Лекция по биологической химии


НазваниеЛекция по биологической химии
страница4/15
Дата публикации16.03.2013
Размер1.65 Mb.
ТипЛекция
userdocs.ru > Химия > Лекция
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   15

^ Сложные белки содержат небелковые компоненты

Многие белки в своем составе, помимо аминокислот, могут содержать и небелковые компоненты. Такие небелковые соединения в составе белков получили название простетических групп. В зависимости от химического состава простетической группы сложные белки можно разделить на несколько классов:

1. Хромопротеины. Это белки, простетическая группа которых имеет окраску. К ним относятся многие белки, содержащие металлы. Например, церулоплазмин - белок, содержащий медь, имеет синюю окраску. Белок, переносящий витамин B12, имеет розовый цвет (этот витамин содержит кобальт в своем составе). Хорошо изучены белки, содержащие железо: гемоглобин, миоглобин, цитохромы. Они имеют красную окраску. Присутствие витамина B2 придает белкам желтый цвет (флавопротеины).

2. Гликопротеины. Это белки, простетическая группа которых содержит углеводы. Гликопротеины - это небольшая часть белково-углеводных комплексов, к которым относятся также протеогликаны и мукопротеины. Этим белкам принадлежит важная роль в структурной организации клеток и тканей, они выполняют защитные функции. Основная часть внеклеточных белков - это гликопротеины.

3. Липопротеины. Это белки, простетическая группа которых содержит липиды. Они обеспечивают транспорт липидов в крови, являются компонентами биологических мембран.

4. Металлопротеины. Это белки, частично перекрывающиеся с хромопротеинами. Простетичская группа у них представлена металлами. Они транспортируют или участвуют в депонировании металлов (ферритин, трансферрин).

5. Нуклеопротеины. Простетическая группа у таких белков - нуклеиновая кислота. Различают дезоксирибонуклеопротеины (простетическая группа - ДНК) и рибонуклеопротеины (простетичесая группа - РНК). Им принадлежит важная роль в сохранении, передаче и реализации генетической информации.

6. Фосфопротеины. Белки, которые содержат в своем составе фосфорную кислоту, популярны в клетке потому, что процесс фосфорилирования является способом влияния на конформацию белка и поэтому используется в системах регуляции процессов жизнедеятельности.

Простетические группы соединяются разными типами связей. Так для нуклеопротеинов характерной является ионная связь, у гликопротеинов и фосфопротеинов преобладает ковалентная связь, у липопротеинов - силы гидрофобного взаимодействия, металлопротеинов - донорно-акцепторные связи.


  1. ^ Денатурация, причины и признаки, использование в медицине.

Белки чувствительны к внешним воздействиям. Нарушение пространственной структуры белков называют денатурацией. При этом белок теряет все свои биологические и физико-химические свойства. Денатурация сопровождается разрывом связей, стабилизирующих "нативную" структуру белка. Как уже отмечалось выше, в основе стабилизации структуры белков основную роль играет слабое взаимодействие, поэтому денатурацию могут вызывать различные факторы: нагревание, облучение, механическое встряхивание, охлаждение, химическое воздействие. При денатурации, как правило, нарушается и растворимость белков, так как нарушение структуры приводит к появлению на поверхности большого числа гидрофобных групп, обычно упрятанных в центре белковой молекулы.

Первичная структура белка при денатурации не изменяется, что позволило показать возможность восстановления функций и структуры денатурированного белка, хотя в большинстве случаев денатурация является необратимым процессом. В лабораторной практике денатурация используется для депротеинизации биологических жидкостей. Факторы, вызывающие денатурацию, называют денатурирующими агентами. К ним можно отнести:

1. Нагревание и действие облучения высоких энергий (ультрафиолетовое, рентгеновское, нейтронное и т.д). В основе лежит возбуждение колебаний атомов, сопровождающееся разрывом связей.

2. Действие кислот и щелочей; изменяют диссоциацию групп, уменьшают число ионных связей.

3. Ионы тяжелых металлов. Образуют комплексные соединения с группами белка, что сопровождается разрывом слабого взаимодействия.

4. Восстановители - вызывают разрыв дисульфидных мостиков.

5. Мочевина, гуанидиний хлористый - формируют новые водородные связи и разрывают старые. Явление денатурации можно использовать и для качественного анализа присутствия белков в растворах. Для этого пользуются пробой с кипячением исследуемой жидкости после ее подкисления. Образующееся при этом помутнение связано с денатурацией белка. Часто используют и осаждение органическими кислотами: сульфосалициловой или трихлоруксусной.


  1. ^ Ферменты. Особенности ферментативного катализа. Строение и структура ферментов.

Краткая история энзимологии.

