2.Строение и классификация аминокислот.

По строению белки- это высокомолекулярные азотсодержащие соединения, состоящие из аминокислот. В состав белковых молекул могут входить десятки, сотни и тысячи остатков аминокислот. Однако все белки, независимо от происхождения, синтезируются лишь из 20 видов аминокислот. Эти 20 видов аминокислот называются протеиногенными, и их строение можно отразить следующей формулой:

Поскольку аминогруппа у таких аминокислот находится в альфа-положении (у углерода, ближайшего к карбоксильной группе), их называют альфа-аминокислотами. У всех аминокислот можно выделить общую, одинаковую часть молекулы, содержащую амино- и карбоксильную группы. Другая же часть молекулы, обозначенная как радикал, у каждой из 20 аминокислот имеет специфическое строение, и аминокислоты отличаются друг от друга только радикалами.

Некоторые белки помимо 20 упомянутых выше аминокислот содержат в очень малых количествах другие виды аминокислот, которые называются минорными. Образуются эти аминокислоты из протеиногенных аминокислот после завершения синтеза белковых молекул.

Классификация: I.Ациклические аминокислоты( моноаминомонокарбоновые кислоты:

глицин , аланин , серин ,

цистеин , треонин , метионин , валин , лейцин , изолейцин ; моноаминодикарбоновые кислоты и их амиды: аспарагиновая кислота , аспарагин(амид аспарагиновой кислоты) ,

глутаминовая кислота ,

глутамин(амид глутаминовой кислоты) ; диаминомонокарбоновые кислоты: лизин , аргинин ). II.Циклические аминокислоты( фенилаланин , тирозин(оксифенилаланин) ,триптофан , гистидин , пролин ).

3.Типы химических связей в молекуле белка. Пространственное строение белковой молекулы.

Аминокислоты, соединяясь друг с другом пептидной связью, образуют длинные неразветвленные цепи-полипептиды. Пептидная связь возникает при взаимодействии карбоксильной группы одной аминокислоты и аминогруппы другой аминокислоты с выделением воды:

Пептидные связи образуются только за счет взаимодействия амино- и карбоксильных групп, обязательно входящих в общую часть белковой молекулы.В состав полипептидов входят десятки, сотни и тысячи остатков аминокислот.У каждого полипептида аминокислотные остатки располагаются в строгой последовательности, закодированной в молекулах ДНК.

Кроме пептидных, в белках обнаруживаются еще дисульфидные связи, которые также являются ковалентными.В образовании таких связей участвует только аминокислота цистеин.В радикале цистеина содержится SH-группа,за счет которой молекулы цистеина могут соединяться друг с другом:

Дисульфидная связь возникает между двумя атомами серы, с помощью которых происходит соединение двух остатков молекул цистеина.

В молекулах белков дисульфидная связь возникает между остатками цистеина, входящими в состав полипептидов.

Дисульфидной связью могут также соединиться остатки цистеина,находящиеся в разных полипептидах,но пространственно сближенные.

Наряду с ковалентными связями в молекулах белков могут встречаться и слабые нековалентные связи, к которым относятся водородные, ионные и другие связи.Эти химические связи могут возникать между остатками аминокислот, расположенными в разных участках одного и того же полипептида и пространственно сближенными. В итоге молекула белка является объемным, трехмерным образованием, имеющим определенную пространственную форму.

Первичная струткура.Представляет собой последовательность расположения аминокислот в полипептидных цепях.Фиксируется прочными пептидными связями.

Вторичная структура.Описывает пространственную форму полипетидных цепей.Фиксируется дисульфидными и различными нековалентными связями.

Третичная структура.Отражает пространственную форму вторично структуры.Стабилизируется слабыми нековалентными, а также дисульфидными связями и поэтому является самой неустойчивой структурой.

Четвертичная структура.Обладают только некоторые белки.Сложное надмолекулярное образование, состоящее из нескольких белков, имеющих свою собственную первичную, вторичную и третичную структуры.Каждый белок, входящий в состав четвертичной структуры, называется субъединицей.Ассоциация субъединиц в четвертичную структуру приводит к возникновению нового биологического свойства, отсутствующего у свободных субъединиц.Объединяются субъединицы в четвертичную структуру за счет слабых нековалентных связей, поэтому четвертичная структура неустойчива и легко диссоциирует на субъединицы.

