Энзимология как учение о ферментах. Простые и сложные ферменты

 

3. Третичная  структура белка – это пространственная ориентация полипептидной спирали. Основную роль в образовании третичной структуры белка играют водородные, ионные, гидрофобные и дисульфидные связи, которые образуются в результате взаимодействия между радикалами аминокислот.

 

Водородные связи образуются между двумя полярными незаряженными радикалами, например, радикалами серина и глутамина:

 

 

Ионные связи могут возникать между противоположно заряженными радикалами, например, радикалами глутамата и аргинина:

 

 

Гидрофобные взаимодействия характерны для неполярных радикалов, например, валина и лейцина:

 

 

Дисульфидные связи образуются между SН-группами двух радикалов цистеина, находящихся в разных участках полипептидной цепи:

 

 

По форме молекулы и особенностям формирования третичной структуры белки делят на глобулярные и фибриллярные. Познакомьтесь с особенностями этих групп белков, научитесь давать их характеристику, запомните примеры (таблица 1.3).

Отличительные признаки	Фибриллярные белки	Глобулярные белки
Конформация молекулы	Нитевые агрегаты - фибриллы	Близка к сферической или эллипсовидной
Особенности формирования пространственной структуры	Несколько молекул белка образуют микрофибриллы, из которых формируются более толстые фибриллы, а из них – волокна и пучки волокон. Между соседними полипептидными цепями образуются поперечные ковалентные сшивки.	В результате взаимодействия между аминокислотными остатками образуется компактная структура – глобула. Гидрофобные радикалы погружены во внутренние области глобулы, гидрофильные радикалы располагаются на поверхности молекулы.
Растворимость в воде	Нерастворимые белки. Растворению в воде препятствуют многочисленные неполярные радикалы аминокислот, а также ковалентные сшивки между пептидными цепями. Могут набухать в воде в результате взаимодействия молекул воды с СО- и NH-группами пептидного остова.	Растворимые белки. При взаимодействии полярных радикалов, расположенных на поверхности глобулы, с водной фазой образуются многочисленные водородные связи. Удерживаются в растворённом состоянии за счёт заряда и гидратной оболочки.
Роль в организме	Выполняют опорную функцию, обеспечивают механическую прочность тканей.	Выполняют транспортную, ферментативную, регуляторную, защитную функции.
Примеры белков	Коллаген и эластин - белки соединительной ткани; кератин - белок эпидермиса и производных кожи	Альбумины и глобулины плазмы крови, гемоглобин эритроцитов, гистоны клеточного ядра

 

4. Четвертичная  структура белка – размещение  в пространстве взаимодействующих  между собой нескольких полипептидных цепей белка. Четвертичная структура - высший уровень организации белковой молекулы — более половины известных белков её не имеют. Белки, обладающие четвертичной структурой, называют также олигомерными белками, а полипептидные цепи, входящие в их состав, — субъединицами или протомерами. В некоторых белках такие субъединицы одинаковы или имеют сходное строение, а другие белки состоят из субъединиц с цепями разных типов.

 

Каждый из протомеров синтезируется в виде отдельной полипептидной цепи, которая сворачивается в глобулу и затем соединяется с другими протомерами. Объединение идёт путём самосборки. Каждый из протомеров содержит участки, комплементарные другим протомерам. Взаимодействие между контактными участками протомеров происходит при помощи гидрофобных, ионных и водородных связей.

 

Олигомерные белки имеют несколько устойчивых конформаций и обладают аллостерическими свойствами, то есть способны обратимо переходить из одной конформации в другую с изменением своей функциональной активности. Примером таких белков может служить эритроцитарный белок гемоглобин. Многие ферменты также характеризуются аллостерическими свойствами. Более подробно функционирование аллостерических белков будет рассмотрено в 3-й теме настоящего курса.

Рисунок 1.4. Пространственное строение гемоглобина. В состав его молекулы входят четыре попарно одинаковые субъединицы, обозначаемые буквами α и β. Небелковая часть гемоглобина — гем — показана синим цветом.

 

Известны некоторые белки, молекула которых состоит из двух или более полипептидных цепей, соединённых дисульфидными связями (например, тромбин — фермент, участвующий в свёртывании крови). Подобные белки нельзя отнести к олигомерным. Такие белки образуются из единой полипептидной цепи в результате частичного протеолиза — локального расщепления пептидных связей. Аллостерическими свойствами, характерными для олигомерных белков, такие белки не обладают.