Присуждением Нобелевской премии Дж Самнеру, Дж. Нортропу и Стенли в 1946 г была подведена черта длительному периоду развития энзимологии – науки о ферментах. Начало этой науки восходит к заре истории развития человечества, использующего ряд технологических ферментативных процессов в своей жизни: хлебопечение, виноделие, обработка шкур животных и т.д. Потребность совершенствования этих процессов стало побудительным началом для их углубленного исследования. К первым научным описаниям ферментативных процессов относится описание пищеварения у животных Рене Антуан реомюр (1683—1757) при постановке своих экспериментов исходил из сделанного Фолкнером предположения о том, что хищные птицы отрыгивают не переваренные остатки пищи. Реомюр сконструировал маленькую проволочную капсулу, в которую был положен кусок мяса и дал ее склевать сарычу. Через 24 часа птица выплюнула эту капсулу. В ней остался размягченный кусок пиши, который однако не портился. «Этот процесс может быть только результатом действия какого-то растворителя»,— заключил Реомюр. Лаззаро Спалланцани (1729-1799), профессор истории естествознания в Университете города Падуя, сообщал о подобных же экспериментах. Однако он не рассматривал пищеварение как процесс ферментации по той простой причине, что при этом не образовывались пузырьки газа.

Позже процесс ферментации был более подробно изучен одним из основоположников современной химии Антуаном Лораном Лавуазье (1743-1794). Изучая спиртовое брожение, происходящее при изготовлении вина, он обнаружил, что глюкоза превращается в спирт и углекислый газ,

К началу XIX в. преобладала общая точка зрения, что ферментация - это химические изменения, вызываемые некоторыми специальными формами органического материала, а именно «ферментами». В 1814 г. русский ученый (немец по происхождению) академик Петербургской Академии наук Константин Готлиб Сигизмунд Кирхгоф (1764-1833) показал, что образование сахара из крахмала в проросших зернах злаков обусловлено химическим процессом, а не появлением ростков. В 1810 г Ю. Гей-Люссак выделил основные конечные продукты жизнедеятельности дрожжей – спирт и углекислый газ. Я. Берцелиус, один из основоположников теории химического катализа и автор самого термина «катализ» в 1835 году подтверждает эти данные, отметив, что диастаза (экстракт из солода) катализирует гидролиз крахмала более эффективно, чем минеральная серная кислота. Важную роль в развитии энзимологии сыграл спор Ю Либиха с известным микробиологом Л. Пастером, который считал, что процессы ферментации могут происходить только в целой живой клетке. Ю. Либих, напротив, считал, что биологические процессы вызываются действием химических веществ, которые в последствии были названы ферментами. Термин энзим ( греч. еn – в, zyme - дрожжи) предложил 1878 г Фридрих Вильгельм Кюне чтобы подчеркнуть, что процесс идет в дрожжах в противоположность самим дрожжам, которые катализируют процесс ферментации. Однако в 1897 году Э. Бюхнер получил свободный от клеток экстракт из дрожжей, способный получать этанол и утвердил мнение Либиха.

Попытки объяснить одно из важных свойств ферментов специфичность привело в 1894 году немецкого химика и биохимика Э. Фишера к предложению модели взаимодействия фермента и субстрата, названной «ключ-замок» – геометрической комплементарности форм субстрата (ключ) и фермента(замок). В 1926 году Дж. Самнер после почти 9-летених исследований доказал белковую природу фермента уреазы. В те же годы Дж Нортроп и М Кунитц указали на прямую корреляцию между активностью кристаллических пепсина, трипсина и количеством белка в исследуемых образцах, приведя тем самым весомые доказательства белковой природы ферментов, хотя окончательные доказательства были получены после определение первичной структуры и искусственного синтеза ряда ферментов. Основные представления о ферментах получены уже во второй половине ХХ столетия. В 1963 году исследована аминокислотная последовательность РНКазы из поджелудочной железы. В 1965 г показана пространственная структура лизоцима. За последующие годы очищены тысячи ферментов и получено много новых данных о механизмах действия ферментов, их пространственной структуре, регуляции реакций, катализируемых ферментами. Обнаружена каталитическая активность у РНК (рибозимы). Получены антитела с ферментативной активностью –абзимы. Эта глава кратко знакомит с современными представлениями о строении, механизме действия и медицинских аспектах энзимологии.
Особенности ферментативного катализа.

1. Белковая природа катализатора

2. Исключительно высокая эффективность. Эффективность биологического катализа превышает эффективность неорганического в 109 - 1012

3. Исключительно высокая специфичность:

а) абсолютная, когда фермент работает только со своим субстратом (фумараза с транс-изомерами фумаровой кислоты и не будет с цис-изомерами);

б) групповая - специфичен для узкой группы родственнных субстратов (ферменты ЖКТ).

4. Работает в мягких условиях (t=37, рН 7.0, определенные осмолярность и солевой состав).

5. Многоуровневая регуляция: регуляция активности на уровне условий среды, на уровне метаболона, на генетическом уровне, тканевом, клеточном, с помощью гормонов и медиаторов, а также с помощью субстратов и продуктов той реакции, которую они катализируют.

6. Кооперативность: ферменты способны организовывать ассоциации - продукт 1-го фермента, является субстратом для 2-го; продукт 2-го - субстратом для 3-го и т.д.

Кроме того, ферменты обладают адаптивностью, т. е. могут изменять свою активность и образовывать новые ассоциации.

7. Способны катализировать как прямую так и обратную реакцию. Направление реакции для многих ферментов определяется соотношением действующих масс.

