Биоорганическая химия. Учебное пособие

Тема 7. Химический состав и структура нуклеиновых кислот

К гликопротеинам относятся все белки плазмы крови, кроме альбуминов, трансферрин, церулоплазмин, гонадотропные гор моны, некоторые ферменты, гликопротеины в составе слюны (му цин), хрящевой, костной ткани и яичного белка (овомукоид).

6. Протеогликаны и металлопротеины.Протеогликаны — слож ные белки, состоящие из белка и гликозаминогликанов (мукопо лисахаридов). Они составляют основу матрикса соединительной ткани (до 30% сухой массы соединительной ткани).

Гликозаминогликаны — линейные неразветвленные полиме ры, состоящие из дисахаридных единиц. В организме в свобод ном состоянии не встречаются, всегда связаны с белком. Сущест вует 6 основных классов глюкозаминогликанов.

1. Гиалуроновая кислота содержится в матриксе соедини тельной ткани:

2. Хондроитин 4 сульфат содержится в матриксе соедини тельной ткани:

91

Тема 7. Химический состав и структура нуклеиновых кислот

3. Хондроитин 6 сульфат содержится в матриксе соединитель ной ткани:

4. Дерматансульфат содержится в коже:

5. Кератансульфат содержится в роговице глаза и хрящевой ткани:

92

Тема 7. Химический состав и структура нуклеиновых кислот

6. Гепарин — гликозаминогликан антикоагулянт:

Металлопротеины — биополимеры, содержащие, помимо бел ка, ионы металла. К ним относятся белки, содержащие негемо вое железо, и белки, координационно связанные с ионами метал лов в составе ферментов.

Таблица 8

Металлопротеины

93

Тема 8. Ферменты

ФЕРМЕНТЫ. ХИМИЧЕСКАЯ ПРИРОДА,

СТРОЕНИЕ И МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ Тема 8. ФЕРМЕНТОВ

1. Понятие о ферментах, их химическая природа и строение. ФерJ менты (энзимы) — класс высокоспециализированных веществ белковой природы, катализирующих большое число химических реакций. Ферменты обеспечивают реализацию генетической ин формации, обмен веществ и энергии.

94

Тема 8. Ферменты

Ферменты отличаются от неорганических катализаторов зна чительно большей активностью и высокой специфичностью дей ствия. Один фермент катализирует в основном только одну химиче скую реакцию. Активность ферментов в клетках контролируется на генетическом уровне, а также посредством концентраций субстрата и продуктов реакций, катализируемых ими.

Химическая природа ферментов

Большинство ферментов является белками, что подтверждает ся потерей их биологической активности под действием различ ных денатурирующих факторов, образованием аминокислот при гидролизе, а также их выделением в виде кристаллов белка.

Ферменты амфотерны (могут существовать в растворе в виде анионов, катионов и амфионов), обладают электрофоретической подвижностью благодаря наличию в них положительных и отри цательных зарядов, не способны к диализу через полупроницае мые мембраны, легко осаждаются из водных растворов методами высаливания. Молекулярная масса ферментов колеблется от де сятков тысяч до нескольких миллионов. Оптимальная температу ра для большинства ферментов равна температуре человеческого тела, оптимальное значение pH — 6,0—8,0.

Строение ферментов

Различают простые и сложные ферменты. Простые ферменты представлены аминокислотными цепями и при гидролизе распа даются только на аминокислоты. К ним относятся гидролитические ферменты — пепсин, трипсин, папаин, уреаза, лизоцим, рибонук леаза, фосфатаза и др. Большая часть природных ферментов яв ляется сложными белками и, помимо полипептидных цепей, содер жит небелковый компонент (кофактор), являющийся абсолютно необходимым для белковой активности. Кофакторы имеют различ ную химическую природу и различаются по прочности связи с по липептидной цепью. Если при выделении и очистке кофактор не отделяется от полипептидной цепи, то такой фермент называется холоферментом (холоэнзимом), а кофактор — простетической группой. Полипептидная часть фермента называется апофермен

95

Тема 8. Ферменты

том. Простетическая группа может быть связана с апоферментом ковалентными и нековалентными связями. Кофермент — допол нительная группа, легко отделяющаяся от апофермента при дис социации.