 

1. Главными  физико-химическими свойствами белков  являются молекулярная масса, электрический  заряд и растворимость в воде.

 

Молекулярная масса белков может значительно варьировать. Например, гормон инсулин имеет молекулярную массу около 6 тыс. Да, а иммуноглобулин М - около 1 млн. Да. Молекулярная масса белка зависит от количества аминокислотных остатков, входящих в его состав, а также массы неаминокислотных компонентов. Масса одного остатка аминокислоты в среднем составляет 110 Да. Таким образом, зная количество остатков аминокислот в белке, можно оценить его молекулярную массу и наоборот (Н.Н.Мушкамбаров, 1995).

 

Электрический заряд белка определяется соотношением положительно и отрицательно заряженных групп на поверхности его молекулы. Заряд белковой частицы зависит от рН среды. Для характеристики белка используют понятие «изоэлектрическая точка».

 

Изоэлектрическая точка (pI) — значение pH среды, при котором суммарный заряд белковой частицы равен нулю. В изоэлектрической точке белки наименее устойчивы в растворе и легко выпадают в осадок. Величина pI зависит от соотношения кислых и основных аминокислот в белке. Для белков и пептидов с преобладанием кислых аминокислот (отрицательно заряженных при pH 7,0) значение pI находится в кислой среде; для белков и пептидов с преобладанием основных аминокислот (положительно заряженных при pH 7,0) значение pI находится в кислой среде.

 

Изоэлектрическая точка — характерная константа белков, её значение для большинства белков животных тканей лежит в пределах от 5,5 до 7,0, что свидетельствует о преобладании в их составе кислых аминокислот. Однако в природе имеются белки, у которых значение изоэлектрической точки лежит при крайних значениях pH среды. В частности, величина pI пепсина (фермента желудочного сока) равна 1, в лизоцима (фермента, расщепляющего клеточную стенку микроорганизмов) — около 11. Значения молекулярной массы и изоэлектрической точки некоторых белков приведены в таблице 1.4.

Альбумин сывороточный 

66 000 

4.9

 

Альбумин яичный 

45 000 

4.6

 

α-Амилаза 

50 000 

5.3

 

Гаптоглобин 

85 000 

4.2

 

Гемоглобин 

65 000 

6.8

 

Гистоны 

15 000 

10.8

 

Иммуноглобулин А 

150 000 

7.3

 

Иммуноглобулин G 

150 000 

5.8

 

Иммуноглобулин М 

950 000 

6.6

 

Инсулин 

5 780 

5.35

 

Карбоксипептидаза 

34 400 

6.0

 

Каталаза 

245 000 

5.6

 

β-Лактоглобулин 

37 100 

5.2

 

Лизоцим 

14 000 

11.0

 

α2-Макроглобулин 

820 000 

5.4

 

Миоглобин 

16 000 

7.0

 

Орозомукоид  

41 000 

2.8

 

Пепсин 

35 000 

1.0

 

Рибонуклеаза 

13 700 

7.8

 

Трансферрин 

88 000 

5.4

 

Трипсиноген 

24 000 

9.3

 

Уреаза 

480 000 

5.0

 

Фибриноген 

340 000 

5.8

 

Химотрипсиноген 

25 700 

9.5

 

Церулоплазмин 

151 000 

4.4

 

Цитохром с 

12 400 

10.7

Растворимость белков в воде. Из курса биофизической химии известно, что белки как высокомолекулярные соединения образуют коллоидные растворы. Стабильность растворов белков в воде определяется следующими факторами:

величиной коллоидных частиц – чем они меньше, тем устойчивей раствор;

величиной заряда частиц – чем больше заряд частицы, тем стабильнее раствор;

величиной гидратной (сольватной) оболочки – чем больше сольватационной воды содержит коллоид, тем он устойчивее.

 

Имейте в виду, что под действием различных физических и химических факторов может происходить осаждение белков из коллоидных растворов. Различают:

обратимые реакции осаждения (высаливание), когда осадок белка можно вновь растворить в воде с восстановлением его исходных физико-химических и биологических свойств;

необратимые реакции осаждения под действием факторов, вызывающих грубые нарушения структурной организации белковой молекулы (денатурацию).