8. Катализ жестко расписан, т. е. происходит поэтапно.

Специфичность действия ферментов.

Высокая специфичность ферментов обусловлена, конформационной и электростатической комплементарностью между молекулами субстрата и фермента и уникальной структурой активного центра фермента, обеспечивающими «узнавание», высокое сродство и избирательность протекания одной какой-либо реакции.

В зависимости от механизма действия различают ферменты с относительной или групповой специфичностью и с абсолютной специфичностью.

Для действия некоторых гидролитических ферментов наибольшее значение имеет тип химической связи в молекуле субстрата. Так например, пепсин, расщепляет белки животного и растительного происхождения, хотя они могут отличаться по химическому строению, а/к составу, физиологическим свойствам. Однако пепсин не расщепляет углеводы и жиры. Это объясняется тем, что местом действия пепсина является пептидная связь. Для действия липазы таким местом является сложно-эфирная связь жиров.

Т. е. эти ферменты обладают относительной специфичностью.

Абсолютной специфичностью действия называют, способность фермента катализировать превращение только единственного субстрата и любые изменения в структуре субстрата делают его недоступным для действия фермента. Например: аргиназа, расщепляющая аргинин; уреаза, катализирующая распад мочевины.

Имеются доказательства существования стереохимической специфичности, обусловленной существованием оптически изомерных L- и D- форм или геометрических (цис- и транс-) изомеров

Так известны оксидазы L и D а/к.

Если какое-либо соединение существует в форме цис- и трансизомеров, то для каждой из этих форм, существует свой фермент. Например, фумараза катализирует превращение только фумаровой кислоты (транс-), но не действует на цис-изомер - малеиновую кислоту.
^ Строение фермента.

Ферменты как и белки делятся на две группы: простые и сложные.

Простые полностью и целиком состоят из а/к и при гидролизе образуют исключительно а/к. Их пространственная организация ограничена третичной структурой. Это в основном ферменты ЖКТ: пепсин, трипсин, лизоцим, фосфатаза.

Сложные ферменты кроме белковой части содержат и небелковый компонент (кофактор).

Эти небелковые компоненты отличаются по прочности связывания с белковой частью (апоферментом).

Если константа диссоциации сложного фермента настолько мала, что в растворе все ПП цепи оказываются связанными со своими небелковыми компонентами и не разделяются при выделении и очистке, то небелковый компонент называется простетической группой и рассматривается как интегральная часть молекулы фермента.

А под коферментом понимают дополнительную группу, легко отделяемую от апофермента, при диссоциации.

Между апоферментом и простетической группой существует ковалентная связь, довольно прочная.

Между апоферментом и коферментом существуют нековалентные связи (водородные или электростатического взаимодействия). Типичными представителями коферментов являются В1 (тиамин) - пирофосфат (он содержит В1); В2 (рибофлавин) - ФАД, ФМН (ОВР); РР - НАД, НАДФ (ОВР); Н (биотин) - биоцитин (карбоксилирование); В6 (пиридоксин) - пиридоксальфосфат; пантотеновая кислота - коэнзим А.

Многие двухвалентные металлы (Сu2+, Fe2+, Fe3+, Mn2+, Мg2+, Ca2+) тоже выполняют роль кофакторов, хотя и не относятся ни к простетическим группам.

Металлы входят в состав активного центра или стабилизируют оптимальный вариант структуры активного центра.

Металл

Фермент

Fe2+, Fe3+

гемоглобин, каталаза, пероксидаза

Cu+, Cu2+

цитохромоксидаза

Zn2+

ДНК-полимераза, алкоголь-дегидрогеназа

Mg2+

гексокиназа

Mn2+

аргиназа

Ni2+

уреаза

Se2+

глутатионредуктаза


Кофакторную функцию могут выполнять также: HS-глутатион, АТФ, липоевая кислота, т-РНК.

Следует отметить одну отличительную особенность двухкомпонентных ферментов, заключающуюся в том, что ни кофактор (кофермент или простетическая группа) ни апофермент в отдельности каталитической активностью не обладают и только их объединение в единое целое, протекающее в соответствии с программой их трехмерной организации, обеспечивает быстрое протекание химических реакций.


  1. ^ Полиферментные комплексы, метаболоны.

Метаболон – мультиферментный комплекс, состоящий из белков-ферментов обладающих всеми уровнями структурной организации и катализирующих отдельные метаболические пути. Эти комплексы обычно связаны с клеточными мембранами, играют важную роль в эволюции живых систем, поскольку обеспечивают высокую скорость катализа, тонкую, точную регуляцию и направленность (векторность) метаболизма во времени и пространстве.

В промежуточном метаболизме имеются мультиферментные комплексы, катализирующие сложную многостадийную реакцию окислительного декарбоксилирования 2-кетокислот и переноса образующегося ацильного остатка на кофермент А. В качестве акцептора электронов выступает НАД+. Кроме того, в реакции участвуют тиаминдифосфат, липоамид и ФАД. К дегидрогеназам кетокислот относятся:
а) пируватдегидрогеназный комплекс (ПДГ, пируват→ацетил-КоА),
б) 2-оксоглутаратдегидротеназный комплекс цитратного цикла (ОГД, 2-оксоглутарат→сукцинил-КоА) и в) участвующий в катаболизме разветвленных цепей валина, лейцина и изолейцина дегидрогеназный комплекс. Примером является ПДГ-комплекс.

