6. Белок-белковое взаимодействие

Термин белок-белковое взаимодействие обозначает ситуацию, когда в качестве регулятора выступают не метаболиты биохимических процессов, а специфичные белки. В целом ситуация схожа с аллостерическим механизмом: после влияния каких-либо факторов на специфичные белки изменяется активность этих белков, и они, в свою очередь, воздействуют на нужный фермент. 

7. Ковалентная (химическая) модификация

Ковалентная модификация заключается в обратимом присоединении или отщеплении определенной группы, благодаря чему изменяется активность фермента. Чаще всего такой группой является фосфорная кислота, реже метильные и ацетильные группы. Фосфорилирование фермента происходит по остаткам серина и тирозина. Присоединение фосфорной кислоты к белку осуществляют ферменты протеинкиназы, отщепление – протеинфосфатазы.

Ферменты могут быть активны как в фосфорилированном, так и в дефосфорилированном состоянии. Например, в мышцах ферменты гликогенфосфорилазаи гликогенсинтаза

• при нагрузке фосфорилируются, при этом фосфорилаза гликогена становится активной и начинает расщепление гликогена и сжигание глюкозы, а гликогенсинтаза при этом неактивна.

• во время отдыха при синтезе гликогена оба фермента дефосфорилируются, синтаза при этом становится активной, фосфорилаза – неактивной.

11, Уровни структурной организации ферментов

Синтезируемые в клетке полипептидные цепи, образованные в результате последовательного соединения аминокислотных остатков, представляют собой как бы полностью развернутые белковые молекулы. Для того чтобы белок приобрел присущие ему функциональные свойства, цепь должна определенным образом свернуться в пространстве, сформировав функционально активную («нативную») структуру. Выделяют четыре уровня структуры белка:  • Первичная структура — последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи.  • Вторичная структура — локальное упорядочивание фрагмента полипептидной цепи, стабилизированное водородными связями и гидрофобными взаимодействиями. Ниже приведены некоторые распространенные типы вторичной структуры белков:  • α-спирали — плотные витки вокруг длинной оси молекулы, один виток составляют 4 аминокислотных остатка, спираль стабилизорована водородными связями между H и O пептидных групп, отстоящих друг от друга на 4 звена. Спираль может быть построена исключительно из одного типа стереоизомеров аминокислот (L или D), хотя она может быть как левозакрученной, так и правозакрученной, в белках преобладает правозакрученная. Спираль нарушают электростатические взаимодействия глутаминовой кислоты, лизина, аргинина, близкорасположенные аспарагин, серин, треонин и лейцин могут стерически мешать образованию спирали, пролин вызывает изгиб цепи и также нарушает α-спирали.  Третичная структура  — пространственное строение полипептидной цепи - взаимное расположение элементов вторичной структуры, стабилизированное взаимодействием между боковыми цепями аминокислотных остатков. В стабилизации третичной структуры принимают участие:  • ковалентные связи (между двумя цистеинами — дисульфидные мостики);  • ионные (электростатические) взаимодействия (между противоположно заряженными аминокислотными остатками);  • водородные связи;  • гидрофобные взаимодействия.  Четверичная структура  — субъединичная структура белка. Взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса. 

Трансмембранные ферменты, катализирующие сопряжённые реакции на противоположных сторонах мембраны. Характерными примерами могут служить окислительно-восстановительные ферменты, например фотосинтетические реакционные центры растений и бактерий или цитохром с-оксидаза митохондрий. Расположенные на противоположных сторонах мембраны активные центры этих ферментов сопряжены друг с другом с помощью потока электронов, генерирующего трансмембранный электрический потенциал. К этому классу ферментов могут быть отнесены также многие рецепторы. Связывание лиганда (например, гормона) с доменом, локализованным с наружной стороны клеточной мембраны, приводит к изменениям в цитоплазматическом домене фермента, которые, в свою очередь, инициируют клеточный ответ

Ферменты, способные использовать мембраносвязанные субстраты. В этот класс могут входить ферменты, участвующие в метаболизме компонентов мембраны: фосфолипидов, гликолипидов, олиизопреноидных соединений и стероидов, а также ферменты, частвующие в процессинге мембранных и секреторных белков. В большинстве случаев эти ферменты являются интегральными мембранными белками

12, Катализом называется изменение скорости химических реакций под воздействием веществ – катализаторов, которые участвуют в процессе, вступая в промежуточное химическое взаимодействие с реагентами, но остаются после окончания каталитического акта химически неизменными.

