонов и электронов |
|
Пантотеновая кислота (витамин В5) |
Коэнзим А (СоА) |
Перенос ацильных или ацетильных групп |
|
Фолиевая кислота (витамин ВС) |
Тетрагидрофолиевая кислота (ТHF) |
Перенос метильных, метиленовых, формильных групп или формиминогрупп (одноуглеродных остатков) |
|
Биотин (витамин Н) |
Биоцитин |
Перенос активной формы диоксида углерода |
|
Кобаламин (витамин В12) |
Дезоксиаденозил- и (метил)-кобаламин (В12 - коферменты) |
Меж- или внутримолекулярный перенос атомов |
|
Продукты реакций фосфорилирования с участием АТФ |
||
|
Тиамин (витамин В1) |
Тиаминдифосфат (TDP) |
Перенос карбонильных групп и некоторых молекул |
|
Пиридоксин (витамин В6) |
Пиридоксамин-5-фосфат (фосфопиридоксаль, FP) |
Взаимоперенос амино- и карбоксильной групп |
Кроме того в качестве коэнзимов регистрируются соединения невитаминной природы: глутатион, АТФ, липоевая кислота, производные нуклеозидов (уридинфосфат, цитидинфосфат, фосфоаденозинфосфосульфат), вещества тетрапиррольной природы типа гема и др.
Более 25% всех ферментов для проявления полной каталитической активности нуждается в кофакторах (ионах металлов), механизм влияния которых на скорость реакций разнообразен.
Кофермент необходим для выполнения следующих задач:
1.1.2. Апофермент и его значение
Это белки, имеющие третичную и даже четвертичную структуры. Первый вариант представлен глобулой. Если же апофермент обладает четвертичной структурой, то следовательно, состоит из нескольких одинаковых или разных субъединиц. Аналоги объединяются в мультимер, обладающий максимальной активностью. Энзимы, образованные разными субъединицами, делят на два типа:
Лактатдегидрогеназа (ЛДГ) катализирует обратимое превращение молочной кислоты в пировиноградную, состоит из четырёх субъединиц, которые представлены типами Н- и М- (сердечный и мышечный). Энзимы различных локализаций имеют одну из следующих комбинаций:
ЛДГ1 состоит из НННН
ЛДГ2 – НННМ
ЛДГ3 – ННММ
ЛДГ4 – НМММ
ЛДГ5 – ММММ
Для каждой ткани в норме характерно свое соотношение форм ЛДГ. Например, в сердечной мышце преобладает тип ЛДГ1, а в скелетных мышцах и печени – тип ЛДГ5. Эти обстоятельства широко используют в клинической практике, поскольку изучение изменений спектра изоферментов в сыворотке крови может представлять интерес для дифференциальной диагностики органических и функциональных поражений органов и тканей. Если их содержание меняется, то судят о топографии патологического процесса и о степени поражения органа или ткани.
В целом апоэнзим выполняет следующие функции:
Виды организации фермента в клетке:
- Внутриклеточная разрозненная, когда биокатализаторы разбросаны по клетке, а процессы, за которые они отвечают, не взаимосвязаны.
- Структурно-функциональная представляет мультиэнзимный комплекс; используется если продукт предыдущей реакции ни при каких условиях не может быть вычленен из метаболического пути и обязательно служит субстратом следующего процесса. Обычно такие крупные частицы связаны с мембранами. В качестве примеров подобной организации можно привести пируватдегидрогеназный комплекс (ПВКДГ-комплекс), под действием которого осуществляется окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты (пирувата).
- Органоспецифичная, когда энзимы регистрируются в определённом органе. Так, фермент аргиназа - участник синтеза мочевины, находится только в гепатоцитах, а кислая фосфатаза, отвечающая за гидролиз моноэфиров ортофосфорной кислоты, - в клетках простаты; митохондриальные энзимы - локализующиеся в матриксе данных органоидов биокатализаторы.
Следует отметить одну отличительную особенность: ни кофермент отдельно (включая кофактор), ни сам по себе апофермент каталитической активностью не наделены, и только результат их объединения – холофермент способен изменять скорость реакции. Помогают энзиму выполнять катализ его функциональные центры.
1.2. Функциональные центры фермента
Активный центр – это фрагмент энзима, который взаимодействует с субстратом (S) для образования энзим-субстратного комплекса (ES). Он является результатом комплексирования кофермента с апоферментом. В нём условно выделяют так называемый связывающий участок, или контактную площадку, которая обеспечивает сближение с субстратом и формирование ES-комплекса, и каталитический участок, где непосредственно осуществляется химическая реакция. Количество активных центров в олигомерных биокатализаторах может быть равно числу субъединиц.
Помимо данного функционального локуса в молекуле энзима может присутствует также аллостерический центр (от греч. allos – другой, иной и steros – пространственный, структурный) - это фрагмент полипептидной цепи, расположенной вдали от активного центра, взаимодействует с низкомолекулярными веществами (эффекторами, или модификаторами), регулируя активность фермента. Иногда подобных доменов может быть несколько. Присоединение эффектора к данному участку приводит к изменениям третичной, часто даже четвертичной структуры молекулы и соответственно сдвигам в конфигурации активного центра, вызывая снижение или повышение энзиматического сродства.
2. ЭНЗИМЫ КАК БИОКАТАЛИЗАТОРЫ
2.1. Теории, объясняющие механизм действия ферментов
Общая схема работы фермента:
Выделяют 4 стадии катализируемой реакции.
I стадия. Образование ES-комплекса
Энзимы обладают высокой специфичностью действия, что позволило в 1890г. Э.Фишеру (Е.Fischer) выдвинуть гипотезу, согласно которой активный центр фермента взаимодействует с субстратом по принципу комплементарности, т.е. химического и геометрического соответствия, поэтому этот участок молекулы должен быть стабильным, жёстко структурированным и подходить к субстрату как «ключ к замку». Но позже было выяснено, что не все биокатализаторы обладают этим свойством, но эффект при этом осуществляют.
В 1959 г. Д. Кошландом была предложена новая интерпретация теории «ключа и замка». Согласно идее исследователя, активный центр фермента является гибкой структурой. Под действием электрофильных (э/ф) или нуклеофильных (н/ф) группировок субстрата данный участок, имея подобные радикалы, способен изменять свою конформацию. Таким способом субстрат наводит энзим на себя, производя при этом в своей молекуле пространственные перестройки. Эта теория получила название «индуцированного соответствия», или «индуцированного наведения». Более тесное сближение субстрата и активного центра позволяет им быстро взаимодействовать с последующим образованием энзим-субстратного комплекса.
