Биохимия. Лекции

      Стабилизируют третичную структуру белка взаимодействия, возникающие между боковыми радикалами аминокислотных остатков разных участков полипептидной цепи. Эти взаимодействия можно разделить на сильные и слабые.

      К сильным взаимодействиям относятся  ковалентные связи между атомами серы остатков цистеина, стоящих в разных участках полипептидной цепи. Иначе такие связи называются дисульфидными мостами.

      Кроме ковалентных связей третичная структура  белковой молекулы поддерживается слабыми взаимодействиями, которые, в свою очередь, разделяются на полярные и неполярные.

      К полярным взаимодействиям относятся  ионные и водородные связи. Ионные взаимодействия образуются при контакте положительно заряженных групп боковых радикалов лизина, аргинина, гистидина и отрицательно заряженной СООН-группы аспараги-новой и глутаминоБой кислот. Водородные связи возникают между функциональными группами боковых радикалов аминокислотных остатков.

      Неполярные  или ван-дер-ваальсовы взаимодействия между углеводородными радикалами аминокислотных остатков способствуют формированию гидрофобного ядра (жирной капли) внутри белковой глобулы, т. к. углеводородные радикалы стремятся избежать соприкосновения с водой. Чем больше в составе белка неполярных аминокислот, тем большую роль в формировании его третичной структуры играют ван-дер-ваальсовы связи.

      Многочисленные  связи между боковыми радикалами аминокислотных остатков определяют пространственную конфигурацию белковой молекулы.

      Третичная структура отдельно взятого белка уникальна, как уникальна и его первичная структура. Только правильная пространственная укладка белка делает его активным. Различные нарушения третичной структуры приводят к изменению свойств белка и потере биологической активности.

      Четвертичная  стурктура белка.  Белки с молекулярной массой более 100 кДа ( дальтон - единица  массы, практически равная массе  атома водорода) состоят, как правило, из нескольких полипептидных цепей со сравнительно небольшой молекулярной массой. Структура, состоящая из определенного числа полипептидных цепей, занимающих строго фиксированное положение относительно друг друга, вследствие чего белок обладает той или иной активностью, называется четвертичной структурой белка. Белок, обладающий четвертичной структурой, называется эпимолекулой или мультимером, а составляющие его полипептидные цепи — соответственно субъединицами или протомерами. Характерным свойством белков с четвертичной структурой является то, что отдельная субъединица не обладает биологической активностью.

      Стабилизация  четвертичной структуры белка происходит за счет полярных взаимодействий между боковыми радикалами аминокислотных остатков, локализованных на поверхности субъединиц. Такие взаимодействия прочно удерживают субъединицы в виде организованного комплекса. Участки субъединиц, на которых происходят взаимодействия, называются контактными площадками.

      Классическим  примером белка, имеющего четвертичную структуру, является гемоглобин. Молекула гемоглобина с молекулярной массой 68 000 Да состоит из четырех субъединиц двух разных типов —  a и b. a-Субъединица состоит из 141 аминокислотного остатка, a b — из 146. Третичная стурктура a- и b-субъединиц сходна, как и их молекулярная масса (17000 Да). Каждая субъединица содержит простетическую группу — гем. Группировка гема представляет собой сложную копланарную циклическую систему, состоящую из центрального атома, который образует координационные связи с четырьмя остатками пиррола, соединенными метановыми мостиками (=СН—). В гемоглобине железо обычно находится в состоянии окисления (2+).

      Четыре  субъединицы — две a и две b  — соединяются в единую структуру таким образом, что a-субъединицы контактируют только с b-субъединицами и наоборот

      Одна  молекула гемоглобина способна переносить 4 молекулы кислорода. И связывание, и освобождение кислорода сопровождается конформационными изменениями структуры субъединиц гемоглобина и их взаимного расположения в эпимолекуле. Этот факт свидетельствует о том, что четвертичная структура белка не является абсолютно жесткой.

      3. Свойства белков

      Физико-химические свойства белков зависят, главным образом, от боковых радикалов аминокислотных остатков. Различают химические, физические и биологические свойства белков.

      Физические  свойства белков. Белки — кристаллические  вещества, как правило, белого цвета (есть и окрашенные белки, например, гемоглобин), имеющие большую молекулярную массу — от 6000 до нескольких сотен Да. Благодаря большим размерам молекул белки образуют в воде коллоидные растворы. Растворимость белков определяется их аминокислотным составом, особенностями организации молекулы и свойствами растворителя. Например, альбумины растворимы в воде и в слабых растворах солей, а коллаген и кератины нерастворимы в большинстве растворителей. Стабильность растворам белков придают заряд белковой молекулы и ее гидратная оболочка. рН-среды влияет на заряд белка, а следовательно, и на его растворимость. В изоэлектрической точке растворимость белка наименьшая.

      Белки способны адсорбировать на своей  поверхности низкомолекулярные органические соединения и неорганические ионы. Это свойство предопределяет транспортные функции отдельных белков.

      Химические  свойства белков исключительно разнообразны, поскольку боковые радикалы аминокислотных остатков содержат различные функциональные группы (—NH₂, —СООН, —ОН, —SH и др.). Характерной для белков реакцией является гидролиз пептидных связей. Благодаря наличию и амино-, и карбоксильных групп белки обладают амфотерными свойствами.

      Биологические свойства белков — это  функции белков в организме. Об этом речь пойдет  при описании  функциональной классификации белков.

      4. Классификация белков

      Ввиду огромного числа белков, функционирующих  в живых организмах, не существует единой их классификации. В настоящий момент действует несколько классификаций; в основу каждой из них положен какой-либо признак, по которому белки объединяют в узкие или широкие группы.