^ А. Пируватдегидрогеназа: реакция

В пируватдегидрогеназной реакции участвуют три различных фермента [1-3]. Пируватдегидрогеназа (Е1) катализирует декарбоксилирование пирувата, перенос образованного гидроксиэтильного остатка на тиаминдифосфат (TPP, 1а), а также окисление гидроксиэтильной группы с образованием ацетильного остатка. Этот остаток и полученные восстановительные эквиваленты переносятся на липоамид (1б). Следующий фермент, дигидролипоамидацетилтрансфераза (Е2) переносит ацетильный остаток с липоамида на кофермент А (2), при этом липоамид восстанавливается до дигидролипоамида. Последний снова окисляется до липоамида третьим ферментом, дигидролипоамиддегидрогеназой (Е3) с образованием НАДН + Н+ (NADH + Н+) (3). Электроны переносятся на растворимый НАД+ через ФАД и каталитически активный дисульфидный мостик субъединицы Е3.

Пять разных коферментов этой реакции различными способами ассоциированы с белковыми компонентами ферментов. Тиаминдифосфат нековалентно связан на Е1, Липоамид ковалентно связан с остатком лизина Е2, а ФАД прочно ассоциирован в виде простетической группы на Е3. НАД+ (NAD+) и кофермент А взаимодействуют с комплексом в виде растворимых коферментов.

^ Б. Пируватдегидрогеназный комплекс Escherichia coli

Пируватдегидрогеназный комплекс (ПДГ-комплекс) бактерии Escherichia coli достаточно подробно исследован. Он имеет молекулярную массу от 5,3 · 106 Да и диаметр больше 30 нм, т. е. ПДГ-комплекс крупнее, чем рибосома. Комплекс состоит из 60 полипептидов (1,2): 24 молекулы Е2 (8 тримеров) образуют ядро комплекса кубической формы. Каждая из 6 граней этого куба занята димерами (возможно, тетрамерами) компонентов Е3, в то время как на 12 ребрах куба лежат димеры молекул Е1. Другие дегидрогеназы кетокислот построены аналогично, но могут отличаться числом субъединиц и молекулярной массой.

Пространственная организация составных частей комплекса очень важна для катализа. Кофермент, липоевая кислота, очень подвижен благодаря образованию связи с лизиновым остатком фермента Е2. "Ручка" липоамида длиной примерно 1,4 нм в процессе катализа перемещается между E1 и Е3 (3). Липоамид таким способом может взаимодействовать как со связанным в Е1 тиаминдифосфатом, так и с растворимым коферментом А и акцептирующим электроны ФАД в Е3. Белковый домен ацетилтрансферазы, который связывает липоевую кислоту, очень гибок. Это дополнительно повышает дальность действия липоамидной «ручки».


Заведующий кафедрой биологической химии, д.м.н., проф.

Грицук А. И.

___________

21.10.2006


Министерство здравоохранения Республики Беларусь

УО «Гомельский государственный медицинский университет»
Кафедра биологической химии
Обсуждено на заседании кафедры (МК или ЦУНМС)

Протокол № _________________200__года

ЛЕКЦИЯ
по биологической химии

наименование дисциплины

для студентов _2__ курса лечебного факультета

Тема Ферменты 2. Механизм действия.
Время 90 мин.
Учебные и воспитательные цели:

Дать представление:

  1. О механизме действия ферментов. Об этапах ферментативного катализа.

  2. О факторах, определяющих активность ферментов [E], [S], [P], Km. О влиянии pH, давления, температуры, ионной силы на активность ферментов.

  3. Об изостерической и аллостерической регуляция.


ЛИТЕРАТУРА

  1. Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф. Биологическая химия. М.: Медицина, 1990. С. 105–123; 1998. С. 143–156.

  2. Николаев А. Я. Биологическая химия. М.: Высшая школа, 1989. С. 52–92.

Дополнительная

  1. Марри Р. и др. Биохимия человека. М.: Мир, 1993. Т. 1. С. 76–110.

  2. Филиппович Ю. Б. Основы биохимии. М.: Высшая школа, 1993. С. 100–111.

  3. Ленинджер А. Л. Основы биохимии. М.: Мир, 1985. Т. 1. С. 226–302.

  4. Албертс Б. и др. Молекулярная биология клетки. М.: Мир, 1994. Т. 1. С. 113–171.


^ МАТЕРИАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

1. Мультимедийная презентация.
РАСЧЕТ УЧЕБНОГО ВРЕМЕНИ

№ п/п

Перечень учебных вопросов

Количество выделяемого времени в минутах



Механизм действия ферментов. Этапы ферментативного катализа.

30



Факторы, определяющие активность ферментов [E], [S], [P], Km. Влияние pH, [P], tº, ионной силы на активность ферментов.

40



Изостерическая и аллостерическая регуляция.

