Биохимия - это наука о молекулярных основах жизни, занимается изучением молекул, химических реакций, процессов, протекающих в живых клетках организма. Подразделяется на:

1. статическую (строение и свойства биомолекул)

2. динамическую (химизм реакций)

3. специальные разделы (экологическая, биохимия микроорганизмов, клиническая)

Роль биохимии в решении основополагающих медицинских проблем

1. сохранение здоровья человека

2. выяснение причин различных заболеваний и изыскание путей их эффективного лечения.

Таким образом, любое недомогание, заболевание человека связано с нарушением строения и свойств метаболитов или биомолекул, также связано с изменениями биохимических реакций, протекающих в организме. Применение любых способов лечения, лекарственных препаратов также основывается на понимании и точном знании биохимизма их действия.

Белки, их строение и биологическая роль

Белки - это высокомолекулярные полипептиды, условная граница между белками и полипептидами обычно составляет 8000-10000 единиц молекулярной массы. Полипептиды - это полимерные соединения, имеющие более 10 остатков аминокислот в молекуле.

Пептиды - это соединения, состоящие из двух и более остатков аминокислот (до 10) В состав белков входят только L-аминокислоты.

Встречаются производные аминокислот, например, в состав коллагена входит гидроксипролин и гидроксилизин. В некоторых белках обнаруживается у -карбоксиглутамат. Нарушение карбоксилирования глутамата в протромбине может привести к кровотечению. Часто в белках встречается фосфосерин.

Незаменимые аминокислоты - это те, которые не синтезируются в организме или

синтезируются в недостаточном количестве или с малой скоростью.

Для человека незаменимыми являются 8 аминокислот: триптофан, фенилаланин,

метионин, лизин, валин, треонин, изолейцин, лейцин.

Биохимические функции аминокислот:

1. строительные блоки пептидов, полипептидов и белков,

2. биосинтез других аминокислот (из фенилаланина синтезируется тирозин, из метионина - цистеин)

3. биосинтез некоторых гормонов, например, окситацина, вазопрессина, инсулина

4. исходные продукты для образования глутатиона, креатина

5. глицин необходим для синтеза порфирина

6. р - аланин, валин, цистеин образуют КоА, триптофан — никотинамид, глутаминовая кислота - фолиевую кислоту

7. для биосинтеза нуклеотидов необходим глутамин, глицин, аспарагиновая кислота, они образуют пуриновые основания, глутамин и аспарагиновая кислота - пиримидиновые

8. 11 аминокислот являются глюкогенными, то есть способны метаболизироваться в глюкозу и другие УВ

9. фенилаланин, тирозин, лейцин, лизин и триптофан принимают участие в биосинтезе некоторых липидов

10.образование мочевины, углекислоты и энергии в виде АТФ.

Строение белков. Первичная структура.

Под первичной структурой понимают последовательность аминокислот в цепи, они соединены между собой ковалентными пептидными связями. Полипептидная цепь начинается с остатка, имеющего свободную аминогруппу (N - конец) и завершается свободным СООН — концом.

К первичной структуре также относят взаимодействие между остатками цистеина с образованием дисульфидных связей.

Таким образом, первичная структура — это описание всех ковалентных связей в молекуле белка.

Пептидная связь отличается полярностью, что обусловлено тем, что связь между N и С частично носит характер двойной связи. Вращение затруднено и пептидная связь имеет жесткую структуру. Последовательность аминокислот генетически строго детерминирована, она определяет нативную природу белка и его функции в организме.

Вторичная структура

1951 г. - была расшифрована вторичная структура (тугозакрученная основная цепь полипептида, которая составляет внутреннюю часть стержня, боковые цепи направлены наружу, располагаясь по спирали) Все -С=О- N-H- группы оснований цепи связаны водордными связями.

'°

Водородные связи делают а - спираль более устойчивой.

Другой тип вторичной структуры - это р - складчатый слой. Это параллельно лежащие полипептидные цепи, которые сшиты водородными связями. Возможно закручивание таких р - образований, что придает белку большую прочность.

Третий тип вторичной структуры характерен для коллагена. Каждая из трех полипептидных цепей предшественника коллагена (тропоколлаген) имеет форму спирали. Три такие спирализованные цепи закручиваются относительно друг друга, образуя тугую нить.

Специфика такого типа структуры обусловлена наличием водородных связей сугубо между остатками глицина, пролина и гидроксипролина, а также внутри- и межмолекулярных ковалентных поперечных связей.

Третичная структура

Обусловлена взаимодействием аминокислотных остатков, далеко отстоящих друг от друга в линейной последовательности. Факторы поддержания:

1. водородные связи

2. гидрофобные взаимодействия (нужны для структуры и биологических функций белка)

3. дисульфидные и солевые мостики

4. ионные и ван-дер-ваальсовы связи.

В большинстве белков на поверхности молекул находятся остатки аминокислотных радикалов, обладающих гидрофильными свойствами. УВ - радикалы, которые являются гидрофобными расположены внутри молекул. Такое распределение имеет важное значение в формировании нативной структуры и свойств белка.

В результате белки имеют гидрарную оболочку, а стабилизация третичной структуры во многом обусловлена гидрофобными взаимодействиями. Например, 25-30% аминокислотных остатков в молекулах глобулина имеют выраженные гидрофобные радикалы, 45-50% содержат ионные и полярные радикальные группы.

Боковые цепи аминокислотных остатков, которые отвечают за структуру белков различают по размеру, форме, заряду и способности образовывать водородные связи, также по химической реактивности:

1. алифатические боковые цепи, например, у валина, аланина. Именно эти остатки формируют гидрофобные взаимодействия.

2. гидроксилированные алифатические (серии, треонин). Эти аминокислотные остатки принимают участие в формировании водородных связей, а также сложных эфиров, например, с серной кислотой.

3. ароматические - это остатки фенилаланина, тирозина, триптофана.