II стадия. Активация ES-комплекса
Между э/ф и н/ф группами в ES-комплексе происходит перераспределение электронной плотности, в результате изменяется длина химических связей и провоцируется деформация молекулы субстрата; данное явление способствует понижению величины необходимой энергии активации Еа и быстрому протеканию химических преобразований (III стадии).
III стадия. Образование EР-комплекса
В результате пространственной модификации структуры субстрата старые связи ослабляются, затем рвутся, возникают новые и формируется продукт реакции.
IV стадия. Распад EР-комплекса
Так как получившееся новое вещество отличается по конформации от субстрата, то оно не комплементарно активному центру фермента и комплекс распадается на составляющие.
2.2. Специфичность действия энзимов
Данное свойство ферментов по отношению к субстрату обусловлено их строением. Различают следующие варианты специфичности энзимов:
Стереохимическая - проявляется в тех условиях, когда энзим способен катализировать превращение только одного из возможных стереоизомеров субстрата. Например, фумаратгидратаза реагирует с транс-изомером фумаровой кислотой, но не взаимодействует с её цис-изомером (малеиновой кислотой):
Имея абсолютную субстратную специфичность, биокатализатор работает лишь с одним веществом. Наблюдающееся явление и пытался объяснить Э.Фишер, который считал, что конформация активного центра жёстко запрограммирована, - поэтому фермент узнаёт только один свой субстрат. Например, аргиназа разрушает связи только в аргинине:
Уреаза бактерий, птиц гидролизует лишь мочевину:
Относительная (групповая) специфичность свидетельствует о том, что фермент может повреждать связи в различных субстратах. Имея данный вариант специфичности, энзим способен осуществлять один тип реакции, но с субстратами, несколько отличающимися по химическому строению. Цитохром Р450 может гидроксилировать (присоединять группы -ОН) около 7000 соединений как природных, так и ксенобиотиков. Большинство протеаз, осуществляющих гидролиз белков, как животного, так и растительного происхождения, расщепляет их пептидные связи. Панкреатическая липаза разрушает молекулу любого жира.
Но как объяснить факт относительной специфичности? Кошланд как раз и предложил свою теорию «индуцированного контакта». По его мнению, как отмечено выше, пространственная укладка активного центра свободного энзима только намечена, а по мере приближения к нему субстрата группировки последнего несколько меняют расположение участков контактной площадки, приспосабливая её для будущей своей работы. Отсюда различные, но сходные по строению вещества способны преобразовываться одним и тем же ферментом.
2.3. Кинетика ферментативных реакций
Кинетика ферментативных реакций – раздел энзимологии, изучающий зависимость скорости процессов, катализируемых энзимами, от химической природы реагирующих веществ, а также от факторов биосреды. Прежде всего - это соотношение концентраций взаимодействующих веществ: фермента и субстрата. Важны и условия, в которых протекает реакция: температура, кислотность, присутствие регуляторных молекул (активаторов и ингибиторов), солей и других примесей, способных как ускорить, так и замедлить ферментативный процесс, и т.д.
Одним из наиболее существенных факторов, определяющих эффективность реакции, являются величины субстрата (или субстратов) и продукта (продуктов).
2.3.1. Зависимость скорости реакции от содержания субстрата
При стабильных значениях энзима скорость процесса с ростом величин субстрата постепенно повышается, достигая определенного максимума (рис.18), при котором дальнейший подъём его содержания практически не оказывает влияния на ход реакции. В таких случаях принято считать, что субстрат находится в избытке, а фермент полностью насыщен, то есть все его молекулы связаны с исходным веществом. Отсюда фактором, ограничивающим скорость реакции, становится количество биокатализатора.
2.3.2. Влияние концентрации фермента на скорость реакции
Скорость любой каталитической реакции непосредственно зависит от содержания фермента (рис. 19). Линейная зависимость между этими величинами, когда интенсивность процесса прямопропорциональна количеству присутствующего энзима.
2.3.3. Эффект колебаний температуры
Интенсивность химических реакций зависит и от температуры, поэтому катализируемые ферментами процессы также чувствительны к её изменениям. Установлено, что скорость большинства биохимических взаимодействий увеличивается в 2 раза при повышении температуры на 10°С и, наоборот, в такой же степени уменьшается при равном похолодании. Этот показатель получил название температурного коэффициента. Однако вследствие белковой природы биокатализатора неадекватный рост температуры будет снижать эффективную концентрацию энзима с параллельным замедлением скорости реакции. Оптимальной для действия большинства ферментов теплокровных животных является температура 38-39°С. При увеличении её до 42-43°С интенсивность процесса подавляется, потому что число эффективных столкновений молекул субстрата и фермента уменьшается (рис. 20). При падении температуры замедляется движение частиц, а следовательно сокращается число образующихся энзим-субстратных комплексов, и скорость реакции идёт на спад.
2.3.4. Связь интенсивности процесса с величинами рН среды
Для каждого энзима характерны оптимальные значения рН среды. Ферменты животных тканей обычно наиболее активны в пределах узкой зоны концентрации водородных ионов, соответствующей в основном выработанным в процессе эволюции физиологическим значениям рН среды (6,0–8,0). При графическом изображении, на кривой колоколообразной формы имеется определенная точка, в которой биокатализатор максимально эффективен; эту точку называют оптимумом рН среды для действия данного фермента (рис. 21). Даже незначительные (в сотых долях) изменения показателя приводят к глубоким сдвигам в соотношениях нуклеофильных и электрофильных группировок активного центра, что резко сказывается на комплементарности к субстрату и впоследствии - на его эффективности.
3. КЛАССИФИКАЦИЯ, НОМЕНКЛАТУРА ФЕРМЕНТОВ
3.1. Классификация
Согласно Международной классификации (IUPAC), биокатализаторы делят на шесть главных классов, в каждом из которых выделяют несколько подклассов: 1) оксидоредуктазы; 2) трансферазы; 3) гидролазы; 4) лиазы; 5) изомеразы; 6) лигазы (синтетазы). В основу принятого деления положен тип катализируемой реакции, который является специфичным для действия любого фермента.
Название же энзима обычно строится по следующей схеме:
Например, лактатдегидрогеназа, пируваткарбоксилаза, но для гидролаз существует исключение; построение термина упрощено: к названию субстрата добавляют лишь окончание (аргиназа, липаза, фосфатаза и т.д.); в название же синтаз включают не субстрат, а продукт реакции.
2.1.1. Характеристика отдельных классов ферментов
1. Оксидоредуктазы. К этому классу принадлежат ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. Как известно, окисления вещества можно добиться присоединением кислорода, отщеплением водорода, отдачей протонов и электронов, что позволяет выделить соответствующие подклассы оксидоредуктаз.