20

Всего 90 мин


  1. ^ Механизм действия ферментов. Этапы ферментативного катализа.

После установления химической природы фермента было подтверждено представление Михаэлиса и Ментен о том, что при энзиматическом катализе фермент соединяется с субстратом (они подходят как ключ к замку), образуя нестойкий промежуточный фермент-субстратный комплекс, который в конце реакции распадается с освобождением фермента и продукта реакции.

Даниэль Кошланд предложил теорию «индуцированного» соответствия: т. е. что субстрат навязывает активному центру свою форму, а активный центр в свою очередь подгоняет форму субстрата под свою собственную.

Выдвинутая в 1913 году Л. Михаэлисом и М. Ментен общая теория ферментативного катализа постулировала, что фермент Е сначала обратимо и относительно быстро связывается с со своим субстратом S в реакции:

E + S == ES

Образовавшийся при этом фермент-субстратный комплекс ES, не имеющий аналогий в органической химии и химическом катализе, затем распадается в второй более медленной (лимитирующей) стадии реакции:

ES == Е + Р

1 этап: происходит сближение и ориентация субстрата относительно субстратного центра фермента и его постепенное «причаливание» к «якорной» площадке.

2 этап: напряжение и деформация: индуцированное соответствие - происходит присоединение субстрата, которое вызывает конформационные изменения в молекуле фермента приводящие к напряжению структуры активного центра и деформации связанного субстрата.

3 этап: непосредственный катализ.
^ В основе химических реакций лежит образование и разрыв химических связей

Все химические реакции сопровождаются, как правило, разрывом или образованием ковалентных связей. По характеру разрыва ковалентных связей различают три типа реакций

^ 1. Гетеролитический разрыв связи: ковалентная связь разрывается таким образом, что электронная пара остается с одним из атомов, образующим связь. Атом при этом приобретает отрицательный заряд, а у второго атома возникает положительный заряд. Такие реакции называют также ионными. Гетеролитически разрываются полярные или легкополяризующиеся ковалентные связи. Реакция катализируется кислотами или основаниями;

^ Гомолитический разрыв связи: при разрыве ковалентной связи электронная пара разделяется между атомами с образованием свободных радикалов. Свободные радикалы - это атомы или группы атомов с неспаренным валентным электроном.

^ Согласованные реакции отличаются от 1 и 2 тем, что разрыв старых связей и образование новых происходит одновременно без образования радикалов или ионов

^ 2. Нуклеофильные реагенты: богатые электронами соединения: а) отрицательно заряженные ионы, б) нейтральные молекулы, имеющие свободную неподеленную пару электронов, в) реагенты, способные давать карбанионы в ходе реакций. Нуклеофилы реагируют с органическими субстратами по их положительному реакционному центру. Легко образуют ковалентные связи. Биологически важными нуклеофилами являются аминогруппы, гидроксильные группы, имидазольные группы и сульфгидрильные группы аминокислот. Нуклеофильные формы этих групп одновременно являются основаниями. Связываясь с Н+,- они основания, реагируя с другими электрондефицитными центрами – они нуклеофилы.

^ Электрофильные реагенты : Электрондефицитные соединения: а) положительно заряженные ионы; б) нейтральные молекулы с частично положительным зарядом на одном из атомов. Электрофилы реагируют с органическими субстратами по их отрицательному реакционному центру. Легко образуют ковалентные связи. Наиболее известными электрофилами в биохимических реакциях являются Н+, ионы металлов, углерод карбонильной группы.

Группы радикалов аминокислот – плохие электрофилы.

По числу молекул реакции можно разделить на мономолекулярные и бимолекулярные. В биологических системах реакции с большим числом участвующих молекул практически не встречаются.

По направлению реакций с учетом конечного результата можно выделить следующие типы реакций

1. Окислительно-восстановительные реакции включают потерю или присоединение электронов, в результате чего меняется степень окисления атомов, которые являются реакционными центрами. Многие окислительно- восстановительные реакции в клетке включают разрыв С-Н связи с отнятием у атома углерода двух электронов и переносе их на акцептор, роль которого могут выполнять коферменты. Конечный акцептор электронов у аэробных организмов кислород, представляющий бирадикал с двумя неспаренными электронами, Молекула кислорода поэтому может принимать только неспаренные электроны. Отнимаемые у субстрата пары электронов должны быть перенесены на кислород при помощи специальной электронпереносящей системы, включающей ряд переносчиков.

2. Реакции кислотно-основного взаимодействия. Взаимодействие между кислотами и основаниями с образованием солей



3. Реакции замещения. В ходе реакции происходит замена атомов или групп атомов на другие атомы или группы. Особое место среди реакций этой группы среди биохимических реакций занимают реакции переноса групп. Они включают перенос электрофильной группы от одного нуклеофила на другой. Такие реакции можно назвать реакциями нуклеофильного замещения. Наиболее часто переносимыми группами в биохимических реакциях являются ацильная, фосфатная и гликозильные группы. Примером такой реакции может быть гидролиз пептидной связи при помощи химотрипсина.