4. аминокислотные остатки с основными свойствами (лизин, аргинин, гистидин). Преобладание в полипептидной цепи таких аминокислот придает белкам основные свойства.

5. остатки, обладающие кислотными свойствами (аспарагиновая и глутаминовая кислоты)

6. амидные (аспарагин, глутамин)

7. содержащие серу (метионин, цистеин)

Белки, содержащие несколько полипептидных цепей, обладают четвертичной структурой. Здесь подразумевается способ укладки цепей относительно друг друга. Такие ферменты называют субъединицами. В настоящее время принято использовать термин «домен», которым обозначают компактную глобулярную единицу белковой молекулы. Многие белки состоят из нескольких таких единиц с массой от 10 до 20кДа. В белках большой молекулярной массы отдельные домены соединяются относительно гибкими участками ППЦ. В организме животных и человека присутствуют ещё более сложные структурные организации белков, примером которых могут быть мультиферментные системы, в частности пируватдекарбоксилазный комплекс.

Понятие о нативном белке

При определенных значениях рН и температуры ППЦ обладает, как правило, только одной конформацией, которая называется нативной и при которой белок в организме выполняет свою специфическую функцию. Почти всегда эта единственная конформация в энергетическом отношении преобладает над десятками и сотнями вариантов других конформаций.

Классификация. Биологические и химические свойства белков

Удовлетворительной классификации белков не существует, они условно классифицируются по пространственному строению, растворимости, биологическим функциям, физико - химическим свойствам и другим признакам.

1. по строению и форме молекул белки подразделяют на:

• глобулярные (сферические)

• фибриллярные(нитевидные)

2. по химическому составу делятся на:

- простые, которые состоят только из аминокислотных остатков

- сложные, имеют в составе молекулы соединения небелковой природы. Классификация сложных белков основана на химической природе небелковых компонентов.

Один из главных типов классификации:

З.по выполняемым биологическим функциям:

- ферментативный катализ. В биологических системах все химические реакции катализируются специфическими белками-ферментами. Известно более 2000

ферментов. Ферменты - мощные биокатализаторы, которые ускоряют реакцию как минимум в 1 млн. раз.

- транспорт и накопление

Перенос многих молекул небольшого размера и различных ионов часто осуществляется специфическими белками, например гемоглобином, миоглобином, которые переносят кислород. Пример накопления: ферритин накапливается в печени.

координированное движение. Белки являются основным компонентом сократительных мышц ( актиновые и миозиновые волокна). Движение на микроскопическом уровне - это расхождение хромосом во время митоза, движение сперматозоидов за счёт жгутиков.

• механическая опора. Высокая упругость кожи и костей обусловлена наличием фибриллярного белка - коллагена.

• иммунная защита. Антитела - это высокоспецифические белки, способные узнавать и связывать вирусы, бактерии, клетки других организмов.

- генерирование и передача импульсов. Ответ нервных клеток на импульсы опосредован рецепторными белками

регуляция роста и дифференцировки. Строгая регуляция последовательности экспрессии генетической информации необходима для роста дифференцировки клеток. В любой отрезок времени жизни организма экспрессируется только небольшая часть генома клетки. Например, под действием специфического белкового комплекса формируется сеть нейронов у высших организмов.

К другим функциям пептидов и белков относят гормональные. После того как человек научился осуществлять синтез гормональных пептидов, они стали иметь исключительно важное биомедицинское значение. Пептидами являются различные антибиотики, например, валиномицин, противоопухолевые препараты. Кроме того белки выполняют функции механической защиты (кератин волос или слизистые образования, выстилающие ЖКТ или полость рта).

Основное проявление существования любых живых организмов - это воспроизведение себе подобных. В конечном итоге, наследственная информация представляет собой кодирование последовательности аминокислот всех белков организма. На здоровье человека влияют белковые токсины.

Молекулярная масса белков измеряется в дальтонах (Да) — это единица массы, практически равная массе водорода (-1,000). Термин дальтон и молекулярная масса вводятся как взаимозаменяемые. Mr большинства белков находится в пределах от 10 до 100000.

Физико-химические свойства белков

В основе многообразия выполняемых белками функций лежит необычайная универсальность их физико-химических свойств. Растворы белков являются молекулярно-дисперсными, вследствие большого размера растворённых молекул такие растворы имеют физические свойства, характерные для коллоидных систем (буферные свойства, гидрофобность, онкотическое давление, седиментация, коагуляция, высаливание, диализ). Коллоидные растворы представляют собой растворы с размером частиц от 0,1 до 0,01 микрон. Наличие на поверхности белковых молекул ионизирующих групп (NH₂-COOH ) определяет кислотно - основные характеристики растворов белков. Таких ионогенных групп может насчитываться до 15-20 на каждые 100 аминокислотных остатков. Т.о. белки - это полиэлектролиты, т.к. они могут содержать одновременно «+» и «-» заряженные группировки, белки являются амфолитами. Значение рН, при котором

белок находится в изоэлектрическом состоянии (т.е. когда заряд равен 0), называют изоэлектрической точкой. В кислой среде увеличение концентрации Н⁺ приводит к подавлению диссоциации СООН- группы и уменьшает «-» заряд белков.

В щелочной среде избыток ОН связывается с протонами Н⁺, образованными при

диссоциации:-NН₃+ OH-*~NH₂+ H₂O , что уменьшает «+» заряд молекулы.

Т.о. суммарный заряд какого-либо белка зависит от рН раствора. Для многих ферментов

характерно то, что их нативная активность проявляется при значениях рН, близких к

ИЭТ, поэтому даже самые незначительные изменения рН крови, цитоплазмы, клеток и

т.д. приводят к очень серьезным последствиям и являются причиной целого ряда

заболеваний. Большинство белков имеет гидрофильную поверхность, однако некоторые

на поверхности содержат гидрофобные радикалы, как следствие этого плохо растворимы

или не растворимы в воде, но растворимы в липидах.