Оксигеназы производят присоединение к субстрату атома кислорода из его молекулы. Например, реакция синтеза катехоламинов:
Дегидрогеназы катализируют реакции дегидрирования (отщепления молекулы водорода). В качестве их акцепторов используют коферменты НАД+, НАД+Ф, ФАД, ФМН. Все ферменты этой группы обладают субстратной специфичностью. Примером подобной реакции может служить получение оксалоацетата из малата в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК):
Оксидазы переносят электроны и протоны на молекулярный кислород. Такие реакции протекают в процессе клеточного дыхания:
2. Трансферазы отвечают за межмолекулярный перенос функциональных групп. В реакцию вступают 2 субстрата и получаются 2 продукта реакции. В зависимости от природы переносимой группы ферменты подразделяются на: аминотрансферазы, ацилтрансферазы, метилтрансферазы, гликозилтрансферазы, фосфотрансферазы (киназы, если вторым субстратом служит АТФ). Пример:
3. Гидролазы, естественно, осуществляют процесс гидролиза различных сложных соединений. Подразделяют их в зависимости от характера расщепляемой связи: сложно-эфирная (эстеразы, фосфатазы, липазы), пептидная (протеазы), гликозидная (гликозидазы) и т.д.
4. Лиазы – группа ферментов, представляющих по механизму действия «сборную солянку». Они отщепляют от субстрата низкомолекулярные соединения (Н2О, СО2, NН3, Н2S) или присоединяют чаще молекулу воды по двойной связи. Например:
Кроме того, это единственный класс энзимов, способных разрушать – С–С – связь. Например – альдолаза, производя подобный эффект, разделяет молекулу фруктозо – 1,6 – дифосфата на два триозофосфата.
5. Изомеразы в отличие от трансфераз, осуществляющих межмолекулярную перестановку атомов, способствуют их внутримолекулярному переносу.
Если фермент переносит группу атомов или остаток вещества внутри молекулы, то его называют мутазой.
6. Лигазы (синтетазы) катализируют реакции синтеза веществ, которые кроме ферментов, требуют дополнительной энергии АТФ или других макроэргических соединений.
4. ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ И ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИИ РАБОТЫ ФЕРМЕНТОВ
Существуют два направления воздействия на деятельность энзимов: активация и ингибирование. Несмотря на противоположный эффект, между ними можно обнаружить много общего. Регуляция осуществляется с помощью взаимодействия с эффекторами (активаторами или ингибиторами), поэтому зависит от прочности образующейся при этом или уже имеющейся связи (обратимость и необратимость явления), а также от участка, вступающего в контакт с регулятором (активный или аллостерический центр).
4.1. Механизмы аллостерической регуляции
Если эффектор реагирует с группировками аллостерического центра фермента, провоцируя конформационные изменения в этом участке, что естественно сказывается на пространственной укладке активного центра (ведь это единая полипептидная мицелла). Сдвиги в архитектуре последнего сказываются на комплементарности его к субстрату, повышая или наоборот – понижая его сродство. Такие ферменты называют аллостерическими. Подобные биокатализаторы играют важную роль в метаболизме, так как они чрезвычайно быстро реагируют на малейшие изменения внутреннего состояния клетки, что имеет большое значение в следующих ситуациях:
Такой вариант (Рис. 22, а) носит название гомотропного (если эффектор и субстрат - одно и то же вещество). Эти энзимы имеют несколько центров связывания для субстрата, которые могут выполнять две функции: каталитическую и регуляторную. Аллостерические ферменты подобного типа используются в ситуации, когда исходное вещество накапливается в избытке и должно быстро преобразоваться в продукт.
Фермент (Е1), катализирующий превращение субстрата А в продукт В (рис. 22, б), имеет аллостерический центр для отрицательного эффектора, которым служит конечный продукт метаболического пути F (рис. 22, б). Если концентрация F увеличивается (т.е. вещество F синтезируется быстрее, чем расходуется), ингибируется активность одного из начальных ферментов. Такой механизм называют отрицательной обратной связью, или ретроингибированием. Оно часто используется для регуляции обменных процессов в клетке. Логичность его не вызывает сомнений, так как накопившийся конечный продукт, взаимодействуя с аллостерическим центром фермента Е1, подавляет самое начало данного метаболического пути.
4.2. Последствия белок - белкового взаимодействия
Ассоциация и диссоциация энзима, обладающего четвертичной структурой, служит механизмом регуляции его активности (рис. 24).
4.3. Регуляция путём ковалентной модификации
В биологических системах часто встречается механизм регуляции активности энзимов с помощью ковалентной модификации в их аминокислотных остатках. Быстрый и широко распространённый способ подобного явления - фосфорилирование/дефосфорилирование. Модификации подвергаются ОН-группы серина активного и аллостерического центров фермента. Фосфорилирование тоже требует работы биокатализаторов и осуществляется ферментами протеинкиназами, а дефосфорилирование - фосфопротеинфосфатазами. Присоединение остатка фосфорной кислоты приводит к изменению заряда и конформации контактной площадки и её каталитической способности. При этом результат может быть двояким: работа одних при фосфорилировании стимулируется, других же, напротив, подавляется (рис. 25). Например, адреналин фосфорилирует ключевые ферменты синтеза и распада гликогена, в результате последний процесс ускоряется, а формирование гомополисахарида угнетается.
Изменение скорости реакции, вызванное фосфорилированием энзима, обратимо. Активность протеинкиназ и фосфопротеинфосфатаз регулируется гормонами, что позволяет быстро изменять направленность хода процесса в зависимости от возникающих условий. Антагонистичные по функции гормоны по-разному влияют на направленность реакции, вызывая противоположные эффекты в метаболизме.
4.4. Частичный протеолиз как способ активации зимогена
Зимоген, или профермент – это неактивная форма фермента. Когда активный центр энзима закрыт олигопептидным фрагментом белковой цепи, субстрат не может с ним взаимодействовать.
Некоторые биокатализаторы, функционирующие вне клеток (в полости ЖКТ или в плазме крови), синтезируются в виде неактивных предшественников и их преобразование осуществляется с помощью гидролиза одной или нескольких определённых пептидных связей, что приводит к отщеплению фрагмента от белковой молекулы. В результате в оставшейся части апофермента происходит конформационная перестройка и открывается его активный центр.
Рассмотрим данный механизм на примере активации протеолитического энзима трипсина. Трипсиноген - его зимоген, синтезируемый в поджелудочной железе, по её протокам поступает в двенадцатиперстную кишку, где и активируется выше упомянутым способом под действием фермента кишечника энтеропептидазы, отщепляющей гексапептид с N-конца молекулы, в результате в сохранившейся части мицеллы формируется активный центр. Предварительное ингибирование предотвращает распад клеточных белков pancreas под действием активных форм энзима.