4. Амфотерность белков.

Амфотерность белков (наличие у молекул как кислотных, так и щелочных свойств) обусловлена присутствием в их молекулах свободных карбоксильных групп (кислотные группы) и аминогрупп (оснόвные группы). В кислой среде (рН < 7) вследствие избытка ионов водорода (протонов) диссоциация карбоксильных групп подавлена. Свободные аминогруппы легко присоединяют к себе имеющиеся в избытке протоны и переходят в протонированную форму:

Следовательно Белки в кислой среде проявляют оснóвные (щелочные) и находятся в катионной форме (их молекулы заряжены положительно).

В щелочной среде (рН > 7) преобладают ионы гидроксила (ОН-), ионов водорода мало. В этих условиях легко протекает диссоциация карбоксильных групп, протонирование аминогрупп практически не происходит:

Поэтому в щелочной среде белки обладают кислотными свойствами и находятся в анионной форме (их молекулы заряжены отрицательно).

Однако при определенной кислотности в молекуле белка может быть одинаковое количество диссоциированных карбоксильных групп (-СОО-) и протонированных аминогрупп (-NH3+). Такая белковая молекула не имеет заряда и является нейтральной.

Значение рН, при котором молекулы белка нейтральны, называется изоэлектрической точкой белка и обозначается рI или рНиэт.. Значение рI зависит от соотношения в молекуле белка между аминокислотами, содержащими в радикале карбоксильную группу (моноаминодикарбоновые кислоты), и аминокислотами, содержащими в радикале аминогруппу (диаминомонокарбоновые кислоты). Если в белке с дополнительной карбоксильной группой, то значение изоэлектрической точки находится в кислой среде (рI < 7). В случае преобладания аминокислот со свободными аминогруппами изоэлектрическая точка имеет величину больше 7, т.е. находится в щелочной среде. По значению рI можно установить заряд белка, находящегося в растворе с известным рН. Если рН раствора больше величины изоэлектрической точки, молекулы белка имеют отрицательный заряд.

Следовательно, при повышении или снижении кислотности изменяется заряд белковых молекул, что сказывается на свойствах белка и, в том числе, на его функциональной активности.

5. Растворимость белков.

Белки хорошо растворяются в воде и их растворы близки по свойствам к коллоидным растворам.

Высокая стабильность белковых растворов обеспечивается факторами устойчивости. Один из них – это наличие у белковых молекул заряда.

При одном строго определенном значении рН, равном изоэлектрической точке, белок нейтрален, при всех остальных значениях рН белковые молекулы имеют какой-то заряд. Благодаря наличию заряду при столкновениях молекулы белка отталкиваются друг от друга, и их объединения в более крупные частицы не происходит.

Второй фактор устойчивости белковых растворов заключается в наличие у белковых молекул гидратной (водной) оболочки. Образование гидратной оболочки обусловлено тем, что различные неполярные (гидрофобные) группировки обычно располагаются внутри белковой молекулы, а полярные (гидрофильные) группы (-СООН, -NН2 , -OH, -SH, пептидные связи -СО-NH-) находятся на поверхности белковой молекулы. К этим полярным группам присоединяются молекулы вода, вследствие чего молекула белка окружается слоем из ориентированных молекул воды.

6. Высаливание и денатурация белка.

Высаливание – это выпадение белка в осадок под действием водоотнимающих средств, к которым, в первую, очередь, относятся соли (Na2SO4,, (NH4)2SO4 и др.). Ионы солей, подобно белкам, также хорошо связывают воду. При высоких концентрациях вследствие низкой молекулярной массы солей количество их ионов огромно по сравнению с макромолекулами белков. В результате бóльшая часть воды связывается с ионами солей, что приводит значительному уменьшению гидратных оболочек у белков, снижению их растворимости и выпадением в осадок.

Наиболее эффективно высаливание при рН, равном изоэлектрической точке осаждаемого белка. В этом случае белок не только теряет гидратную оболочку, но и лишается заряда, что приводит к его полному осаждению.

Высаливание – процесс обратимый. При удалении водоотнимающего средства или при добавлении воды осадок белка растворяется и образуется полноценный раствор белка.