Катализаторами могут быть вещества, находящиеся в любом из трех агрегатных состояний – газы, жидкости и твердые тела.

Каталитические процессы можно разделить на две группы: гомогенные и гетерогенные. Если в присутствии катализатора реакция ускоряется, то это явление называют положительным катализом или просто катализом. Если реакция замедляется – антикатализаторы или ингибиторы.

Сущность катализа одинакова для всех его видов – гомогенного, гетерогенного, но каждый из этих видов имеет свои отличительные особенности. В общем случае ускоряющее действие катализаторов принципиально отличается от действия других факторов, интенсифицирующих химические процессы – температура, давление. Так, при повышении температуры повышается температура реагирующих молекул за счет вводимой извне теплоты.

Наиболее хорошо известная функция белков в организме — катализ различных химических реакций. Ферменты — это белки, обладающие специфическими каталитическими свойствами, то есть каждый фермент катализирует одну или несколько сходных реакций. Ферменты катализируют реакции расщепления сложных молекул (катаболизм) и их синтеза (анаболизм), в том числе репликацию и репарацию ДНК и матричный синтез РНК.

13. КАТАЛИЗ (от греческого katalysis - разрушение), ускорение химической реакции в присутствии вещества - катализатора, который взаимодействует с реагентами, но в реакции не расходуется и не входит в состав конечных продуктов.

Использование катализаторов позволяет проводить химические процессы при небольших температурах с предпочтительным образованием одного продукта из нескольких возможных.

Каталитическими процессами являются производство аммиака, серной кислоты, многих полимеров и др. Многие процессы в живых организмах ускоряются катализаторами - ферментами.

Биокатализ [греч. bio(s) — жизнь и katalysis — разрушение] — ускорение с помощью ферментов химических реакций, протекающих в живых организмах. Б. — процесс высокоэффективный, специфичный и, в отличие от химического катализа, происходит в более «мягких» условиях, т. е. условиях, свойственных живому организму (температуре, давление, реакции среды и т. д.). Одну из ведущих ролей Б. в промышленности занимают процессы окислительной биотрансформации органических соединений, в том числе углеводородного сырья.

Являясь катализаторами, ферменты имеют ряд общих с небиологическими катализаторами свойств:

1. Ферменты не входят в состав конечных продуктов реакции и выходят из нее, как правило, в первоначальном виде, т.е. они не расходуются в процессе катализа.

2. Ферменты не могут возбудить те реакции, протекание которых противоречит законам термодинамики, они ускоряют только те реакции,которые могут протекать и без них.

3. Ферменты не смещают положения равновесия, а лишь ускоряют его достижение.

Биологический катализ имеет некоторые специфические свойства:

1. По своему химическому строению все ферменты являются белками.

2. Эффективность ферментов намного выше, чем небиологических катализаторов (скорость протекания реакции при участии фермента выше на несколько порядков).

3. Ферменты обладают узкой специфичностью, избирательностью действия на субстраты, т.е. на вещества, превращение которых они катализируют. 4. Регулируемость ферментов как биокатализаторов.