4. Реакции отщепления. Протекают одновременно по двум соседним атомам с отщеплением групп и образованием двойной связи. Отщепляемыми группами могут быть небольшие молекулы типа Н2О, NН3. Распад связи может проходить по одному из трех механизмов: а)согласованный механизм, б)постепенно с разрывом С-О связи и образованием карбокатиона, в) постепенно, с разрывом С-Н связи и образованием карбаниона. Ферменты катализируют отщепление воды двумя механизмами или протонированием ОН группы кислотой (кислотный катализ) или отщепление протона (основной катализ). Постепенное отщепление требует стабилизации образующихся заряженных групп противоположными по заряду группами (электростатический катализ). Одна из самых интересных реакций дихотомического процесса, катализируемая енолазой относится к этому типу реакций.



5. Реакции перегруппировки

  • изменяют форму углеродного скелета молекул. Среди метаболических реакций такой тип реакций встречается довольно часто. Например, реакции изомеризации. В результате реакции происходит перераспределение электронной плотности и характера связей.

  • Могут включать внутримолекулярный сдвиг водородного атома, таким образом, чтобы изменить расположение двойной связи. В таких реакциях протон отнимается у одного углеродного атома и переносится к другому. Наиболее распространенная реакция изомеризации - взаимное превращение альдоз в кетозы

Рацемизация - реакция изомеризации, в которой водородный атом изменяет свое стереохимическое положение в молекуле в хиральном центре. Эпимеризация то же самое, но молекула имеет несколько хиральных центров

^ 6. Реакции, которые образуют или разрывают С-С связи. Это реакции, лежащие в основе и катаболизма и анаболизма. При превращении глюкозы в СО2 протекает 5 реакций разрыва С-С связей. Синтез глюкозы требует столько же реакций образования этих связей. Наиболее часто в этих реакциях принимает участие электрофильный карбонильный углеродный атом. Примерами могут быть реакции альдольной конденсации, катализируемые альдолазой, декарбоксилирование -кетокислот (изоцитратдегидрогеназная реакция) и др.


  1. ^ Факторы, определяющие активность ферментов [E], [S], [P], Km. Влияние pH, [P], tº, ионной силы на активность ферментов.

У каждого фермента существует свой pH-оптимум. Существенное влияние на активность ферментов оказывает реакция среды. Для проявления их оптимального действия чаще всего существует узкий диапазон измерения pH среды (pH-оптимум). В некоторых случаях сдвиг pH на единицу снижает активность на 80%. Поэтому в экспериментальных условиях работы с ферментом очень важно поддерживать pH на постоянном уровне.

Слева приведены кривые зависимости активности фермента от изменения pH среды. Пепсин желудочного сока, который катализирует гидролиз белков, имеет pH-оптимум при pH=2. При pH=3 он теряет половину активности, а при pH=4 активность пепсина не измеряется. pH-оптимум амилазы, фермента, катализирующего расщепление крахмала, составляет 7,0. И в этом случае изменения pH на единицу приводит к снижению активности на 50%, а - на 2 единицы отмечается полная потеря активности. Относительно редко встречаются случаи, когда pH-оптимум активности ферментов находится в сильно кислой или щелочной среде. Это характерно для таких ферментов как пепсин и аргиназа (катализирует расщепление аргинина). Большинство белков при экстремальных значениях pH неустойчивы. рH-оптимум является важной характеристикой фермента, но ни как не исключительной, присущей только данному ферменту.

Табл 2-2.Значения pH опт. некоторых ферментов

Фермент

pH опт.

Липаза (подж.железа)

8.0

Липаза (желудок)

4.0 - 5.0

Липаза(касторовое масло)

4.7

Пепсин

1.5 - 1.6

Трипсин

7.8 - 8.7

Уреаза

7.0

Инвертаза

4.5

Мальтаза

6.1 - 6.8

Амилаза (подж.железа)

6.7 - 7.0

Амилаза (солод)

4.6 - 5.2

Каталаза

7.0




Влияние температуры на активность фермента
Дело в том, что многие ферменты имеют схожие значения pH-оптимумов. Механизм влияния pH среды на активность ферментов заключается в том, что изменение этого показателя приводит к изменению степени ионизации амино- (NH3) и карбосильных (СОО-) групп в молекуле фермента. В результате белковая молекула фермента подвергается конформационным перестройкам, что сказывается на взаимоотношения между ферментом и субстратом.

^ Повышение температуры неоднозначно влияет на активность фермента

Ферментные реакции, как и любое химическое превращение, в значительной степени зависят от температурных условий. Старое правило о том, что повышение температуры на 100 С удваивает скорость химической реакции распространяется и на активность ферментов.