Процесс взаимодействия таких радикалов с липидами называется сольватация. Такие

белки характерны для мембран. Кроме значения рН растворимость белка зависит от его

химической природы и состава растворителя. Например, белки, не растворимые в воде,

растворяются в присутствии низких концентраций нейтральных солей.

Некоторые примеры растворимости белков: альбумины растворимы в воде и в солевых

растворах, глобулины слабо растворимы в воде, но хорошо в солевых растворах.

Кроме уровня организации молекулы, аминокислотного состава ППЦ на растворимость

белков существенное влияние оказывает рН.

В ИЭТ белки способны агрегироваться и выпадать в осадок. Осаждение белков может

быть вызвано и другими факторами, например, действие водоотнимающих средств,

таких как C₂H₅OH, CH₃COH, CHOH. Растворимость белка снижается при денатурации.

Этот процесс связан с разрывом, нарушением слабых связей и взаимодействий, которые

поддерживают нативную структуру. Ковалентные связи при этом не изменяются.

Факторы денатурации:

1. температура

2. изменение нормального для белка значения рН

1. высокие концентрации солей, которые нарушают электростатические взаимодействия и водородные связи

2. соли тяжёлых металлов, которые образуют с белками стойкие нерастворимые комплексы

3. мочевина и гуанидин, который действует на гидрофобные взаимодействия и водородные связи

4. сульфидные связи (13-меркаптоэтанол) или надмуравьиная кислота, которые разрушают дисульфидные связи.

Денатурация может быть обратимой и необратимой. Находящиеся на поверхности аминокислотные остатки способны образовывать разнообразные связи с другими веществами, которые называют лигандами. Как правило, белковые молекулы имеют специфические центры связи, имеющие вид углубления. Существуют определённые принципы взаимодействия белков с лигандами:

1. соседние остатки ППЦ могут взаимодействовать таким образом, что доступ воды к другим участкам поверхности белка может быть ограничен, в этом случае удаётся достигнуть более прочных водородных связей и ионных взаимодействий между белком и лигандом,

2. образование комплекса из соседних полярных аминокислот изменяет реакционную способность боковых группировок, что может привести к активированию обычно неактивных функциональных группировок,

3. значительную роль во взаимодействиях белков с другими молекулами играют гидрофобные остатки аминокислот.

Помимо активного центра у белков имеются определённые участки, которые способны регулировать активность связывания, взаимодействие белка с другими веществами — такие участки называются аллостерическими. Аллостерические центры характерны для многих ферментов и играют роль в их активности.

Биохимия сложных белков

Сложные белки или протеины относятся к смешанным макромолекулам, т.е. комплексам белков и небелковых соединений, которые могут быть связаны между собой как ковалентными, так и слабыми связями и взаимодействиями.

Белковая часть называется апопротеином, небелковая - простетической группой, а сам белок - холопротеином.

1. гликопротеины. Наиболее часто встречающиеся в составе этих белков УВ — это различные гексозы, гексозамины, их ацетильные производные, глюкуроновая, сиаловая, нейраминовая кислоты, различные гетерополисахариды. Как правило, гликопротеины отличаются повышенной устойчивостью к действию химических агентов и высокой механической прочностью. Например, гиалуроновая кислота входит в состав соед. ткани роговицы глаза, стекловидного тела, пуповины, сердечных клапанов, кожи. В тканях содержится фермент гиалуронидаза, который расщепляет связи в молекуле гликопротеина, конкретно, остатков гиалуроновой кислоты, что приводит к нарушению прочности тканей, включающих гликопротеин, ослаблению функций соед. тканей. Гликопротеины играют важную роль в строении и свойствах хрящевой ткани, в белках соед. ткани, особенная их роль в строении и функции коллагена. Гликопротеины входят в состав различных слизистых выделений и способствуют защите эпителия стенок ЖКТ от механических и химических воздействий.

2. фосфопротеины. Простетическая группа представлена остатками фосфорной кислоты Н₃ РО₄ , которые по массе достигают 0,5-0,9%. Фосфорная кислота связана сложноэфирной связью со спиртовой группой остатка серина и треонина. Часто остатки фосфорной кислоты способны связывать катионы двухвалентных металлов. Это имеет биологическое значение, например, казеиноген, кроме фосфора содержит кальций. Казеин - это белок, необходимый для формирования костной ткани.

3. нуклеопротеины содержат в виде простетической группы ДНК и РНК, например, ядра клеток включают в себя сложное вещество ~ хроматин, который состоит из равных по массе количеств ДНК, белков - гистонов, и небольшого количества белков с кислотными свойствами.

По содержанию лизина и аргинина гистоны подразделяют на 5 типов:

Н1,Н2А,Н2В,НЗ,Н4

По структуре хроматин имеет вид нити с тесно нанизанными бусинами (нуклеосомами).

Каждая нуклеосома представляет собой октомер, содержащий по 2 молекулы гистонов

Н2А и Н2В, НЗ и Н4.

Рибосомы - это частицы, находящиеся в клетках, содержащие РНК и ~ наполовину

различные белки. Каждая рибосома состоит из двух субъединиц (большего и меньшего

размера). Добавление специальных химических агентов, например, уменьшение в среде

магния ниже концентрации 1 ммоль, субъединицы распадаются, если подействовать

раствором мочевины или LiCl происходит разделение на свободные белки и

т

нуклеиновые кислоты. Рибосомы необходимы для биосинтеза белков. Полисомы - это

образования в клетке, состоящие из вытянутой молекулы м-РНК, окруженной

рибосомами.

Вирусы можно выделять в кристаллической форме, они не имеют своей ферментной

системы. Вирус - это упакованная одно- или двухцепочечная молекула ДНК или РНК,

окруженная белковой оболочкой. Инфицирование клетки имеет место, когда внутрь нее

проникает либо целый вирус или только ДНК (РНК). Последние перестраивают

метаболизм клетки, таким образом, что энергия и вновь образованные метаболиты

используются для биосинтеза новых вирусных частиц.