Простетические группы и коферменты активно участвуют в хи мических реакциях, играя роль переносчиков протонов, электронов или различных функциональных групп.

Кофактором называется любой фактор, абсолютно необходи мый для выполнения белком его биологической роли. Им могут быть любые небелковые органические молекулы или ионы метал лов. Кофактором может быть простетическая группа фермента, если она не вовлечена в акт катализа, но является функционально существенной для фермента.

Кофактор и апофермент по отдельности не наделены биоло гической активностью, только их объединение в единое целое, про текающее в соответствии с программой их структурной организа ции, обеспечивает быстрое протекание химической реакции.

2. Активный центр ферментов. Молекулы субстратов, участ вующих в химических реакциях, значительно меньше молекул ферментов. При образовании комплекса субстрат — фермент во взаимодействие с субстратом вовлекается ограниченная часть мо лекулы фермента.

Активный центр фермента — уникальная комбинация амино кислотных остатков в молекуле фермента, которая обеспечивает непосредственное ее связывание с субстратом и участвует в акте катализа. У сложных ферментов в состав активного центра входят простетические группы. В активном центре различают каталити ческий центр (участок, непосредственно вступающий в химическое взаимодействие с субстратом) и связывающий центр, или контакт ную площадку (участок, обеспечивающий специфическое сродство к субстрату и образование его комплекса с ферментом). В молекуле субстрата также есть функционально различные участки — участок,

96

Тема 8. Ферменты

избирательно связываемый ферментом, и участок, атакуемый фер ментом:

Для идентификации аминокислотных остатков, входящих в со став активного центра, используют специфические ингибиторы фер ментов (субстратоподобные вещества или аналоги коферментов), методы ограниченного гидролиза в сочетании с химической моди фикацией (включает избирательное окисление, свядывание, заме щение остатков аминокислот и др.). Установлено, что ферменты, сходные по типу действия, могут иметь почти одинаковую амино кислотную последовательность в участках, примыкающих к функ ционально активным остаткам аминокислот.

Формирование активного центра фермента начинается на ран них этапах его синтеза, когда линейная полипептидная цепь пре вращается в трехмерное тело с определенной конфигурацией. Белок со сформированной третичной структурой приобретает функцио нальную (в частности, каталитическую) информацию. Любые воз действия, приводящие к денатурации фермента (расстройству его третичной структуры), нарушают структуру активного центра и ве дут к потере ферментом каталитических свойств. При восстано влении нативной трехмерной структуры белка фермента (ренату рации) восстанавливается и его каталитическая активность.

Наряду с активным центром в молекуле фермента может при сутствовать аллостерический центр (от гр. allos — «иной» и steros —

97

Тема 8. Ферменты

«пространственный, структурный») — участок молекулы фермен та для связывания определенных, обычно низкомолекулярных веществ — эффекторов, или модификаторов, структура которых отличается от структуры субстратов. Эффектор при соединении с аллостерическим центром фермента изменяет третичную или да же четвертичную структуру фермента и структуру активного центра фермента, что ведет к изменению его каталитической активности. Ферменты, активный центр которых способен изменять свою струк туру и активность под действием аллостерических эффекторов, связывающихся с аллостерическим центром, называются аллосте рическими.

3. Изоферменты и мультимолекулярные ферментные системы. Изоферменты (изоэнзимы) — множественные формы фермента, катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающиеся друг от друга физико химическими свойствами (сродством к субстрату, максимальной скоростью катализируемой реакции, электрофоре тической подвижностью или регуляторными свойствами).

Существуют ферменты, состоящие из двух и более субъеди ниц, обладающих собственной первичной, вторичной и третич ной структурой. Субъединицы таких ферментов называют прото мером, а всю олигомерную молекулу — мультимером. Процесс олигомеризации способствует повышению стабильности фермен та к действию денатурирующих агентов (нагреванию, действию протеиназ и др.). Протомеры соединены между собой некова лентными связями и легко диссоциируют.