Частичный протеолиз - пример регуляции, когда активность биокатализатора изменяется необратимо. Такие ферменты функционируют, как правило, в течение короткого времени, определяемого сроком жизни белковой молекулы. Данный механизм лежит в основе положительной регуляции не только протеаз, но и белков свёртывающей системы крови и фибринолиза, протеинов системы комплемента, а также пептидных гормонов.
В отличие от активаторов, подавляющее большинство которых положительно действует на ход реакции за счёт связывания с группировками, отдалёнными от активного центра, ингибиторы могут находить контакт и с ним, и с его аллостерическим аналогом (см. выше). Отсюда выделяют два варианта угнетения процесса: конкурентное и неконкурентное. Последнее в природе более распространено, так как не требует пространственного и химического сходства с субстратом, а только необходимо наличие в нём группировок, способных присоединиться к аллостерическому центру.
Если в направленности сдвигов ингибирование отличается от активирования, то по прочности образующейся связи в комплексе ингибитор – фермент (InE) оно аналогично, т.е. также различают обратимый и необратимый механизмы. Логично предположить, что живой организм обычно использует неконкурентное обратимое подавление скорости реакций, оно даёт возможность быстрого ответа на изменившиеся условия. Необратимость отрицательной регуляции не физиологична, о чём свидетельствует следующий пример. Йодацетат, диизопропилфторфосфат (ДФФ), а также диэтил-n-нитрофенилфосфат, соли синильной кислоты cвязывают и выключают функциональные группы или ионы металлов в молекуле энзима. ДФФ – соединение из группы нервнопаралитических отравляющих веществ, прикрепляясь к остатку серина, находящегося в активном центре ацетилхолинэстеразы, образует фермент-ингибиторный комплекс. В норме данный биокатализатор гидролизует ацетилхолин, играющий роль нейромедиатора. Почти сразу после очередного нервного импульса ацетилхолинэстераза расщепляет его на холин и уксусную кислоту, и нейрон готов к передаче следующего импульса. Если же формируется InE - комплекс, распад медиатора подавляется, он накапливается, нервные импульсы следуют один за другим и мышца длительное время не расслабляется. В конце концов, наступает паралич или смерть.
Некоторые ферменты полностью угнетаются очень малыми концентрациями ионов тяжелых металлов, например ионов ртути (Hg2+), серебра(Ag+) и мышьяка (As+) или йодуксусной кислотой. Эти электролиты необратимо соединяются с сульфгидрильными группами (–SH) и вызывают денатурацию апофермента.
Подавление скорости химической реакции используют в медицинской практике. Для лечения инфекционных заболеваний, вызываемых бактериями, применяют сульфаниламидные препараты. Это обусловлено тем, что они имеют структурное сходство с парааминобензойной кислотой (ПАБК), которая необходима бактериальной клетке для синтеза жизненно важной фолиевой кислоты, являющейся коферментом. Благодаря близости пространственного строения сульфаниламид блокирует действие фермента путем вытеснения ПАБК из комплекса с ним, что ведет к торможению роста и размножения микроорганизмов.
5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФЕРМЕНТОВ В МЕДИЦИНЕ
Достижения энзимологии находят все большее применение в медицине, в частности в профилактике, диагностике и лечении болезней. Успешно развивается её новое направление – медицинская энзимология. Выделяются три основных направления этой науки: 1) изучение энзимопатологий (энзимопатий), то есть таких болезней, причина которых лежит в изменённой активности или полном отсутствии какого-либо фермента; 2) энзимодиагностика – раздел науки, использующей эти вещества с целью диагностики; 3) энзимотерапия основана на применении энзимов и модуляторов (активаторов и ингибиторов) их действия в качестве лекарственных средств.
Если фермент не может выполнять свою функцию, говорят об энзимопатологии (энзимопатии).
Энзимопатологии (энзимопатии) – это состояния, связанные с патологическим изменением активности биокатализаторов. Наиболее часто встречается снижение их эффективности, провоцирующее нарушение каких-либо метаболических процессов. Клиническое значение при этом может иметь накопление субстрата (как при фенилкетонурии, сахарном диабете, гликогенозах, липидозах) или недостаток продукта (при альбинизме, паркинсонизме), или обе особенности одновременно. По характеру нарушения выделяют первичные и вторичные энзимопатии.
Первичные (наследственные) энзимопатии обусловлены генетическим дефектом, приводящим к синтезу повреждённого фермента, что снижает его активность. Например, фенилкетонурия связана с мутацией гена фенилаланин-4-монооксигеназы, которая обычно превращает фенилаланин в тирозин. Когда этого не происходит, накапливаются аномальные метаболиты фенилаланина, оказывающие сильный токсический эффект. Непереносимость лактозы обусловлена подавлением активности лактазы в желудочно-кишечном тракте, накопление низкомолекулярного субстрата грозит диареей, метеоризмом.
Кроме указанных, довольно распространенными первичными энзимопатиями являются галактоземия, муковисцидоз, адреногенитальный синдром, различные липидозы.
Сюда же относят и врождённые энзимопатии, связанные с заболеваниями, перенесёнными женщинами в период беременности, которые отражаются на плоде. Например, эндемический зоб у мамы способен спровоцировать развитие кретинизма у младенца.
Вторичные (приобретенные) энзимопатии возникают как следствие действия различных факторов (вирусов, токсинов, бактерий, механических повреждений и т.д.), которые нарушают синтез того или иного фермента, условия его работы; например, при поражении печени ухудшается мочевинообразование, и в крови накапливается ядовитый аммиак (гипераммониемия), что служит примером токсической энзимопатии. Алиментарная энзимопатия может возникать из-за недостаточного выделения секретов желудочно-кишечного тракта при заболеваниях желудка, поджелудочной железы или желчного пузыря. Дефицит витаминов и их коферментных форм также является причиной приобретенных ферментопатий.
Энзимодиагностика – это исследование активности ферментов плазмы крови и других биологических жидкостей, клеток тканей, используемое в целях диагностики тех или иных заболеваний. Примером может служить изучение спектра изоферментов лактатдегидрогеназы в плазме крови, что поможет отдифференцировать заболевания сердца, печени, скелетной мускулатуры. Увеличение активности α-амилазы, особенно в моче, наблюдается при воспалительных процессах в поджелудочной или слюнных железах.
С другой стороны, для поражений тех или иных органов характерен специфический "ферментативный профиль". Например, инфаркт миокарда сопровождается ростом значений ЛДГ, креатинкиназы, аспартатаминотрансферазы.