5. Термолабильность ферментов. Скорость химических реакций зависит от температуры, поэтому катализируемые ферментами реакции также чувствительны к изменениям температуры. Однако вследствие белковой природы фермента тепловая денатурация при повышении температуры будет снижать эффективную концентрацию фермента с соответствующим снижением скорости реакции

14. Биокатализ. Все химические реакции, происходящие в клетке, протекают под действием биологических катализаторов, ферментов (энзимов). Ферменты (энзимы) – биологические катализаторы, преимущественно белковой природы. Подавляющее большинство ферментов имеют белковую природу. Термин фермент (от лат. fermentum – закваска) был предложен в начале 17 века голландским ученым Ван Гельмонтом для обозначения веществ, способствующих протеканию спиртового брожения. В 1878 году Кюне предложил термин энзим (от греч. en – внутри, zyme – закваска). Таким образом, оба эти названия обозначали вещества, вызывающие процессы брожения. Природа этих веществ в то время была фактически не известна.

Свойства ферментов.

1. Все ферменты - белковой природы.

2. Ферменты обладают высокой молекулярной массой.

3. Они хорошо растворимы в воде, при растворении образуют коллоидные растворы.

4. Все ферменты - термолабильны, т.е. оптимум действия 35 – 45^оС

5. По химическим свойствам являются амфотерными электролитами.

6. Ферменты высокоспецифичны по отношению к субстратам.

7. Ферменты для своего действия требуют строго определенного значения рН (пепсин 1.5 – 2.5).

8. Ферменты обладают высокой каталитической активностью (ускоряют скорость реакции в 10⁶ – 10¹¹ раз).

9. Все ферменты способны к денатурации по воздействием сильных кислот, щелочей, спиртов, солей тяжелых металлов.

Специфичность действия ферментов:

По специфичности действия ферменты делятся на две группы: обладающие абсолютной специфичностью и с относительной специфичностью.

Относительная специфичность наблюдается, когда фермент катализирует реакции одного типа с более чем одним структуроподобным субстратом. Например, пепсин расщепляет все белки с животного происхождения. Такие ферменты действуют на определенный тип химической связи, в данном случае на пептидную связь. Действие этих ферментов распространяется на большое число субстратов, что позволяет организму обойтись небольшим числом пищеварительных ферментов.

Абсолютная специфичностьпроявляется тогда, когда фермент действует лишь на одно-единственное вещество и катализирует лишь определенное превращение данного вещества. Например, сахараза расщепляет только сахарозу.

Обратимость действия:

Некоторые ферменты могут катализировать как прямую реакцию, так и обратную. Например, лактатдегидрогеназа, фермент катализирующий окисление лактата до пирувата и восстановление пирувата до лактата.

15. Современная номенклатура ферментов допускает старые тривиальные названия (папаин, пепсин, трипсин, цитохромы) и названия по рациональной номенклатуре, согласно которой название фермента составляется из названия субстрата и окончания –аза (амилаза, липаза, протеаза). По научной номенклатуре название фермента составляют из химического названия субстрата, акцептора и названия той реакции, которая осуществляется ферментом, например, L-аланин:2-оксоглутарат аминотрансфераза.

Существует Международная классификация ферментов. Согласно ей все ферменты включены в «Каталог ферментов» под своим классификационным номером, состоящим из четырех цифр. Первая цифра указывает на принадлежность к одному из шести главных классов. Следующие две определяют подкласс и подподкласс, а последняя цифра – номер фермента в данном подподклассе. Например, лактатдегидрогеназа имеет номер КФ 1.1.1.27.

В основу классификации ферментов положен тип реакций, подвергающихся каталитическому воздействию. Классы ферментов:

1. Оксидоредуктазы – катализируют окислительно-восстановительные реакции.

2. Трансферазы – переносят ту или иную функциональную группу от одного субстрата на другой.

3. Гидролазы – также участвуют в переносе групп, однако акцептором всегда является молекула воды.

4. Лиазы (синтазы) – катализируют расщепление или образование химических соединений или образование химических связей, при этом образуются или исчезают двойные связи.

5. Изомеразы – перемещают группы в пределах одной молекулы.

6. Лигазы (синтетазы) – катализируют энергозависимые реакции присоединения и поэтому их действие сопряжено с гидролизом АТФ.