      По  степени сложности строения белки  делят на простые и сложные. Простые  или многокомпонентные белки  состоят только из белковой части  и при гидролизе дают аминокислоты. К сложным или двухкомпонентным относят белки, в состав которых входит протеин и добавочная группа небелковой природы, называемая простатической. В качестве простетической группы могут выступать липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты; соответственно сложные белки называют липопротеинами, гликопротеинами, нуклеопротеинами.

      По  форме белковой молекулы белки разделяют  на две группы: фибриллярные (волокнистые) и глобулярные (корпускулярные). Фибриллярные белки характеризуются высоким отношением их длины к диаметру (несколько десятков единиц). Их молекулы нитевидны и обычно собраны в пучки, которые образуют волокна. Фибриллярные белки являются главными компонентами наружного слоя кожи, образуя защитные покровы тела человека. Они также участвуют в образовании соединительной ткани, включая хрящи и сухожилия.

      Подавляющее количество природных белков относится  к глобулярным. Для глобулярных  белков характерно небольшое отношение  длины к диаметру молекулы (несколько единиц). Имея более сложную конформацию, глобулярные белки выполняют и более разнообразные, по сравнению с фибриллярными белками, функции.

      По  отношению к условно выбранным  растворителям выделяют альбумины и глобулины. Альбумины очень хорошо растворяются в воде и в концентрированных солевых растворах. Для них характерна растворимость в водном растворе сульфата аммония (NH4)₂SO₄ с концентрацией, превышающей 50% от насыщения белкового раствора.

      Глобулины не растворяются в воде и в растворах  солей умеренной концентрации. При 50-процентной концентрации сульфата аммония  в белковом растворе глобулины полностью выпадают в осадок.

      Классификация белков по  биологическим функциям.

      В соответствии с функциями выполняемыми в организме человека принята  следующая классификация белков:

• Каталитически активные белка называют ферментами. Они осуществляют  
  катализ практически всех химических превращений в клетке. Подробно эта группа белков будет рассмотрена далее 
  Гормоны регулируют обмен веществ внутри клеток и интегрируют обмен в различных клетках организма в целом.
• Рецепторы избирательно связывают различные регуляторы (гормоны, медиаторы) на поверхности клеточных мембран.
• Токсичные белки — некоторые белки и пептиды, выделяемые 
  организмами (змеями, пчелами, микроорганизмами), являющиеся 
  ядовитыми для других живых организмов.
• Защитные белка. К этой группе белков принадлежат антитела — вещества белковой природы, вырабатываемые животным организмом в ответ на введение антигена. Антитела, взаимодействуя с антигенами, дезактивируют их и тем самым защищают организм от воздействия чужеродных соединений, вирусов, бакте 
  рий и т. д.

      Приведенные выше классы не исчерпывают перечень белков, выполняющих определенные биологические функции. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Лекция  № 2 « Ферменты»

      План  лекции

1. Строение  ферментов
2. Механизм действия ферментов
3. Свойства ферментов
4. Номенклатура и классификация ферментов

      4.1.Ферменты — биологические катализаторы белковой природы. Термин фермент (от лат. fermentum — закваска) был предложен в начале XVII в. голландским ученым Ван Гельмонтом для веществ, влияющих на спиртовое брожение.

      В 1878 гг. Кюне предложил термин энзим (от греч. еп — внутри, туте — закваска). Оба названия свидетельствуют о том, что первые сведения об этих веществах были получены при изучении процессов брожения.

      Роль  ферментов в жизнедеятельности  всех живых организмов огромна. И.П. Павлов писал: «Ферменты есть, так  сказать, первый акт жизненной деятельности. Все химические процессы направляются в теле именно этими веществами, они есть возбудители всех химических превращений. Все эти вещества играют огромную роль, они обусловливают собою те процессы, благодаря которым проявляется жизнь, они и есть в полном смысле возбудители жизни».

      Раздел  биохимии, изучающий биологические  катализаторы белковой природы, называется энзимологией. Круг вопросов, изучаемых энзимологией, весьма разнообразен. Он включает выделение и очистку ферментов с целью установления их состава и молекулярной структуры; изучение условий и скорости действия ферментов, а также влияния на них разнообразных физических и химических факторов.

      Ферменты  и катализаторы неорганической природы, подчиняясь общим законам катализа, имеют сходные признаки:

• катализируют только энергетически возможные реакции; 
            • не изменяют направление реакции;
• не расходуются в процессе реакции;
• не участвуют в образовании продуктов реакции.

      Однако  ферменты по ряду признаков отличаются от катализаторов неорганической природы. Главное отличие заключается в их химической природе, так как ферменты — белки.

      В отличие от катализаторов неорганической природы ферменты «работают» в «мягких» условиях: при атмосферном давлении, при температуре 30—40°С, при значении рН-среды близком к нейтральному. Скорость ферментативного катализа намного выше, чем небиологического. Единственная молекула фермента может катализировать от тысячи до миллиона молекул субстрата за 1 минуту. Такая скорость недостижима для катализаторов неорганической природы.

      Ферменты  обладают высокой специфичностью по отношению к субстрату; каждый фермент катализирует единственную реакцию либо группу реакций одного типа.

      Ферменты  являются катализаторами с регулируемой активностью, чего нельзя сказать о катализаторах иной природы. Это уникальное свойство ферментов позволяет изменять скорость превращения вешеств в организме в зависимости от условии среды, т. е. приспосабливаться к действию различных факторов.

      Существенным  отличием ферментативных процессов является тот факт, что ферментативный процесс можно представить в виде цепи простых химических превращений вещества, четко запрограммированных во времени и в пространстве.