Специфичность энзимов к определенным субстратам нашла широкое применение в лабораторной диагностике. Многие её методы основаны на взаимодействии с определяемым соединением энзима, добавляемого в качестве реагента. В результате возникает специфичный продукт реакции, после выявления содержания последнего судят о концентрации искомого вещества (глюкозооксидазный, холестеролоксидазный методы). В иммуноферментных пробах используют образование тройного комплекса: фермент-антиген-антитело.
Энзимотерапия основана на использовании биокатализаторов в качестве лекарственных средств.
Самыми распространенными ферментативными препаратами являются комплексы энзимов желудочно-кишечного тракта (Фестал, Панзинорм форте, Мезим форте, Энзистал и другие), содержащие пепсин, трипсин, амилазу и применяемые в заместительной терапии при нарушениях пищеварительной системы.
Цитохром с – фермент, участвующий в процессах тканевого дыхания. Его используют в коррекции асфиксии новорожденных, астматических состояниях, сердечной недостаточности, различных видов гепатита и т.п.
Гиалуронидаза нужна организму для гидролиза гиалуроновой кислоты – основного компонента межклеточного вещества. Её лекарственную форму – лидазу – вводят для размягчения рубцов, увеличения подвижности в суставах, рассасывания гематом, т.е. литические энзимы работают в необычном ракурсе, усиливая необходимый положительный эффект (вспомогательная терапия).
Рибонуклеаза и дезоксирибонуклеаза входят в состав жидких препаратов для лечения вирусных конъюнктивитов. При нанесении на рану они разжижают гной; при ингаляциях уменьшают вязкость слизи, деполимеризуя нуклеиновые кислоты в мокроте. Коллагеназу применяют для ускорения отторжения некротизированных тканей, для очистки трофических язв. Трипсин вдыхают при бронхолегочных заболеваниях для разжижения густой и вязкой мокроты. Фицин используется в фармацевтической промышленности в качестве добавки к зубным пастам для удаления зубного налета.
В настоящее время весьма широко применяются ингибиторы энзимов, например, протеаз (контрикал, гордокс) при панкреатитах, когда происходит активирование пищеварительных ферментов в клетках поджелудочной железы и её протоках.
Физостигмин, прозерин, подавляя активность холинэстеразы, способствуют сохранению в синапсах нейромедиатора ацетилхолина и показаны при миастении, двигательных и чувствительных нарушениях при невритах, радикулитах, психогенной импотенции. Препараты, содержащие ингибиторы моноаминоксидазы (наком, мадопар), предотвращают распад катехоламинов в ЦНС, сохраняют нормальную передачу сигналов в нервной системе, что используется при лечении паркинсонизма.
Угнетение активности ангиотензинпревращающего фермента (АПФ) с помощью каптоприла, эналаприла и других приводит к гипотензивному эффекту, так как эти соединения, воздействуя на АПФ, предотвращают созревание ангиотензина, стимулирующего тонус мышечных волокон, артерий, сердца, что сопровождается расширением сосудов, уменьшением нагрузки на миокард. Аллопуринол – ингибитор ксантинДГ (энзима катаболизма пуринов) требуется для снижения скорости образования его конечного продукта - мочевой кислоты с последующим подавлением развития гиперурикемии и подагры. В последние годы на фармацевтическом рынке особое значение приобрели статины (ловастатин, флувастатин, аторвастатин) – вещества, подавляющие активность β-гидрокси-β-метилглутарил-SКоА-редуктазы – ключевого биокатализатора синтеза холестерина - единственные фармсредства, обладающие положительным эффектом в коррекции атеросклероза, заболеваниях сердечно-сосудистой системы, дислипопротеинемий, так как при этом снижают продукцию данного липида.
Ингибитор карбоангидразы (ацетазоламид) применяют в качестве мочегонного препарата при лечении отеков, алкалоза, горной болезни.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Что такое фермент?
2. Чем он выгодно отличается от минеральных катализаторов?
3. Как построена молекула фермента?
4. Какую природу имеют коферменты? С какой целью используются в ферментативных реакциях?
5. Какова роль апофермента?
6. Как называются функциональные центры энзимов?
7. Как обычно строится название фермента? А если он относится к классу лигаз?
8. В чём сходство и отличия различных классов энзимов?
9. Что является главным условием успешной работы фермента?
10. Чем предпочтительней теория Кошланда?
11. Почему при повышении температуры организма даже на 1-30 резко меняется (как?) активность энзимов?
12. Как влияют колебания рН среды на активность ферментов?
13. Почему липазы и протеазы ЖКТ секретируются в виде зимогенов? Как происходит их активация?
14. Какой вид ингибирования наиболее распространён в живых клетках? Почему?
15. Что такое энзимопатии? Приведите примеры.
16. Как врачи-лаборанты могут использовать ферменты с целью диагностики?
17. Почему трипсин, который в физиологических условиях работает как протеаза в ЖКТ, можно применять при болезнях дыхательной системы?
ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ УРОВНЯ ЗНАНИЙ:
(Выберите один правильный вариант)
1. ПРИ НЕОГРАНИЧЕННОМ УВЕЛИЧЕНИИ КОНЦЕНТРАЦИИ СУБСТРАТА СКОРОСТЬ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ РЕАКЦИИ ИЗМЕНЯЕТСЯ
1) сначала возрастает, затем сохраняется на достигнутом уровне
2) непрерывно возрастает
3) сначала снижается, затем возрастает
2. КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ ОСНОВАНА НА
1) кинетической характеристике
2) органной принадлежности
3) типе катализируемой реакции
3. ПЕПСИН ОБЛАДАЕТ СПЕЦИФИЧНОСТЬЮ
1) абсолютной
2) относительной
3) стереохимической
4. ФУНКЦИЕЙ АЛЛОСТЕРИЧЕСКОГО ЦЕНТРА ФЕРМЕНТА ЯВЛЯЕТСЯ
1) связывание регуляторов
2) связывание субстрата
3) связывание кофермента
5. ФУНКЦИЕЙ КАТАЛИТИЧЕСКОГО УЧАСТКА АКТИВНОГО ЦЕНТРА ФЕРМЕНТА ЯВЛЯЕТСЯ
1) связывание субстрата
2) временное связывание регулятора
3) преобразование субстрата
6. КАРДИОМИОЦИТЫ В НАИБОЛЬШЕМ КОЛИЧЕСТВЕ СОДЕРЖАТ ИЗОФЕРМЕНТ
1) ЛДГ-3
2) ЛДГ-1
3) ЛДГ-5
7. К МУЛЬТИЭНЗИМНЫМ КОМПЛЕКСАМ ОТНОСЯТ
1) -кетоглутаратдегидрогеназу
2) изоферменты ЛДГ
3) пируваткарбоксилазу
8. НЕСПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИНГИБИТОРЫ СНИЖАЮТ АКТИВНОСТЬ ФЕРМЕНТА, ВЫЗЫВАЯ
1) связывание субстрата
2) связывание кофермента
3) изменение конформации фермента
9. КОФЕРМЕНТНАЯ ФОРМА ВИТАМИНА В2
1) ФМН
2) НАД+
3) ТДФ
10. АКТИВАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ МОЖЕТ ОСУЩЕСТВЛЯТЬСЯ ПУТЁМ
1) удаления кофермента
2) ограниченного протеолиза
3) блокирования активного центра
11. КОФЕРМЕНТНАЯ ФОРМА ВИТАМИНА В3
1) пиридоксальфосфат
2) ретиналь
3) никотинамидадениндинуклеотид
12. ИЗОФЕРМЕНТЫ ОТЛИЧАЮТСЯ ДРУГ ОТ ДРУГА
1) числом субъединиц
2) тканевой локализацией
3) типом катализируемой реакции
СИТУАЦИОННЫЕ ЗАДАЧИ
5. Почему операции на головном мозге проводят после предварительной гипотермии?