Характерной особенностью деятельности оксидоредуктаз в клетке является их способность образовывать системы окислительно-восстановительных ферментов, в которых осуществляется многоступенчатый перенос атомов водорода от первичного субстрата к конечному акцептору, обычно кислороду, с образованием воды.

Оксидоредуктазы, которые переносят протоны и электроны непосредственно на кислород, называются аэробными дегидрогеназами или оксидазами. Оксидоредуктазы, переносящие протоны и электроны от одного компонента окислительной цепи к другому без передачи на кислород, называются анаэробными дегидрогеназами или редуктазами.

Если фермент катализирует реакцию отнятия атомов водорода непосредственно от первичного субстрата, то его называют первичной дегидрогеназой.

Если фермент ускоряет снятие атомов водорода со вторичного субстрата, который сам ранее получил атомы водорода при помощи первичной дегидрогеназы, то его называют вторичной дегидрогеназой.

Другая особенность оксидоредуктаз состоит в том, что они ускоряют протекание химических процессов, связанных с высвобождением энергии.

Третья особенность оксидоредуктаз заключается в том, что имея несколько коферментов, они способны ускорять большое количество разных окислительно-восстановительных реакций. Один и тот же кофермент способен соединяться со многими апоферментами, образуя каждый раз оксидоредуктазу, специфичную по отношению определенному субстрату.

Самыми распространенными являются оксидоредуктазы, содержащие в качестве активной группы никотинамидадениндинуклеотид (НАД+) – производное никотинамида, витамина РР.

15. . Трансферазы – один из наиболее обширных классов, специализи-руются на переносе функциональных групп с одного субстрата к другому. Делятся на подклассы в зависимости от характера переносимых групп.

Фосфотрансферазы – ускоряют реакцию переноса остатка фосфорной кислоты. Реакцией фосфорилирования обеспечивается превращение ряда органических соединений в фосфорные эфиры, обладающие повышенной химической активностью и более легко вступающие в последующие реакции. Перенос фосфатных групп идет на спиртовые, карбоксильные, азотсодержащие, фосфорсодержащие и другие группы. Донором фосфатных остатков является в большинстве случаев АТФ. Фосфотрансферазы, переносящие остаток фосфата с АТФ на белки, называются протеинкиназами. Они переносят фосфат на радикалы серина, треонина, тирозина, лизина и гистидина, в результате чего резко изменяется биологисческая активность ряда белков. Фосфотрансферазой является, например, гексокиназа – фермент, ускоряющий перенос остатка фосфорной кислоты от молекулы АТФ к глюкозе с образованием глюкозо-6-фосфата. Гексокиназа состоит из 4 субъединиц, каждая отдельная молекула лишена фосфотрансферазной активности. Обнаружено 5 изозимов гексокиназы:

17. Гидролазы – самая распространенная группа ферментов, не содержат коферментов, то есть являются по химической структуре простыми белками. В зависимости от характера гидролизуемого субстрата гидролазы делятся на ряд подклассов.

Эстеразы – катализируют реакции гидролиза сложных эфиров спиртов с органическими и неорганическими кислотами. Примером эстераз является липаза, которая ускоряет гидролиз сложноэфирных связей в молекулах жиров:

Другим примером являются фосфатазы, катализирующие гидролиз фосфорных эфиров, например глюкозо-1-фосфатаза:

Гликозидазы – ускоряют реакцию гидролиза гликозидов. Обладают ярко выраженной пространственной специфичностью (α- и β-гликозидазы). Примером может служить сахараза, ускоряющая гидролиз сахарозы на глюкозу и фруктозу:

Пептидазы – катализируют расщепление пептидных связей в белках и пептидах. Эндопептидазы катализируют гидролиз пептидных связей внутри молекулы, экзопептидазы – отщепление от полипептидной цепи концевых аминокислот (аминопептидазы и карбоксипептидазы). Существуют также дипептидазы, завершающие гидролиз белка.