Липопротеины (ЛП). Различают свободные ЛП, выполняющие транспортную роль, они

отличаются значительным количеством гидрофобных аминокислот, высших жирных

кислот, которые присоединяются к цепи за счет сложноэфирных связей, способностью

функционировать в гидрофобном окружении.

В крови обнаружено несколько форм ЛП, такие как хиломикроны, липопротеины очень

низкой плотности (ЛОНП), ЛП низкой плотности (ЛНП), ЛП высокой плотности (ЛВП).

Поверхностная часть ЛП образована слоем фосфолипидов и белками. ФЛ

гидрофильными концами образуют наружную поверхность, а гидрофобные растворены

внутри частицы. ЛП синтезируются в клетках слизистой оболочки кишечника

(хиломикроны, ЛОНП), гепатоциты - ЛОНП, ЛНП, плазма крови - ЛНП,ЛВП (для

транспорта холестерина).

Хромопротеины. В этих соединениях простетическая группа представлена окрашенными

веществами, например, гем, порфирин, каротиноид, витамины.

Некоторые особенности строения миоглобина и гемоглобина

НЬ состоит из простого белка глобина и 4 молекул гема. При объединении глобина и тема получается сложное соединение, которое выполняет в организме исключительно важную дыхательную функцию. Другое важное свойство - поддержание постоянства рН крови. НЬ обеспечивает до 50% буферной ёмкости крови. НЬ - аллостерический белок, присоединение какого-либо вещества к нему меняет его сродство к другим. Он обладает способностью легко взаимодействовать с рядом газов: О_А, СО_А, СО, NO, NQ. Кинетика связывания кислорода миоглобином и гемоглобином

В отличие от НЬ миоглобин имеет 1 ППЦ, которая связана с гемом. Миоглобин не способен переносить кислород от лёгких к периферическим тканям по своей химической природе. Он преобладает в мышцах и является веществом, которое эффективно запасает кислород. % или степень насыщения миоглобина Од, зависит от концентрации О₂ в среде, окружающей молекулы белка. [О₂] обозначается как парциальное давление в мм рт.ст. Зависимость между (О₂) в среде и насыщенностью миоглобина О₂, описывается в виде прямоугольной гиперболы. Кривая насыщения миоглобина и гемоглобина кислородом.

Для выяснения кинетики насыщения О₂ миоглобина и НЬ необходимо принимать во внимание, что Р О₂(в лёгких) = 100мм рт.ст., поэтому миоглобин в лёгких мог бы весьма эффективно насыщаться О₂, . В венозной крови Р О₂ составляет 40мм рт.ст., а в активно работающей мышце - 20мм рт.ст. Даже при таких параметрах миоглобин будет в значительной степени насыщаться О₂ , поэтому МЬО₂ не может являться средством доставки O₂ от лёгких к периферическим тканям. При тяжёлой мышечной работе Р_о2 может понизиться до 5, при этих условиях МЬО₂ легко отдаёт О₂, который используется для окислительного биосинтеза АТФ в митохондриях мышечных клеток.

НЬ связывает 4 молекулы О₂, на 1 тетрамер (по одной молекуле на гем в каждой субъединице). Кривая насыщения носит сигмоидный характер. Т.о. способность НЬ связывать О₂ зависит от того содержатся ли в данном тетрамере другие молекулы О₂,. Как видно из изотермы адсорбции связывание первой молекулы О₂, протекает медленно, другой - с большей скоростью и т.д. Такой характер кинетики объясняется так называемым кооперативным связыванием, благодаря которому НЪ легко насыщается О₂ в легких (при Ро₂ = 100мм рт.ст.) и очень легко отдает О₂, в периферических тканях (Р₅₀ ~20мм рт.ст.). Для характеристики кинетики действия НЬ введён показатель P₅₀ (значение РО₂ , при котором происходит 50%-ное насыщение, у теплокровных Р₅₀ может значительно варьировать, однако оно всегда выше значения \ в периферических тканях). Оксигенирование НЬ сопровождается значительными изменениями конформации молекул:

1. разрыв солевых связей, образованных концевыми карбоксилами субъединиц, что облегчает присоединение О₂,

2. разрыв связи обуславливает изменение вторичных, третичных, четвертичных структур, при этом происходит компактизация тетрамеров и увеличивается сродство к О₂

3. четвертичная структура НЬ описывается как Т - состояние для частично оксигенированного НЬ и как R-состояние для полностью оксигенированного НЬ.

« Т- и R-состояние» используют для характеристики четвертичной структуры многих аллостерических ферментов, в Т-состоянии отмечается наименьшее сродство к субстрату. НЬ ускоряет транспорт СО₂ от ткани к лёгким =15% СО₂ крови переносится НЬ.

Гемаглобинопатии

Обусловлены наличием аномального НЬ. У них изменяется одно из трёх свойств:

1. растворимость

2. сродство к О₂

3. устойчивость к денатурации.

1). НЬ с изменённой растворимостью. HbS - серповидно-клеточный, в Б-цепях НЬ в 6 положении заменяются аминокислотные остатки, изменяется форма, повышается ломкость, укорачивается продолжительность жизни ЭЦ.

Талассемии - нарушение синтеза цепи НЬ. а - талассемия - а - цепи, b-b- (3 - цепей, следовательно изменяется продукция эритроидных клеток в костном мозге и насыщение ЭЦНЬ.

2). Метгемоглобин - в нём железо трехвалентно

Восстановление метНЬ в нормальный происходит с участием витамина С и фермента НАДФН - метгемоглобинредуктазы. Развивается при:

а), отравлениях NO₃ ,Br^- , NО^-₂, анилином, особая опасность: нитратсодержащая вода для

новорожденных,

б), наследственный дефицит фермента метгемоглобинредуктазы.