 

Заметьте, что в основе реакций осаждения белков могут лежать следующие механизмы:

нейтрализация электрического заряда – при добавлении электролитов (кислот, щелочей, солей);

разрушение гидратной оболочки – при добавлении водоотнимающих веществ (спирта, ацетона, концентрированных растворов электролитов) и при нагревании;

увеличение размеров коллоидных частиц – под действием факторов, вызывающих денатурацию белка.

 

Чаще всего для действия факторов, вызывающих осаждение белков, характерно сочетание двух или всех трёх перечисленных механизмов.

 

Биологическая активность. В основе функционирования любого белка лежит его способность к избирательному взаимодействию со строго определёнными молекулами или ионами — лигандами. Например, для ферментов, катализирующих химические реакции, лигандами будут вещества, участвующие в этих реакциях (субстраты), а также кофакторы, активаторы и ингибиторы. Для транспортных белков лигандами являются транспортируемые вещества и т.д.

 

Лиганд способен взаимодействовать с определённым участком белковой молекулы — центром связывания или активным центром. Этот центр формируется пространственно сближенными радикалами аминокислот на уровне третичной структуры белка. Способность лиганда взаимодействовать с центром связывания обусловлена их комплементарностью, то есть взаимным дополнением их пространственной структуры (подобно взаимодействию «ключ — замок»). Между функциональными группами лиганда и центра связывания образуются нековалентные (водородные, ионные, гидрофобные) связи. Комплементарностью лиганда и центра связывания можно объяснить высокую специфичность (избирательность) взаимодействия белок — лиганд.

 

Итак, различные белки отличаются друг от друга по своим физико-химическим свойствам и биологической активности. На этих различиях основаны методы разделения белковых смесей на фракции и выделения отдельных ферментных белков. Данные методы широко используются в медицинской биохимии и биотехнологии.

 

2. Денатурация  белков – это изменение нативных (природных) физико-химических и, главное, биологических свойств белка  вследствие нарушения его четвертичной, третичной и даже вторичной  структуры. Денатурацию белка могут вызвать:

температура выше 60°С;

ионизирующая радиация;

концентрированные кислоты и щёлочи;

соли тяжёлых металлов (ртути, свинца, кадмия);

органические соединения (спирты, фенолы, кетоны).

 

Для денатурированных белков характерно:

изменение конформации молекулы;

уменьшение растворимости в воде;

изменение заряда молекулы;

меньшая устойчивость к действию протеолитических ферментов;

потеря биологической активности. Это можно объяснить разрушением нативной третичной структуры белка, на уровне которой формируется центр связывания лигандов.

 

Обратите внимание, что при определённых условиях возможно восстановление исходной (нативной) конформации белка после удаления фактора, вызвавшего денатурацию. Этот процесс получил название ренативации.

 

Запомните некоторые примеры использования процесса денатурации белков в медицине:

для осаждения белков плазмы крови при определении содержания небелковых веществ в крови;

при проведении дезинфекции и санитарной обработки;

при лечении и профилактике отравлений солями тяжёлых металлов (в качестве противоядия применяют молоко или яичный белок);

для получения лекарственных веществ белковой природы (используется денатурация в мягких условиях с последующей ренативацией).

Раздел 3.1 

Структура коферментов. Участие витаминов в построении коферментов.

 

 

Коферменты относятся к сложным органическим веществам, их молекулы значительно меньше по размеру, чем молекулы ферментов. Коферменты могут проникать через биологические мембраны, нагревание обычно не вызывает изменения их структуры.

 

Функцией кофермента является участие в катализируемой реакции, причём количество фермента и его химическое строение внешне остаются неизменными. В действительности кофермент является одним из субстратов ферментативной реакции, т.е. выступает как косубстрат. В ходе реакции кофермент претерпевает химические превращения, в точности противоположные тем, которые происходят в субстрате. Например, в окислительно-восстановительных реакциях молекула субстрата окисляется, а молекула кофермента восстанавливается. При последующих сопряжённых реакциях изменения в коферменте протекают в обратном направлении и он воспроизводится в первоначальной форме.

 

Таким образом, коферменты могут быть охарактеризованы как переносчики определённых атомов, электронов или химических групп на соответствующий акцептор. Строение апофермента определяет специфичность этой реакции, а строение кофермента – её тип.

 

Классификация коферментов. По происхождению и химическому строению коферменты можно подразделить на витаминсодержащие (витаминные) и невитаминные. К первой группе относятся производные водорастворимых витаминов группы В. В их состав могут входить также адениловые нуклеотиды. Особенности структуры и функции витаминных коферментов приведены в таблице.