6. Почему сульфаниламидные препараты подавляют рост бактериальных клеток?
7. На чём основано действие нервно-паралитических ядов?
2. Валин (вал)
3. Лейцин (лей)
4. Изолейцин (иле)
5. Метионин (мет)
6. Фенилаланин (фен)
7. Триптофан (три)
3. Треонин (тре)
4. Тирозин (тир)
5. Цистеин (цис)
6. Глутамин (глн)
7. Аспарагин (асн)
2. Глутаминовая кислота (глу)
2. Аргинин (арг)
3. Гистидин (гис)
ОТВЕТЫ
Ответы на ситуационные задачи
по теме «Белки»:
1.
2. Гли-лей-гли, лей-гли-лей, гли-гли-лей, лей -лей-гли.
3. Так как цистеин нейтральная аминокислота, то в водном растворе заряд её равен нулю. Однако карбоксильная группа легче отдает протон, чем аминогруппа его присоединяет. Поэтому в растворе будут преобладать отрицательно заряженные группы, что придаёт данной аминокислоте слабую отрицательность. Следовательно, она будет двигаться к катоду.
4. Белковый коэффициент в норме должен быть 1,5 – 2,3. Если он остаётся в пределах нормы, значит, иммунная система организма не отвечает на внедрение инфекционного начала. Следовательно, врач должен назначить введение иммуностимуляторов или же готовых антител (лицам пожилого возраста).
5. Основу шерсти составляют белки. В горячей воде (выше 400) с применением моющих средств (детергентов) происходит их денатурация.
6. Частое использование горячей завивки вызывает денатурацию белков волоса. Температура нагревания таких щипцов свыше 500, что способствует исчезновению гидратной оболочки, усиливает амплитуду колебаний атомов в молекулах, разрушая добавочные связи и доводя уровень организации до первичной структуры. В результате протеин утрачивает свою нативность, а соответственно и биологические свойства.
7. Нуклеиновые кислоты – это полианионы, так как содержат много остатков фосфорной кислоты, следовательно, имеют большой отрицательный заряд. Нуклеопротеиды – сложные белки, соединённые с помощь. Ионных связей между положительно заряженными гистонами и полианионами нуклеиновых кислот. В целом величина их заряда будет резко снижена. В воде же хорошо растворяются сильно ионизированные молекулы, к каковым и относятся нуклеиновые кислоты.
8. Можно. Об этом свидетельствуют серьёзные сдвиги баланса между фракциями ЛПНП и ЛПВП. Если содержание ЛПВП низкое, а ЛПНП – высокое, можно говорить о предрасположенности к атеросклерозу, потому что ЛПВП выводят неиспользованный холестерин из тканей и крови, в то время как ЛПНП, наоборот, способствуют его накоплению в стенках артерий.
по теме «Ферменты»
1. Возможны два варианта. Если группировки активного центра пространственно жёстко закреплены и не способны несколько менять конформацию, то они комплементарны только одному субстрату (абсолютная специфичность); следовательно, такой фермент не только не узнает аналог субстрата, связь с ним будет мешать работе, угнетать скорость реакции. Если же при сближении молекулы субстрата с группировками контактной площадки, последние под его влиянием могут изменить свою укладку и принять аналог субстрата как родной, то образование такого субстрат-энзимного комплекса закончится успешным получением продукта реакции (относительная специфичность.)
2. Пируваткарбоксилаза.
3. В лечебной практике используют препараты, содержащие протеолитические ферменты животного (пепсин, трипсин, химотрипсин), микробного (террилитин, гигролитин, стрептокиназа) и растительного происхождения (папаин, бромелаин). Они гидролизуют пептидные связи в молекулах клеточных белков, вызывая лизис омертвевающих тканей. Жизнеспособные структуры подобному влиянию не поддаются, так как молекулы нативных протеинов стабилизированы рядом нековалентных взаимодействий, что сохраняет их конформацию (укладку), делая недоступными пептидные связи для активного центра протеаз; кроме того, в функционирующих клетках имеются специфические ингибиторы протеолитических ферментов.
Трипсин, химотрипсин, террилитин и другие препараты способствуют очищению раневых поверхностей, расплавляя некротизированные ткани и фибринозные образования, разжижая вязкие секреты и экссудаты, сгустки крови, оказывают противовоспалительное действие.
4. Фумаратгидратаза. Класс: лиазы.
5. Работу головного мозга невозможно остановить без последствий. Поэтому при проведении операции на нём необходимо уменьшить интенсивность происходящих там ферментативных реакций. С этой целью предварительно обеспечивают гипотермию. При понижении температуры движение молекул замедляется, и частота столкновений ферментов с субстратами заметно снижается, а следовательно и скорость реакции тоже.
6. В норме у здорового человека ПАБК является субстратом для ферментов нормальной микрофлоры кишечника. Они синтезируют из неё фолиевую кислоту (вит Вс). Сульфаниламиды имеют структурное сходство с ПАБК и выступают в роли ингибитора, подавляя синтез витамина – нарушая тем самым и жизнедеятельность микрофлоры.
7. Группа нервно-паралитических ядов объединяет ряд веществ, близких по химическому строению, и называемых фосфорорганическими веществами (ФОВ): фосфорилтиохолины, фосфорилхолины. Они проникают в организм при дыхании, через кожные покровы и одежду. Фосфорорганические соединения имеют структурное сходство с ацетилхолином (медиатором нервного возбуждения) и связываются в активном центре фермента ацетилхолинэстеразы, осуществляющей его гидролиз, с ОН-группой остатка серина, образуя прочный комплекс. В результате необратимо блокируется гидролиз ацетилхолина, нарушается проведение нервного импульса.