18. Ферме́нты, или энзи́мы (от лат.Fermentum - закваска) — обычно белковые молекулыилимолекулы РНК(рибозимы) или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции вживыхсистемах.Реагентыв реакции, катализируемой ферментами, называютсясубстратами, а получающиеся вещества — продуктами. Ферменты специфичны к субстратам (АТФаза катализирует расщепление только АТФ, а киназа фосфорилазыфосфорилируеттолько фосфорилазу).

Современная номенклатура ферментов допускает старые тривиальные названия (папаин, пепсин, трипсин, цитохромы) и названия по рациональной номенклатуре, согласно которой название фермента составляется из названия субстрата и окончания –аза (амилаза, липаза, протеаза). По научной номенклатуре название фермента составляют из химического названия субстрата, акцептора и названия той реакции, которая осуществляется ферментом, например, L-аланин:2-оксоглутарат аминотрансфераза.

Существует Международная классификация ферментов. Согласно ей все ферменты включены в «Каталог ферментов» под своим классификационным номером, состоящим из четырех цифр. Первая цифра указывает на принадлежность к одному из шести главных классов. Следующие две определяют подкласс и подподкласс, а последняя цифра – номер фермента в данном подподклассе. Например, лактатдегидрогеназа имеет номер КФ 1.1.1.27.

В основу классификации ферментов положен тип реакций, подвергающихся каталитическому воздействию. Классы ферментов:

1. Оксидоредуктазы – катализируют окислительно-восстановительные реакции.

2. Трансферазы – переносят ту или иную функциональную группу от одного субстрата на другой.

3. Гидролазы – также участвуют в переносе групп, однако акцептором всегда является молекула воды.

4. Лиазы (синтазы) – катализируют расщепление или образование химических соединений или образование химических связей, при этом образуются или исчезают двойные связи.

5. Изомеразы – перемещают группы в пределах одной молекулы.

6. Лигазы (синтетазы) – катализируют энергозависимые реакции присоединения и поэтому их действие сопряжено с гидролизом АТФ.

Изомеразы – немногочисленный класс ферментов, осуществляют внутримолекулярный перенос водорода, фосфатных и ацильных групп, перемещение двойных связей, изменение пространственного расположения атомных группировок.

Триозофосфатизомераза ускоряет перенос атомов водорода в процессе взаимопревращений глицеральдегид-3-фосфата и дигидроксиацетонфосфата:

Фосфоглицератфосфомутаза обеспечивает достаточную скорость превращения 2-фосфоглицерата в 3-фосфоглицерат и обратно:

Мутаротаза является стереоизомеразой, она ускоряет реакцию превращения α-D-глюкопиранозы в β-D-глюкопиранозу. К стереоизомеразам относятся также цис-транс-изомеразы, например ретинол-изомераза, переводящая транс-ретинол в цис-ретинол.

Изопентенилпирофосфат-изомераза катализирует реакцию перестройки изопентенилпирофосфата в диметилаллилпирофосфат, что связано с переме-щением двойной связи из 3-го во 2-е положение.

Изопентенилпирофосфат-изомераза содержит свободные сульфгидрильные группы цистеина, благодаря которым обеспечивается приведенная выше реакция, имеющая огромное значение для синтеза изопреноидов.

Лигазы – ферменты, катализирующие синтез органических веществ в клетке. Главная их особенность – сопряженность синтеза с распадом АТФ. При отрыве от ее молекулы в присутствии лигаз одного или двух концевых остатков фосфорной кислоты выделяется большое количество энергии, используемой для активирования реагирующих веществ. Далее лигазы ускоряют соединение этих активированных субстратов.

К группе лигаз, образующих С-С-связи, относятся карбоксилазы. Например, пируваткарбоксилаза ускоряет реакцию образования оксалоацетата из пирувата и СО₂:

В качестве кофермента карбоксилазы используют активированную форму витамина Н (биотина) – карбоксибиотин:

Другим примером работы лигаз может служить ускорение реакции образования C-S-связей, осуществляемое ацил-коэнзим А-синтетазами. Ацетил-коэнзим А-синтетаза катализирует образование ацетил-коэнзима А из уксусной кислоты и коэнзима А:

Ацетил-коэнзим А служит коферментом в реакциях трансацилирова-ния, поэтому действие ферментов этих двух групп – лигаз и ацилтрансфераз – тесно связано друг с другом.