Карбоксигемоглобин. Сродство НЬ человека к СО в 200 раз выше,чем к О₂, т.к. СО

вытесняет О₂ из оксиНЬ, при отравлении СО на коже и в тканях жертвы проявляется

ярко-вишнёво-розовый цвет

ФЕРМЕНТЫ

Характеристика.

Ферменты - биокатализаторы, ускоряющие скорость химических реакций в организме, в

реакциях не расходуются, катализируют как прямую, так и обратную реакции,

катализируют не более 1 хим. реакции, увеличивают скорость хим. реакции при обычной

температуре, обладают высокой степенью специфичности, могут регулироваться. С

термодинамической точки зрения ускоряют реакции за счет снижения энергии

активации, путем увеличения числа активированных молекул, становятся реакционно

способными на более низком энергетическом уровне.

Энергия активации - энергия, необходимая для перевода всех молекул 1 моля вещества в

активированное состояние при данной температуре.

Классификация. Номенклатура.

Название: 1. субстрат 2. тип катализируемой реакции с окончанием «аза»

Классы ферментов (в основе классификации лежит специфичность ферментов).Для

некоторых используются тривиальные названия (пепсин, трипсин).

1. оксидоредуктазы (ОВР) НАД, ФАД '

2. трансферазы (перенос отдельных групп атомов кроме Н от одной молекулы к другой) Аминотрасфераза

3. гидролазы (гидролиз пептидных, эфирных связей с участием воды - ферменты ЖКТ)

4. лиазы (отщепление групп от субстрата без воды с образованием двойных связей, или присоединение групп по = связи)

Амидинлиаза, фумаратгидротаза

5. изомеразы (взаимопревращение изомеров) Рацемаза

5. лигазы или синтетазы (образование связей в реакциях конденсации у различных соединений с использованием энергии АТФ или витамина Н(биотин)) Глутаминсинтетаза

6. Структура ферментов.

Все ферменты - глобулярные белки, состоящие из одной или нескольких ППЦ в

третичной структуре. Имеют активный центр (АЦ) - это участок, образованный

боковыми радикалами аминокислотных остатков, отдаленных друг от друга, которые на

уровне третичной структуры формируют центр. К нему присоединяется субстрат,

который обладает пространственным и химическим сродством к нему

(комплиментарностью).

Субстрат - это лиганд или вещество, которое подвергается химической модификации

при взаимодействии с АЦ фермента.

АЦ содержит якорный участок, который не играет каталитической роли, а служит для

специфического связывания субстрата; каталитический центр, который участвует в

химической модификации. Кроме АЦ в молекуле фермента может присутствовать

аллостерический центр (регуляторный), при помощи него осуществляется регуляция

активности фермента.

Аллостерический центр содержат ферменты, состоящих из нескольких субъединиц, эти

ферменты являются ключевыми в различных метаболических путях. Часто молекулы

фермента содержат небелковый компонент, от которого зависит его активность -

кофактор. Комплекс белковой части и кофактора называют холоферментом. К

кофакторам относят: ионы металлов и коферменты (орг.соединения).

Более 25% ферментов прочно связаны с ионами металлов.

Различают:

1. металлоферменты - содержат ионы металлов, имеющих функциональное значение, которые в ходе очистки не отделяются от фермента

2. ферменты, активируемые металлами - связаны с металлом менее прочно, но для проявления активности фермента необходимо добавление металла в среду.

В отличие от ионов металлов коферменты участвуют в химической реакции. Коферменты являются переносчиками различных групп и их рассматривают как второй субстрат. Коферменты претерпевают химические превращения, противоположные тем, которые происходят с субстратом (в ОВР субстрат окисляется, а кофермент -восстанавливается).

Механизм действия ферментов. Основные черты

ферментативного катализа, его этапы.

При ферментативном катализе фермент обратимо соединяется с субстратом, в результате образуется нестойкий ферментсубстратный комплекс (ES).

На первых этапах носит обратимый, а затем необратимый характер. Потом распадается на фермент и продукт реакции.

Е +S_<-------^{------------} ES* ^-------- _Eр ^------- _Е+ р

Так как ES существует, в течение конечного промежутка времени может быть и так, что все молекулы фермента связаны в ES (при условии, что концентрация субстрата высокая - субстрат в избытке) — говорят о максимальной скорости ферментативной реакции. Теория Фишера подразумевает жёсткое соответствие между активным центром и субстратом («ключ» - «замок»), т.е. каталитический центр заранее подготовлен к форме субстрата.

Теория Кошланда (теория индуцированного соответствия). Подразумевает гибкость каталитического центра, т.е. каталитически активная конформация фермента и субстрата может возникать в момент присоединения субстрата, до него геометрическое соответствие АЦ и субстрата приблизительное.

Гипотеза индуцированного соответствия предполагает между ферментом и субстратом

не только геометрического соответствия, но и электрическое.

Основные черты:

1. АЦ формируется из участков ППЦ и отдельных аминокислотных остатков. Субстрат соединяется с АЦ в нескольких точках, это обеспечивает высокую избирательность связывания (комплиментарность субстрата и АЦ) и ориентацию субстрата, необходимую для катализа.

2. АЦ составляет небольшую часть молекулы фермента, располагается в углублении (нише) поверхности фермента. Ниша - гидрофобная. Субстрат, соединяясь с АЦ, оказывается не в водной среде, а в специфическом окружении функциональных групп АЦ.

3. В ходе присоединения субстрата и в ходе катализа происходят конформационные изменения молекулы фермента и субстрата, до взаимодействия конформации соответствуют лишь незначительно. Строгая комплиментарность возникает при взаимодействии в результате изменения конформации (индуцированное соответствие)

Конформационные изменения могут способствовать «растягиванию», разрыву связи или сближению молекул в реакциях синтеза, тем самым, ускоряя реакцию. Специфичность.

1. субстратная (структура АЦ комплиментарна только 1 субстрату) Пример: АЦ фермента гистидаза комплиментарен гистидину и катализирует его превращения.