Так как все ферменты являются белками, а белки при температуре выше 40-500 С в большинстве своем необратимо изменяются, температурный интервал для работы ферментов ограничивается определенными пределами.. Активность фермента повышается при повышении температуры. Начиная с определенной температуры, совпадающей с началом денатурации белка, активность фермента падает. Следует учитывать, что стабильность отдельных ферментов при нагревании различна. Это обстоятельство находит практическое применение при выделении и очистке ферментов. В смеси ферментов с различной температурной чувствительностью можно измерить активность более устойчивого к нагреванию фермента, если предварительно нагреть смесь до температуры, разрушающей другие ферменты этой смеси. Используя это свойство, например, в клинической практике удается разделить разные изоферменты ЛДГ. Так специфический для сердца изофермент ЛДГ значительно менее чувствителен к нагреванию, чем другие изоферменты. Поэтому после нагревания реакционной смеси, остаточная активность ЛДГ отражает активность ЛДГ, в то время как ферменты, специфичные для мышц и печени при этом разрушаются, так как активность ферментов чувствительна к температуре, ферментативные реакции следует проводить при определенной температуре, обычно работают при температурах между 250 и 400С.

^ Ферменты характеризуются высокой специфичностью

Специфичность - одно из удивительных свойств ферментов, обусловленное их белковой природой. Уже первые исследователи механизма действия ферментов отмечали это уникальное свойство ферментов, отличающее их от известных в то время катализаторов. Не вызывало сомнений и то что фермент действует не всей своей поверхностью, а свои функции выполняет при помощи отдельных участков этой поверхности. Участок молекулы фермента, обеспечивающий выполнение основных функций фермента получил название активного центра. Э. Фишер, пораженный этим свойством ферментов, предложил для объяснения специфичности взаимодействия фермента и субстрата модель «ключа и замка».

Эта модель предполагала существование такого центра как особой структуры и без связи с субстратом. Жесткие рамки взаимоотношений ключа и замка были дополнены моделью индуцированного взаимодействия, предложенной Д. Кошландом, моделью «рука-перчатка». Эта модель была подтверждена при помощи метода рентгеноструктурного анализа, позволившего построить пространственную модель фермента. Первым ферментом, пространственная структура которого была исследована этим методом, был лизоцим. Этот фермент катализировал расщепление полисахаридов стенки бактерий и некоторых грибов. Он был выделен из яиц, слюны и других биологических жидкостей. Лизоцим состоит из 129 аминокислот. В 1965 году Д.Филлипс расшифровал пространственную структуру лизоцима. Молекула представляла элипсоид вращения с размерами 30х30х45 ангстрем. В лизоциме были выявлены 5  -спиральных и три  -структурных сегмента. Исследователи сразу обратили внимание на проходящую поперек молекулы глубокую расщелину, в которой помещались 6 моносахаридов субстрата. При этом 4 из 6 моносахаридов были комлементарны форме активного центра и хорошо размещались в активном центре, а для размещения двух моносахаридов потребовалось изменить их конформацию. В активном центре лизоцима были выявлены аминокислотные остатки, обеспечивающие связывание фермента и субстрата и аминокислотные остатки, обеспечивающие проведение реакции. В последующем такие исследования были проведены со многими ферментами, что позволило выявить в активном центре целый ряд функциональных групп или участков:

^ Способствующие группы – обеспечивают пространственную ориентацию субстратов уже при сближении фермента и субстрата, что позволяет субстрату взаимодействовать с активным центром фермента в наиболее благоприятной конформации.

^ Якорный или субстрат связывающий участок – обеспечивает наиболее адекватное и прочное связывание субстрата в активном центре фермента.

Химические связи, стабилизирующие пространственную структуру белков, природа применила и для взаимодействия фермента и его субстрата. К этим связям следует отнести прежде всего нековалентные связи и взаимодействия. Это

1. Силы Ван дер Ваальса

2. Электростатическое взаимодействие

3. Водородные связи

4. Гидрофобные взаимодействия

Каталитический участок - формируется группами , обеспечивающими проведение катализа

Вспомогательные группы – группы, повышающие реакционоспособность каталитического участка.




Якорный участок трипсина представлен длинным узким карманом с отрицательно заряженный Асп в глубине кармана. В этой карман легко проникают аминокислоты, имеющие длинную боковую цепь с положительным зарядом на конце; такими аминокислотами являются Лиз или Ар, которые хорошо связываются и распознаются, а гидролиз происходит на соседней пептидной связи.



В гидрофобном кармане, образованном радикалами Гли, Три и Лей химотрипсина располагается боковая цепь с ароматическим кольцом (Фен, Тир или Три)..

Пептидная связь образованная СООН группой ароматической аминокислоты устанавливается рядом с каталитическим участком химотрипсина.



Фермент эластаза подобен химотрипсину, но в эластазе, часть кармана блокирована парой объемистых валинов. Наиболее комплементарным этому карману может быть участок пептида содержащий Ала или Гли