Варианты правильных ответов на контрольные тесты
по теме «Белки»
|
№ вопроса |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
|
ответ |
1 |
3 |
1 |
3 |
2 |
1 |
2 |
1 |
1 |
2 |
3 |
1 |
3 |
2 |
3 |
1 |
1 |
3 |
по теме «Ферменты»
|
№ вопроса |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
ответ |
1 |
3 |
2 |
1 |
3 |
2 |
1 |
3 |
1 |
2 |
3 |
2 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Основная литература:
1. Николаев А.Я. Биологическая химия / А.Я. Николаев. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Мед. информ. Агентство, 2004. – С. 11 - 44.
2. Биологическая химия / Е.С. Северин [и др.] – М. : Мед. информ. Агентство, 2008. – С. 9 - 47.
3. Щербак И.Г. Биологическая химия: учебник / И.Г. Щербак. – СПб. : Изд- во СПбГМУ, 2005. – С. 9 - 54, 105 - 139.
Дополнительная литература:
1. Биохимия / под ред. Е.С. Северина.- 4-е изд., испр. — М. : ГОЭТАР – Мед, 2011. – 760с.: ил. – (Серия «ХХI век»).
2. Биохимия с упражнениями и задачами / под ред. Е.С. Северина. — М. : ГОЭТАР – Медиа, 2011. – 624 с.
3. Гидранович В.И. Биохимия / В.И. Гидранович, А.В. Гидранович. – М. : ТетраСистема, 2010. – 528 с.
4. Плакунов В.К. Основы энзимологии / В.К. Плакунов. – М. : Логос, 2011. – 128 с.
5. Северин Е.С. Краткий курс с упражнениями и задачами / Е.С. Северин, А.Я. Николаев. — М. : ГОЭТАР – Мед, 2010. – 784 с.: ил. – (Серия «ХХI век»).
6. Семчиков Ю.Д. Высокомолекулярные соединения / Ю.Д. Семчиков. – М. : Академия, 2010. – 368 с.
7. Солвей Дж.Т. Наглядная биохимия / Дж.Т. Солвей. – М. : ГЭОТАР – Медиа, 2011. – 136 с.
8. Старостина В.К. Холинэстераза: диагностическое значение и методы анализа / В.К.Старостина, С.А. Дёгтева // Поликлиника. – 2010. - №3. – С. 26-29.
9. Титова Н.М. Биохимия и молекулярная биология. Версия 1.0 [Электронный ресурс]: конспект лекций / Н.М. Титова [и др.] – Электрон. дан. (10 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, 2008.
10. Эрлих Г. Кирхгоф, ферменты и химия будущего / Г. Эрлих // Химия и жизнь - ХХI век. – 2011. - №11. – С. 36 - 41.
11. Erik R. Glucose modulation of glucokinase activation b small moleculas/ R. Erik, T. Jim // Biochemestry. - 2008. - №17. - P. 5028 – 5036.
12. Matta Cherif F. Quantum Biochemistry. Electronic Structure and Biological Activity. (Квантовая биохимия. Электронная структура и биологическая активность). – 2010. - 920 с.
Белки (протеины - от гр. protos-первый, важнейший) – это биополимеры, мономерами которых служат -аминокислоты L-ряда, связанные между собой пептидными (амидными) связями.
β-аланин
ІV
H2N — СН — COOH
Аминокислоты
Гидрофобные
Гидрофильные
Н2N-СН-СООН
СН2СООН
НОН
Н3N-СН-СОО
СН2СОО
..
кислотные
центры
о.ц.
q = -1
Н2N-СН-СООН
(СН2)4
к. ц.
о.ц.
NН2
о.ц.
Н3N-СН-СОО
q=+1
(СН2)4
NН3
НОН
..
Н2N-СН-СООН
СН2ОН
НОН
Н3N-СН-СОО
СН2ОН
к.ц.
о. ц.
q=0
(рН=7)
..
к.ц.
ИЭТ в слабокислой среде
рН=7
q =-1
рН>7
q = -2
рН<7
q=0
- НОН
Н
:
..
..
НО
СН2СОО
Н2N-СН-СОО
СН2СООН
Н3N-СН-СОО
о.ц.
к.ц.
СН2СОО
Н3N-СН-СОО
НОН
СН2СООН
Н2N-СН-СООН
..
Н2N-СН-
СН3
Аланин
С
:
..
О
ОН
δ+
δ-
+
НN-СН-
СН2ОН
Серин
С
:
..
О
Н
δ+
Н
..
Н2N-СН-
СН3
Аланилсерин (дипептид)
С
О
НN-СН-
СН2ОН
С
О
ОН
НОН
пептидная связь
Н3N-СН-
R1
СООН
+
Н3N-СН-
СООН
Н2N-СН-
С
О
НN-СН-
СООН
R2
R1
R2
Н+
НОН
+
Пептиды
Дипептиды
Карнозин, ансерин
Олигопептиды
Глутатион,
взопрессин,
окситоцин
Полипептиды
АКТГ,
инсулин
:
Рис. 11. Строение молекулы миозина:
1 – глобулярные головки;
2 – фибриллярный хвост
Рис.10. Строение нуклеосомы
Рис. 9. Классификация белков
Рис.8. Диализ (белые крупные кружки - молекулы белка,
черные - молекулы хлористого натрия)
б
НN-СН-СОО
С
О
С
СОО
СН2
О=С-NН2
СН2
НN-СН-
О
Н3N-СН2-
рН=7
q = -1
НN-СН-СООН
С
О
С
СООН
СН2
О=С-NН2
СН2
НN-СН-
О
Н2N-СН2-
к.ц.
δ+
δ-
о.ц.
к.ц.
НN-СН-СОО
С
О
С
СООН
СН2
О=С-NН2
СН2
НN-СН-
О
Н3N-СН2-
рН<7
q=0
ИЭТ в слабо кислой среде
НN-СН-СОО
С
О
С
СОО
СН2
О=С-NН2
СН2
НN-СН-
О
Н2N-СН2-
рН>7
q = -2
..
..
НО:
- НОН
Н
НОН
N
О
Н
С
Н
С
Н2N
R1
С
Н
С
О
Н
R2
R3
С
Н
С
ОН
О
N
Фосфопротеиды
Гликопротеиды
Хромопротеиды
Металлопротеиды
Нуклеопротеиды
Липопротеиды
Белки покровных тканей: кератин
Белки опорных тканей: коллаген, эластин, ретикулин
Нерастворимые
Растворимые в воде и водно-солевых растворах:
фибриноген, актин, миозин
Нейтральные:
глобулины
Основные:
протамины,
гистоны
Кислые:
альбумины,
глобулины
Фибриллярные
Глобулярные
Сложные
Простые
Белки
20 – 30 %
40 – 50 %
=
1,5-2,3.