2. групповая (катализируют однотипные превращения сходных по строению веществ). Пример: липаза гидролизует жиры с различными жирными кислотами.

3. стереоспецифичность (превращение лишь одного из стереоизомеров). Пример: цис-изомер фумаровой кислоты - малеиновая кислота не может быть субстратом для фумаразы.

Единица ферментативной активности (с. 157)

За единицу фермента принимают такое его количество, какое катализирует превращение

1 ммоль вещества за 1 мин.[1 Ед].

Удельная активность фермента — число единиц фермента на массу белка в мг. В образце.

Молярная активность указывает сколько молекул субстрата превращает 1 моль фермента

за 1 минуту (число оборотов).

Регуляция активности ферментов. Выделяют 4 типа регуляции:

1. Частичный протеолиз (Трипсиноген------ Трипсин)

4. Аллостерическая ( фосфофруктокиназа, изицитратдегидрогеназа)

«Ферменты - основа жизни» (Павлов)

В обмене веществ ферменты играют первостепенную роль. В основе заболеваний лежит изменение какой-либо ферментативной реакции, если ингибировать хотя бы 1 фермент наступает смерть.

Факторы, оказывающие влияние на активность ферментов.

1. Биологические: вид (животное), если человек, то учитывается пол и возраст, физиологическое состояние организма, условия питания, окружающая среда и эмоциональные факторы.

2. Физико-химические: концентрация фермента и, главным образом, субстрата, температуры, рН и ингибиторы. Наибольший клинический интерес представляет температура, рН и ингибиторы.

1). Концентрация субстрата

При низкой концентрации субстрата и последующем её увеличении зависимость между [субстрата] и V прямо пропорциональна. Дальнейшее увеличение концентрации субстрата приводит к снижению скорости, и наконец, наступает такое значение концентрации субстрата, после которой скорость ферментативной реакции остаётся неизменной. Это называется эффектом насыщения фермента субстратом. Для характеристики кинетики в ферментативных реакциях была вычислена константа Михаэлиса - Ментен (Michaelis&Menten), которая выражается: K_{m= (E)*(S)-(ES)/(ES)}

По сути дела Km составляет l/2Vmax .

Для того, чтобы определить скорость реакции можно пользоваться уравнением:

V=V_max*(S)/(S)+K_m

Концентрация фермента не оказывает влияния на процесс.

2). Температура

Ферменты имеют белковую природу и являются термолабильными. В некотором

ограническом интервале температур (от 0°до 25° С) скорость ферментативной реакции

повышается, с ростом температуры (на 10°С) скорость повышается примерно в 2 раза.

При дальнейшем повышении температуры скорость реакции постепенно понижается,

высокие температуры приводят к денатурации фермента - белка и необратимой утрате

ферментативной активности. Для большинства ферментов оптимум температурный

приближается к нормальной температуре тела.

В первые часы повышенной температуры вырабатывается фермент интерферон,

выполняющий защитные функции. Пониженные температуры используют в

трансплантации, искусственном оплодотворении.

Растительные ферменты менее чувствительны к температуре.

3). Влияние рН на активность ферментов.

а) значение рН, которое соответствует максимальной активности фермента, необязательно совпадает со значением рН, характерным для нормального внутри - и внеклеточного окружения этого фермента;

б) всё-таки большинство ферментов имеют оптимум рН, близкий к рН окружающей среды;

в) у многих ферментов оптимум рН приближается к ИЭТ;

г) для каждого фермента существует своё значение рН, при котором он проявляет максимальную активность;

д) «Значение рН внутри клетки является, возможно, одним из самых важных элементов регуляции клеточного метаболизма».

Пепсин

ТРИПСИН

/

-41-

Согласно теории шведского учёного Сёренсена, влияние рН на активность ферментов определяется:

1. величина рК (константа диссоциации) ионизированных групп активного центра фермента, которые участвуют в связывании субстрата;

2. величинами рК ионизированных групп самого субстрата;

3. величинами рК функциональных групп фермента, которые отвечают за катализ;

4. величинами рК других участков молекул ферментов (аллостерические центры)

4). активаторы и ингибиторы.

Активирование или ингибирование различных ферментов веществами эндогенного и экзогенного происхождения является значимым фактором регуляции обмена веществ. Ингибиторы подразделяются на обратимые и необратимые. В свою очередь обратимое ингибирование бывает 3-ёх видов: аллостерическое, конкурентное и неконкурентное. Примером необратимого ингибирования может быть действие высоких температур, резкое изменение рН, приводящее к денатурации фермента или действие тяжёлых металлов, соединений мышьяка, которые связываются с ферментом или с фермент-субстратным комплексом в АЦ или блокируют функциональные группы молекул фермента, удаленных от АЦ. В наибольшей степени ингибирующему действию тяжелых металлов подвергаются тиоловые ферменты.

Диизопропилфторфосфат - это вещество образует сложный эфир с остатком серина в молекуле ацетилхолинэстеразы. Вследствие этого утрачивается способность нейрона проводить нервные импульсы (относится к сильным нервнопаралитическим средствам). Терапевтическое действие аспирина связано с ингибированием одного из ферментов, участвующего в биосинтезе простогландинов (обладает гормональными свойствами, является клеточным метаболитом).

Конкурентное ингибирование.

Механизм такого ингибирования в общих чертах связан с тем, что химическая природа ингибитора близка к химической природе субстрата.

Например, активность сукцинатдегидрогиназы может быть подавлена низкомолекулярными дикарбоновыми кислотами, например, щавелевой или пропандиовой кислотами.

Сукцинат ФУМАРАТ

Возникает комплекс фермент-ингибитор. Конкурентное ингибирование может быть снято путём увеличения концентрации субстрата.

Для внутриклеточных процессов характерно обратимое ингибирование. Конкурентное ингибирование.