Пространственная структура групп формирующих активный центр и является структурной основой специфичности. Специфичность у разных ферментов может проявляться по-разному. Ферменты как белки, построены из L-аминокислот и эта особенность придает ферментам стереохимическую специфичность. Такие ферменты взаимодействуют и катализируют превращения только одного из стерических или оптических изомеров субстрата. Например, одни оксидазы аминокислот избирательно действуют на L-аминокислоты, а другие только на D-аминокислоты. Помимо стереохимической специфичности многие ферменты обладают высокой избирательностью к типу химических групп субстратов. В большинстве случаев избирательность к группам – геометрическая специфичность – даже выше чем стереохимическая специфичность. Правда, лишь небольшая часть ферментов обладает абсолютной специфичностью, т.е. катализирует превращение только одного субстрата. Чаще всего ферменты обладают групповой специфичностью. Это означает, что они действуют на группу субстратов, предъявляя требования к типу группы и типу связи– абсолютная групповая специфичность или только к типу связи – относительная групповая специфичность. Нередко в объяснении типа специфичности используют термин предпочтение. Например, карбоксипептидаза А катализирует гидролиз всех С-концевых пептидных связей за исключением связей образованных Лиз, Арг или Про, если предшествующая аминокислота не Про. Обладая выраженной специфичностью к одному и тому же субстрату, ферменты могут отличаться по типу реакций, которые они катализируют. Например, глюкоза-6-фосфат – субстрат многих ферментов и глюкозо-6-фосфтазы и дегидрогеназы глюкозо-6-фосфата и др. Подобные взаимоотношения складываются у ферментов и с коферментами. Например, существуют дегидрогеназы, которые катализируют реакции окисления только при соединении с коферментом – нуклеотидом НАД+. С НАДФ+, который отличается только одной дополнительной фосфатной группой такие дегидрогеназы не взаимодействуют. И наоборот, есть дегидрогеназы, которые взаимодействуют только с НАДФ+. Некоторые ферменты не проявляют специфичности к типу связи, что нашло применение в лабораторной практике. Многие протеолитические ферменты катализируют гидролиз не только пептидных связей, но и эфирные связи. И если методически количественно трудно оценить скорость реакции гидролиза пептидных связей, то использование синтетических субстратов, представляющих эфиры аминокислот с красящимися веществами, позволяют быстро и просто оценить активность таких ферментов в клинической биохимической лаборатории.


  1. ^ Изостерическая и аллостерическая регуляция.

Регуляция активности ферментов бывает пассивная (с помощью изменения условий среды) т. е. есть постоянные ферменты и непостоянные, которые появляются под действием каких-либо факторов среды. (Под действием температуры или с помощью ионной силы и pH, [S], [E]).

Активная регуляция:

изостерическая;

аллостерическая.

(регуляция с помощью субстрата и продукта)

(регуляция активности фермента с помощью веществ, отличных от S и P).


Регуляция путем изменения количества фермента.

У бактерий хорошо изучен феномен индуцированного синтеза ферментов при выращивании на средах с одним углеводом, например, глюкозой. Замена глюкозы на лактозу приводит к индуцированному синтезу фермента галактозидазы, расщепляющей лактозу на глюкозу и галактозу.

В животных тканях подобный быстрый синтез ферментов наблюдается реже, однако при поступлении в организм некоторых ядов, канцерогенных веществ, алкалоидов наблюдается резкое увеличение количества (а значит и активности) гидроксилаз, окисляющих чужеродные вещества в нетоксичные продукты. С другой стороны, иногда под действием этих гидроксилаз чужеродные вещества превращаются в более токсичные продукты (летальный синтез).

Регуляция активности по принципу обратной связи.

Допустим в клетке есть многоступенчатый биосинтетический процесс, каждая стадия которого катализируется собственным ферментом:

E1 E2 E3 E4
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   15

Похожие:

Лекция по биологической химии icon«Биологическая химия»
Предмет биологической химии, ее значение для биологии, медицины, ветеринарии, сельскохозяйственного производства, ветеринарной биотехнологии...
Лекция по биологической химии iconЛекция по биологической химии
Понятия «ферменты»: особенностях ферментативного катализа. О строении и структуре ферментов
Лекция по биологической химии iconБиохимия лабораторный практикум
Разработана: докт мед наук, профессор Т. П. Бондарь кафедры Физико-химические основы медицины, лабораторной диагностики и фармакологии;...
Лекция по биологической химии iconУчебно-методическое пособие к практическим занятиям по биологической химии
Учебно-методическое пособие предназначено для студентов лечебного и медико-профиоактического факультетов медицинских вузов, выполняющих...
Лекция по биологической химии iconМетодические указания для самостоятельной подготовки студентов медицинских...
Методические указания для самостоятельной подготовки сту-дентов медицинских факультетов к практическим занятиям по биологической...
Лекция по биологической химии iconМетодические указания для самостоятельной подготовки студентов медицинских...
Методические указания для самостоятельной подготовки сту-дентов медицинских факультетов к практическим занятиям по биологической...
Лекция по биологической химии iconЗанятие 1 Аминокислоты и белки
Предмет и задачи биологической и клинической химии. Понятие о биохимических реакциях
Лекция по биологической химии iconВопросы к экзамену по Биологической химии для студентов 2 курса медицинского...
Предмет, задачи, методы и место биохимии среди других медицинских и биологических дисциплин
Лекция по биологической химии iconМетодические указания по биоорганической химии для студентов к занятию...
Проекционные формулы Фишера. Относительная и абсолютная конфигурация. D и L система стереохимической номенклатуры
Лекция по биологической химии iconТезисы доклада
Уважаемые коллеги! Приглашаем Вас принять участие в работе VIII международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2015
контакты
userdocs.ru
Главная страница