=
=
[глобулины]
[альбумины]
G-белок
Рис. 13. Строение нуклеопротеидов
Рис. 15. Схема строения белка-рецептора
Рис. 16. Схема строения протеогликанов
межклеточного вещества
ІІІ
гистидин
β
α
H2N—СН2—СН2—C—NH—СН—CООН
N
··
N
СН2
Н
∙·
О
H2N—СН2—СН2 —COOH
+
N
··
N
СН2
H2N—СН—COOH
Н
∙·
-
-
∙·
N
δ+
··
N
СН2
H2N СН — COOH
Н
∙·
Рис. 24. Схема регуляции фермента путём ассоциации - диссоциации
или
δ+
С
··
NH2
δ+
׃
HN
-
-
∙·
(СН2)3
H2N СН — COOH
NH
∙·
а)
б)
-
-
∙·
(СН2)4
H2N СН — COOH
NH2
∙·
Пируват + СО2
Рис. 22. Схема аллостерической регуляции: а) положительной, б) отрицательной
(СН2)2
H2N — СН — COOH
COOH
?
Оксалоацетат
H2N — СН — COOH
СН2 — COOН
СООН
Н2О
δ-
δ+
׃
O
··
··
NH2
СН2
H2N — СН — COOH
С
СООН
δ-
δ+
׃
O
··
··
NH2
(СН2)2
H2N — СН — COOH
С
СН
H2N — СН — COOH
СН2 — SН
+
НС
ОН
СН2
H2N — СН — COOH
СООН
СООН
СН3
H2N — СН — COOH
СН — ОН
НС
СН2
H2N — СН — COOH
СН2 — ОН
ОН
?
H2N — СН2 — COOH
СООН
НАДН+Н+
COOH
HN
НС
СН3
H
N
СН2
H2N — СН — COOH
СООН
ОН
СН2
H2N — СН — COOH
С
СН3
(СН2)2
H2N — СН — COOH
S — СН3
НАД+
О
СН2
CH3
H2N — СН — COOH
СН — СН3
Лактат
(молочная кислота)
ЛактатДГ
СН
CH3
CH3
H2N — СН — COOH
СН2
CH3
CH3
H2N — СН — COOH
СН
ІІ
Пируват
І
Фосфолипид
H2N — СН — COOH
СН3
Фосфолипиды
Рис. 17. Схема строения липопротеиновой частицы
Триацилглицеролы
(ТАГ)
Гидрофобные
липиды
Ферменты
Простые
Сложные
Небелковая часть
Белковая часть- апофермент
Кофермент
Кофактор
Холестерол
Эфиры
холестерола
Периферические апопротеины
(например, апоА-II, апоС-II, апо-Е)
Интегральные апопротеины
(апоВ-100)
СООН
СН
НС
СООН
НОН
Фумарат
гидратаза
СООН
СН
СН2
СООН
ОН
Фумаровая кислота (транс-форма)
Яблочная кислота
СООН
СН
СН
СООН
Малеиновая кислота
(цис-форма)
Фумарат
гидратаза
Аргинин
НОН
Аргиназа
Орнитин
+
Мочевина
НОН
Уреаза
+
Мочевина
СО2
NН3
V
Концентрация E
Температура
400
300
200
100
V
V
1,5 Пепсин
7,8 Каталаза
8-9
Щелочная фосфатаза
рН среды
Название субстрата
+
тип катализируемой реакции
+
окончание -АЗА
ОН
НО
НС
Н
СН2
NН2
Дофамин
+
О2
[О]
ОН
НО
НС
Н
СН2
NН2
Норадреналин
О
Дофамин
оксигеназа
СООН
С
СН2
ОН
Яблочная кислота (малат)
СООН
Н
НАД+
НАДН + Н+
:Н-
Н+
СООН
С
СН2
О
СООН
Оксалоацетат (ОА)
Малат ДГ
Цитохромоксидаза
2Н2О
4ē
+
4Н+
+
О2
Протеин
Фосфопротеин
АТФ
АДФ
Протеинкиназа
Триацилглицерол
(ТАГ)
+
Н2О
ТАГ-липаза
Диацилглицерол
(ДАГ)
+
Высшая жирная кислота
(ВЖК)
NН2
Гамма-аминомаслянная кислота (ГАМК)
СН2
(СН2)2
СООН
NН2
Глутамат
декарбоксилаза
СО2
СООН
Глутамат
НС
(СН2)2
СООН
СООН
Малат
Фумарат
ОН
СН2
СН
СООН
Фумарат
гидратаза
НОН
СООН
НС
СН
СООН
Глюкозо-6-фосфат
Фосфогексоизомераза
Фруктозо-6-фосфат
1,3-дифосфоглицерат
Дифосфоглицератмутаза
2.3-дифосфоглицерат
Глутамат
Глутамин
АТФ
АДФ + Фн.
Глутаминсинтетаза
+
NН3
Мультимер
Активный фермент
Протомеры
Неактивная форма
Диссоциация
Ассоциация
Рис. 20. График зависимости скорости ферментативной реакции от температуры
Рис.19. График зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации энзима
Рис. 25. Регуляция активности ферментов
фосфорилированием/дефосфорилированием
Рис. 21. График зависимости скорости ферментативной реакции от рН среды
Рис.18. График зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата при постоянной величине энзима
Рис. 23. Схема, поясняющая работу аллостерического фермента
А - действие отрицательного эффектора (ингибитора);
Б - действие положительного эффектора (активатора).
Рис. 1. Классификация пептидов
Рис.2. Строение α-спирали
Параллельная
ориентация цепей
Рис.3. Строение β-складчатого слоя
Антипараллельная
ориентация цепей
Рис.4. Схема различных типов структур
1 – α-спираль; 2 – β-структура; 3 – неупорядоченная конформация; 4 – остатки пролина, обуславливающие изгиб молекулы; 5 – дисульфидные мостики
4
5
3
2
1
Рис.5. Строение тетрамера
гемоглобина А
Рис.6. Формирование гидратной оболочки
вокруг молекулы белка
а
Рис. 7. Разделение смеси белков методом
гель-фильтрации (а → б → в)
Относительная
Стереохимическая
Абсолютная
Специфичность
++
Рис. 14. Строение гема
E + S → ES → ES* → EР → E + Р
+
НОН
Н+