1. Зависит от концентрации субстрата

2. Ингибитор является структурным аналогом субстрата, конкурируя с субстратом за АЦ, при повышении концентрации одного из этих компонентов уменьшается вероятность связывания другого (при повышении концентрации субстрата, он может полностью вытеснить ингибитор из АЦ).

Конкурентное и неконкурентное ингибирование легко различить по графикам

Лайнуивера-Берка.

Графики представляют собой зависимость обратной скорости (1/Vo) от обратной

концентрации субстрата (1/[S]).

Чем выше точка А, тем Vo меньше.

^ "vn«".*

При бесконечно большой [S] скорость ферментативной реакции не меняется (т.А), т.к. при этом происходит полное вытеснение ингибитора из АЦ большими концентрациями субстрата, Km при этом увеличивается (т.к. она зависит от [S], а она здесь увеличивается).

Неконкурентное ингибирование.

Ингибитор по структуре не похож на субстрат, не конкурирует с субстратом за АЦ, а присоединяется в другом центре - аллостерическом, при этом происходит уменьшение максимальной скорости ферментативной реакции, a Km остаётся неизменной, т.к. не зависит от [фермента].

Уменьшение Vmax происходит потому, что при помощи ингибитора из ферментативной реакции выводятся молекулы фермента, меньше молекул фермента, меньше Vmax. График Лайнуивера-Берка выглядит следующим образом:

Ингибитор присоединяется к аллостерическому центру, изменяет конформацию

фермента—» АЦ

2 фермента выводится из реакции —> V [.

Биохимия нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Матричные биосинтезы.

Вопросы:

1. структура нуклеотидов-мономеров нуклеиновых кислот. Структура азотистых оснований - пуриновых (А, Г) и пиримидиновых (У, Т, Ц). Нумерация атомов в азотистых основаниях, в рибозе и дезоксирибозе (с.98)

- нумерация в пуриновых и пиримидиновых основаниях ведется в противоположном направлении, С5 находится в одном и том же положении

2. Отличие нумерации в рибозе и дезоксирибозе

3. Связи в нуклеотидах (с. 102) (эфирная, B-N-гликозидная)

4. Принцип названия нуклеотидов (5)

5. Первичная структура нуклеиновых кислот (связи между нуклеотидами) (с.101-105)

6. Отличия в нуклеотидах ДНК и РНК (с.97, 101)

7. Вторичная структура ДНК (с. 108), где находится ДНК, правило Чаргаффа, модель Уотсона и Крика; основные черты модели (4), каким образом образуются водородные связи между цепями ДНК (с. 108)

8. Структура и функции РНК (с. 100), ш-РНК (с.516), м-РНК (с.518), р-РНК (с.513) Биологически важные производные нуклеотидов (моно- и динуклеотидов).

АТФ - аденозинтрифосфорная кислота - основной внутриклеточный переносчик

свободной энергии.

[АТФ] ~ 1 ммоль/л. По структуре - это аденозин с тремя остатками фосфорной кислоты в

пятом положении пентозы. При гидролизе 1 моля АТФ высвобождается 7 ккал энергии.

В результате катаболизма (ферментативное разрушение белков, жиров, углеводов,

поступающих с пищей). Энергия из химических связей накапливается путём

фосфорилирования АДФ и АТФ, которая затем в процессах анаболизма используется за

счёт обратной реакции (АТФ=АДФ+Ф).

АТФ необходима для биосинтеза веществ, мышечного сокращения, функционирования

K/Na насосов, т.е. активного транспорта.

В АТФ очень легко разрушаются связи между остатками фосфорной кислоты с

выделением большого количества энергии - макроэргические связи.

Кроме АТФ переносчиками энергии являются:

ГТФ и АТФ - биосинтез белка;

АТФ и УТФ - биосинтез полисахаридов;

АТФ и ЦТФ, дАТФ, дГТФ, дТТФ, дЦГФ - в биосинтезе ДНК.

цАМФ-3,5-аденозинмонофасфат-медиатор внеклеточных сигналов (например,

гормонов). Образуется из АТФ под действием фермента аденилатциклазы.

цГМФ-антагонист цАМФ.

Производные урациловых участвуют в качестве коферментов в различных реакциях

метаболизма гексоз и синтезе гликогена, например, уридиндифосфатлюкоза -

предшественник в синтезе гликогена, УТФ используется в реакциях превращения

галактозы в глюкозу.

Некоторые нуклеозиды 5 - фосфаты выполняют роль переносчиков молекул, например,

КоА является производным нуклеотида, переносит ацильные группы и ацетильные

радикалы, содержит витамин - пантотеновую кислоту.

Производные нуклеотидов: ФАД, НАД, не являются продуктами гидролиза нуклеиновых

кислот, а синтезируются самостоятельно и являются производными витаминов.

НАД - никотинамидадениндинуклеотид, производное витамина РР,

ФАД - флавинадениндинуклеотид, производное витамина В ;

функции: связующие звенья между процессами анаболизма и катаболизма. Содержат

аденозин-5-фосфат, переносят 2Н=2р+ё

ФАДН₂,- восстановленная форма ФАД⁺ .

НАДН + Н⁺"- т.к. этот кофермент переносит не 2 атома Н , а гидрид-ион (2ё и 1р).

Матричные биосинтезы. Основными матричными биосинтезами являются:

1. биосинтез ДНК или репликация (матрица - уже существующая молекула ДНК);

2. биосинтез РНК с использованием матрицы ДНК - это транскрипция;

3. биосинтез белков (трансляция) с использованием в качестве матрицы матричной РНК.

Репликация ДНК.

Механизм: спираль раскручивается, цепь расходится, а затем каждая одноцепочечная половина ДНК достраивается до целой двухцепочечной по принципу комплиментарности, в результате получается 2 двухцепочечные молекулы ДНК -полуконсервативный способ.

Консервативный способ когда вновь синтезированная цепь образуется без раскручивания.