Денатурация белков — изменение нативной конформации белковой молекулы под действием различных дестабилизирующих факторов. Денатурация бывает обратимой и не обратимой.

Денатурация, как правило, сопровождается выпадением белка в осадок. Денатурация вызывается физическими и химическими факторами. Физическими факторами являются: нагревание (выше 50-60°С), различные виды излучения (ультрафиолетовое и ионизирующее излучение), ультразвук, вибрация. К химическим факторам относятся: сильные кислоты и щелочи, соли тяжелых металлов, некоторые органические кислоты (трихлоруксусная и сульфосалициловая[4]). Под влиянием перечисленных факторов в молекулах белков разрываются различные непептидные связи, что вызывает разрушение высших (кроме первичной) структур и переход белковых молекул в новую пространственную форму. Такое изменение конформации приводит к утрате белками их биологической активности.

Ренатурация — процесс, обратный денатурации, при котором белки возвращают свою природную структуру.

7. Классификация белков

• По хим.составу: простые(протеины)-аминокислоты, альбумины, глобулины,гистоны и т.д

Сложные(протеиды)- хромопротеины, нуклеопротеиды.

• По строению простетической группы : фосопротеиды(в качестве просетич.группы фосфорная кислота

Нуклеопротеиды(содержат нуклеиновую кислоту)

Гликпротеиды(сод.углевод)

Липопротеиды(сод липид)

• По пространственной ориентации: глобулярные(в форме шара)-альбумины и глобулины плазмы крови

Фибриллярные(молекулы вытянуты)-коллаген

8. Строение ферментов. Стадии ферментативного катализа

Фермент-особые белки,катализирующие хим.реакции. «Активный центр»-участок молекулы фермента,где происходит катализ. Он образуется на на уровне третичной стркутур белка. В нём 2 участка- абсорбцинный-соответствует структуре реагирующих соединений(поэтому более легко присоединяются субстраты) и каталитический-непосредственно осуществляет ферментативную реакцию

Стадии

1. Присоединение субстрата к абсобирующему участку активного центра за счёт слабых связей-образуется неустойчивый субстрат-фермент комплекс

2. С участием каталитического центра протекают различные реакции с высокой скоростью

3. Отделение продукта от активного центра продукта реакции

9. Специфичность ферментов

Два вида специфичности

-Специфичность действия-способность фермента катализировать строго определённый тип хим.реакции

Пример:глюкозо-6-фосфат переходит в глюкозу с отщиплением фсфатной группы,толькоо под действием-фосфтазы

Глюкозоо-6-фосфат переходит в глюкзо-1-фосфат только под действием мутазы

Глюкзо-6-фосфат в фруктозо-6-фосфат только под действием изомеразы

-Специфичность субстратная-спосбность фермента действовать только на определённые субстраты,т.е фермент катализирует превращение ТОЛЬКО ОДНОГО субстрата

Пример абсолютнй субстратной специфичности: Аргинин-единственный субстрат фермента аргиназы. (Аргиназа отщипляет мочивину от аминокислоты)

Пример относительной субстратной специфичности-фермент пепсин расщипляет пептидные связи в белках любого строения

Субсратная специфич зависит от структуры адсорбционного участка фермента

10)КИНЕТИКА ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА

Скорость ферментативных реакций существенно зависит от многих факторов. К ним относятся концентрации участников ферментативно­го катализа (фермента и субстрата) и условия среды, в которой протека­ет ферментативная реакция (температура, pH, присутствие ингибито­ров и активаторов).

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации фермента

З ависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата

Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры

Зависимость скорости ферментативной реакции от pH

11)Ингибиторы и активаторы ферментов

Ингибиторы (I) - это химические соединения (обычно низкомолекулярные), которые, находясь в низких концентрациях, избирательно тормозят определенные ферментативные реакции. При этом ингибитор всегда присоединяется к ферменту с образованием фермент-ингибиторного комплекса. Фермент, связанный с ингибитором, теряет свою каталитическую активность.Если связи между ферментом и ингибитором прочные, то действие ингибитора носит необратимый характер, и торможение нарастает во времени вплоть до полного прекращения ферментативной реакции:

 E + I EI

Такие ингибиторы называются необратимыми. Примером необратимых ингибиторов являются фосфорорганические соединения (табун, зарин, дихлофос, карбофос и др.), избирательно и необратимо угнетающие важнейший фермент организма холинэстеразу, участвующую в передаче нервных импульсов.Если ингибитор присоединяется к ферменту за счет непрочных связей, то торможение фермента является обратимым и не зависит от времени:

   E + I EI

Ингибиторы такого типа называются обратимыми.В свою очередь, обратимые ингибиторы делятся на две разновидности: конкурентные и неконкурентные.Конкурентные ингибиторыприсоединяются к активному центру фермента, т.е. к тому же участку поверхности фермента, что и субстрат. Поэтому между ингибитором и субстратом идет конкуренция за присоединение к активному центру. Занимая активный центр, ингибитор тем самым препятствует образованию фермент-субстратного комплекса - первой стадии ферментативного катализа. Конкурентные ингибиторы обычно по строению похожи на субстрат.Неконкурентные ингибиторы присоединяются к ферменту вне активного центра. Этот участок поверхности фермента называется аллостерический центр (т.е. находящийся в другом месте по сравнению с активным центром).Присоединение неконкурентного ингибитора к аллостерическому центру вызывает неблагоприятное изменение пространственной структуры (конформации) всей молекулы фермента, в т.ч. и активного центра. В результате каталитические свойства фермента снижаются.Неконкурентные ингибиторы участвуют в регуляции скорости ферментативных реакций, протекающих в организме. В роли неконкурентных ингибиторов могут быть гормоны, конечные и промежуточные продукты ферментативных реакций, ионы металлов, лекарственные вещества.Активаторы - вещества, избирательно повышающие скорость определенных ферментативных реакций. Активаторы, подобно неконкурентным ингибиторам, присоединяются обратимо к аллостерическому центру фермента. Но в этом случае изменение конформации фермента будет благоприятным для функционирования активного центра, что приводит в итоге к повышению скорости ферментативной реакции. В организме активаторами являются некоторые гормоны, промежуточные продукты метаболических процессов, ионы металлов, а также лекарственные препараты.

12)Классификация и индексация ферментовСовременная классификация ферментов основывается на характере химической реакции, катализируемой ферментом. Все ферменты делят­ся на шесть классов в зависимости от типа катализируемой реакции:

I класс - оксидоредуктазы - ферменты, катализирующие окисли­тельно-восстановительные реакции.

Схематично действие ферментов I класса можно записать:

А+в —>C + D

II класс - трансферазы - ферменты, катализирующие перенос хими­ческих группировок с молекулы одного вещества на молекулу другого:

АВ + С —>А + ВС

III класс - гидролазы - ферменты, расщепляющие химические свя­зи путем присоединения воды, т.е. путем гидролиза:

АВ + н20 > А-Н + В-ОН

IV класс - лиазы - ферменты, катализирующие расщепление хими­ческих связей без присоединения воды:

АВ—>А+В

V класс - изомеразы - ферменты, катализирующие изомерные пре­вращения, т.е. перенос отдельных химических групп в пределах одной молекулы:

А—>в

VI класс - синтетазы - ферменты, катализирующие реакции синте­за, протекающие за счет энергии гидролиза АТФ:

А+В ^ АВ

АТФ + Н20 ^ ^ АДФ + Н3Р04(изображение чтобы посмотреть последнюю формулу)

К аждый класс, в свою очередь, делится на подклассы, внутри подклассов выделены подподклассы. Каждый подподкласс содержит список индивидуальных ферментов в строго определенной последователь- m m i и, которая не изменяется, а лишь продлевается по мере открытия ' юных ферментов.

В основе подразделения ферментов на подклассы и на подподкласе лежит тип химической связи или химическое строение группировки ■ убстрата, на которую действует фермент.

С классификацией ферментов тесно связана их индексация (нуме­рация). Индекс (шифр) каждого фермента состоит из четырех чисел, разделенных точками, и составляется по следующему принципу: пер­цам цифра индекса указывает, к какому из шести классов принадлежит манный фермент. Второе и третье числа индекса обозначают соответственно порядковые номера подклассов и подподклассов. Четвертое число индекса - порядковый номер индивидуального фермента внутри | своего подподкласса.

Например, фермент слюны амилаза, расщепляющий крахмал, имеет индекс 3.2.1.1, что свидетельствует о принадлежности этого фермента N классу гидролаз