Что такое «ингибиторы» и «активаторы» ферментов. Виды ингибирование.

Ингибиторы – это соединения, которые взаимодействуя с ферментом, препятствуют образованию нормального фермент-субстратного комплекса, уменьшая тем самым скорость реакции или прекращая её.

Неспецифические ингибиторы вызывают денатурацию фермента (соли тяжелых металлов, кислоты, щелочи). Их действие не связано с механизмом ферментативного катализа. Специфические ингибиторы — их действие связано с механизмом ферментативного катализа.

Активаторы ферментов - вещества, которые разными путями повышают способность ферментов ускорять реакцию.

Свойства активаторов:

1. Формируют активный центр фермента (Со2+, Mg2*, Zn2+, Fe2+, Си2*).

2. Облегчают образование фермент-субстратного комплекса (Mg2*, Мп2*).

3. Стабилизируют нативную структуру фермента.

4. Защищают функциональные группы активного центра от повреждения, например, восстанавливают SH-группы активного центра (глутатион, цистеин).

5. Воздействуют на субъединицы молекулы фермента (протеин- киназа регулируется цАМФ).

Активаторами обычно бывают катионы, реже анионы. Исключение: ионы хлора и анионы других галогенов активируют пепсин, амилазу, аденилатциклазу. Активаторами могут быть белки: апопротеины AI активирует ЛХАТ, апопротеины СИ ЛПЛ.

Виды ингибирования

Конкурентное ингибирование вызывает обратимое снижение скорости ферментативной реакции в результате связывания ингибитора с активным центром фермента, которое препятствует образованию фермент-субстратного комплекса. Такой тип ингибирования наблюдается, когда ингибитор является структурным аналогом субстрата; в результате возникает конкуренция молекул субстрата и ингибитора за связывание с активным центром фермента. В этом случае с ферментом взаимодействует либо субстрат, либо ингибитор, образуя комплексы фермент-субстрат (ES) или фермент-ингибитор (EI). 

Неконкурентным обратимым называют такое ингибирование ферментативной реакции, при котором ингибитор взаимодействует с ферментом в участке, отличном от активного центра. Неконкурентные ингибиторы не являются структурными аналогами субстрата; присоединение неконкурентного ингибитора к ферменту изменяет конформацию активного центра и уменьшает скорость ферментативной реакции, т.е. снижает ферментативную активность

Применение ферментов в медицине. Понятие об энзимопатиях. Примеры.

Ферментные препараты широко используют в медицине. Ферменты в медицинской практике находят применение в качестве диагностических (энзимодиагностика) и терапевтических (энзимотерапия) средств.

Энзимодиагностика заключается в постановке диагноза заболевания (или синдрома) на основе определения активности ферментов в биологических жидкостях человека.

Использование ферментов в качестве терапевтических средств имеет много ограничений вследствие их высокой иммуногениости. Тем не менее энзимотерапию активно развивают в следующих направлениях:

-заместительная терапия - использование ферментов в случае их недостаточности;

- элементы комплексной терапии - применение ферментов в сочетании с другой терапией.

Ферментативные препараты (фестал, мезим-форте).

Энзимопатии – это группа заболеваний, которые вызваны различными дефектами ферментов.

Классификация:

Наследственные энзимопатии – это заболевания, вызванные наследственными нарушениями биосинтеза ферментов или их структуры и функции.

Приобретенные энзимопатии

a. Алиментарные - это заболевания, вызванные изменением количества и активности ферментов вследствие нарушения характера питания.

b. Токсические - это заболевания, вызванные нарушением активности ферментов вследствие действия токсических веществ.

Примеры (галактоземия, фенилкетанурия)