Характеристика репликации.

Субстратами для репликации служат дезоксирибонуклеозидфосфаты (дАТФ, дЦТФ, дГТФ, дТТФ).

Источники энергии - дАТФ, дГТФ, дТТФ, дЦТФ.

Репликация ДНК всегда идет с образованием репликативной вилки, синтез идет в направлении 5—»3. В синтезе принимает участие мультиферментный репликативный комплекс.

Ферменты: эндонуклеазы, ДНК - раскручивающие белки, ДНК-полимеразы (а,δ,β, ε), ДНК - лигаза, РНК - праймаза.

Продукты реакции - вновь синтезированные молекулы ДНК идентичны матрице, репликация идет в двух направлениях, обе цепи реплицируются одновременно, протекает в S фазу клеточного цикла. Полная репликация генома происходит за 9 часов -время необходимое для удвоения генетического материала диплоидной делящейся клетки —> репликация начинается в нескольких местах с образованием «репликативного глаза».

Если точка репликации находится в начале «репликативного глаза», то репликация идет в одном направлении.

Если точка репликации находится в середине «репликативного глаза», то репликация идет в двух направлениях, но цифровое сохраняется.

Образование репликативных вилок начинается с образования «репликативного глаза». Для бактерий и вирусов «репликативный глаз» образуется там, где имеются специфические нуклеотидные последовательности (около 300 нуклеотидов) - это точки начала репликации. В точке начала репликации эндонуклеаза (топоизомераза) вызывает кратковременный разрыв 1 цепи ДНК (это топоизомераза 1) или двухцепочечный разрыв (топоизомераза 2) и присоединяется к разорванному концу, способствуя расплетению небольшого участка спирали. В дальнейшем раскручивании ДНК принимают участие спецефические белки - ДНК-геликазы (рис.2), использующие АТФ (АТФ-зависимые ДНК-геликазы).

Другие белки образуют репликативную вилку - дестабилизирующие белки (рис.2), которые выстраиваются в ряды на образовавшейся одноцепочечной ДНК, растягивают её остов и делают основания нуклеотидов более доступными для спаривания. Для того чтобы репликативная вилка могла продвигаться вперёд со скоростью равной 50 нуклеотидов в секунду, родительская спираль должна вращаться 50 оборотов в секунду. Этого не происходит, т.к. при действии топоизомеразы образуется шарнирный участок, т.е. временный разрыв цепи, возникающий под её действием, даёт возможность спирали ДНК по обе стороны от него вращаться.

Синтез, растущей дочерней цепи идёт в направлении 5—>3, осуществляется ДНК-полимеразой (ДНК-полимераза 5 осуществляет синтез лидирующей цепи, е, а, р -отстающей), осуществляющей полимеризацию нуклеотидов по принципу комплиментарности. Рис.2

Ведущая цепь синтезируется следующим образом:

Синтез начинается с синтеза затравки (т.к. ДНК-полимераза может только достраивать нуклеотиды к имеющимся 3-ОН-концам). Затравка или праймер (от 10 до 200 нуклеотидов) состоит из нуклеотидов РНК и синтезируется РНК-праймазой. 3-ОН-конец праймера должен быть спарен с матричной цепью. Если 3-ОН-конец не спарен с нуклеотидами матричной цепи, тогда ДНК-полимеразы отщепляет неспаренные нуклеотиды до появления спаренного конца (1) (рис.2).

ДНК-полимераза 5 достраивает дочернюю цепь, прикрепляя к праймеру 5-конец (2). Синтез на ведущей цепи протекает быстро. Синтез отстающей цепи происходит особенным образом, т.к. если бы он проходил также, как на ведущей цепи, направление синтеза было бы 3—>5 (рис.2), а ДНК-полимеразы осуществляет "синтез новой дочерней цепи в направлении 5^------>3^ —> особенности: - отстающая дочерняя цепь синтезируется фрагментами (5^;

• для каждого фрагмента нужен свой праймер. От каждого праймера синтезируются в нужном направлении фрагменты от 1000 до 2000 нуклеотидов у прокариот, у эукариот - 100-200- фрагменты Оказаки.

• для синтеза фрагментов Оказаки ДНК-полимеразе (а) необходимо ~ 4с, после этого она осуществляет синтез следующего фрагмента.

Каждый раз нужна новая затравка (из 10 нуклеотидов). Затравки синтезируются с

определенным интервалом (3) на матрице, затем их наращивает ДНК-полимераза с 3-

конца, начиная всякий раз новые фрагменты Оказаки, до тех пор, пока не достигнет

РНК-затравки, присоединенной к 5-концу предыдущего фрагмента (4).

Затем ДНК-полимераза р удаляет затравки между фрагментами Оказаки и достраивает

нуклеотидную цепь из нуклеотидов ДНК. Завершает процесс ДНК-лигаза, которая

соединяет З'-фрагмент нового фрагмента ДНК с 5-концом предыдущего.

Таким образом, в целом цепь строится в направлении 3^-»5,' но каждый фрагмент

синтезируется в нужном направлении 5—»3 по типу шитья назад.

Транскрипция. Трансляция.

Заключается в переводе информации, заключенной в последовательности нуклеотидов матричной-РНК, в последовательность аминокислот в белке, т.е. матрицей для синтеза белка является матричная РНК.

Субстраты - аминокислоты, источники энергии - АТФ и ГТФ. Биосинтез белка - циклический процесс:

1. инициация

2. элонгация

3. терминация

Для вступления в биосинтез аминокислоты должны быть активированы. Активация

аминокислот - образование аминоацил-m-PHK (аминокислота своей СООН-группой

присоединяется к 3-ОН-группе акцепторного участка т-РНК).

Происходит это при помощи специфических ферментов (для каждой аминокислоты -

свой фермент).

Аминоацил-m-PHK синтетаза (участвует в реакции активации аминокислот)

Молекулы т-РНК являются адаптерами.