Активность всего комплекса зависит от способа упаковки между собой отдельных субъединиц. Если субъединицы могут сущест вовать более чем в одной форме, то и фермент, полученный при объединении этих субъединиц, может существовать в нескольких сходных, но не одинаковых формах. Такие формы фермента на зываются изоферментами, или изоэнзимами.

Фермент лактатдегидрогеназа состоит из 4 субъединиц 2 ти пов: H (от англ. heart — «сердце») и M (от англ. muscle — «мыш ца»). Существует 5 его изоферментов — HHHH (ЛДГ1), HHHM

98

Тема 8. Ферменты

(ЛДГ2), HHMM (ЛДГ3), HMMM (ЛДГ4) и MMMM (ЛДГ5). Синтез H и M субъединиц запрограммирован разными генами и в разных органах идет по разному. Изоферменты ЛДГ обладают почти одина ковой каталитической активностью, но разными физико химиче скими свойствами (молекулярной массой, электрофоретической подвижностью, отношением к активаторам и ингибиторам и др.).

Субъединицы могут иметь почти идентичную структуру и со держать по 1 каталитически активному участку (β галактозидаза, состоящая из 4 субъединиц), а могут быть неидентичными и прояв лять ферментативную активность только в объединенном состоя нии (триптофансинтаза).

Множественные формы фермента — белки, катализирующие одну и ту же реакцию и встречающиеся в организмах одного вида. Изоферменты — множественные формы ферментов, образую щиеся вследствие генетически обусловленных различий в пер вичной структуре белка.

Мультимолекулярные (надмолекулярные) ферментные системы —

комплексы, состоящие из различных по строению ферментов, ка тализирующих последовательные ступени превращения определен ного субстрата. Их особенностями является прочность ассоциации ферментов и определенная последовательность прохождения про межуточных стадий во времени, определяемая порядком располо жения ферментов в пространстве. Молекулярная масса таких комплексов колеблется от 2,3 ° 106 до 10 ° 106. Образование по добных систем резко сокращает расстояния, на которые переме щаются молекулы субстратов. Мультимолекулярные ферментные системы могут быть структурно связанными с какой либо орга неллой (рибосомой, митохондрией) или с биомембраной, такие системы обеспечивают жизненно важные для клетки функции (на пример, тканевое дыхание). К мультиферментным системам отно сятся пируватдегидрогеназный и α кетоглутаратдегидрогеназный комплексы.

4. Механизм действия ферментов, ферментативные реакции. В хи мической реакции, катализируемой ферментом, фермент E со единяется с субстратом S, образуя нестойкий промежуточный

99

Тема 8. Ферменты

фермент субстратный комплекс E S, который в результате хими ческой реакции распадается с образованием фермента и продук тов реакции P:

E + S ES → E + P

Впроцессе реакции выделяют несколько стадий: 1) присоединение молекулы субстрата к ферменту; 2) преобразование промежуточного соединения;

3) отделение конечных продуктов реакции от фермента.

Вреакциях анаболизма (A + B = AB) фермент может взаимо действовать с субстратами по отдельности или вместе:

EA

EB

Реакции катаболизма также протекают с образованием про межуточного фермент субстратного комплекса:

AB + E → ABE

ABE → A + BE

AB + E → A + B + E

BE → B + E

В образовании фермент субстратных комплексов участвуют нековалентные (водородные, координационные связи, гидрофиль но гидрофобные взаимодействия) и ковалентные связи.

Большое значение в теории ферментативного катализа при дается динамическим изменениям третичной структуры фермен та при взаимодействии его с субстратом. Теория индуцированно го соответствия Кошленда в противоположность жесткой модели ключа и замка Фишера допускает высокую конформационную лабильность молекулы фермента и гибкость его активного цент ра. При образовании фермент субстратного комплекса субстрат индуцирует изменение конформации молекулы фермента так, что бы активный центр принял определенную пространственную ориен тацию, необходимую для взаимодействия с субстратом. Только

100