Основы физической, коллоидной и биологической химии. Курс лекций

Рис. 4. Схема строения ДНК

Закономерности в строении ДНК (правила Чаргаффа):

1.Молярное содержание аденина (А) равно содержанию тимина (Т): А = Т.

2.Молярное содержание гуанина (Г) равно содержанию цитозина (Ц): Г = Ц.

3.Сумма пуриновых оснований равна сумме пиримидиновых: А + Г = Т + Ц.

Молекула ДНК – это двойная спираль из двух полинуклеотидных цепей (Уотсон, Крик, 1953). В параллельных цепочках аденин соединяется двумя водородными связями с тимином, а гуанин – тремя водородными связями с цитозином (образуя комплиментарные пары). ДНК в основном находится в ядрах клеток. Функция – хранение и передача наследственной информации.

Ген – участок молекулы ДНК. Гены, кодирующие полипептиды и РНК, называются структурными. Эукариотические хромосомы состоят из хроматических волокон. Хроматины – это волокна, со-

31

держащие 60 % белков, 35 % ДНК и 5 % РНК. Белки, в основном, гистоны. 8 гистонов образуют остов, вокруг которого закручивается ДНК и называется нуклеосома.

Азотистые основания, входящие в состав РНК и ДНК а) Пуриновые

Вопросы для самоконтроля

1.Дайте понятия «белки» и «аминокислоты». Каково их строение, классификация и физико-химические свойства?

2.Охарактеризуйтенуклеиновыекислоты, нуклеотидыинуклеозиды.

3.Каковы строение и биохимические функции РНК и ДНК?

4.ФЕРМЕНТЫ, ИХ СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ

Ферменты (энзимы) – это специфические белки, образующиеся во всех клетках и выполняющие роль биологических катализаторов.

32

4.1.МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ

ИОБНАРУЖЕНИЯ ФЕРМЕНТОВ

Вначале ткани измельчают в ступке или гомогенизатором. Затем ферменты выделяют растворителями:

а) холодной водой; б) физиологическим р-ром, буферными р-рами;

в) р-рами глицерина, спирта, ацетона. Очистку ферментов производят:

1)диализом;

2)электрофорезом;

3)избирательной адсорбцией;

4)«высаливанием».

Ферменты обнаруживают по их каталитической активности:

–по исчезновению субстрата (например, амилаза);

–по появлению продуктов реакции (например, липаза).

4.2. ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ

Ферменты являются белками со всеми их свойствами. Они делятся: на однокомпонентные – это простые белки (амилаза) и двухкомпонентные – сложные белки (лактатдегидрогеназа). Двухкомпонентный фермент (холофермент) состоит из апофермента и кофермента, где апофермент – термолабильная белковая часть фермента, а кофермент – низкомолекулярная термостабильная небелковая часть фермента, которая легко от него отделяется при нагревании или диализе. Например: НАД, ФАД. Если кофермент состоит только из металла или –SН-группы, он назы-

вается кофактором.

Активным центром фермента называют группу атомов в его молекуле, которая вступает во временное соединение с субстратом и при разрушении которой фермент теряет свою активность. Например: SН-группы, Fе, коферменты НАД, ФАД и др. Большинство ферментов имеют один активный центр, но есть и два, три и более.

Часть молекулы фермента, связывающая низкомолекулярные субстраты, которые изменяют ее третичную структуру и

33

ингибируют активность фермента, называются аллостери-

ческим центром.

Профермент (зимоген) – неактивная форма фермента, превращающаясявактивнуюподдействиемактиваторов. Например: пепсиноген под влиянием НCl превращается в пепсин.

Мультиферментные системы – одновременно несколько ферментов катализируют цепь реакций (например, дыхательная цепь).

Изоферменты – это группа ферментов, которые катализируют одну реакцию, но отличаются по физико-химическим свойствам. Например: лактатдегидрогеназа (ЛДГ) встречается в пяти формах:

ЛДГ1, 2, 3, 4, 5.

4.3.СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ КОФЕРМЕНТОВ

Вбольшинстве – это фосфорные эфиры водорастворимых витаминов (группа В).

По выполняемым функциям они делятся на следующие виды:

I. Переносчики Н2 – в ферментах дегидрогеназах:

1) никотинамидадениндинуклеотид (НАД)

схема : аденин – рибоза – Фн

|

О

|

никотинамид (вит. РР) – рибоза – Фн

2) никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ)

никотинамид (вит. РР) – рибоза – Фн

34

3) флавинадениндинуклеотид (ФАД)

схема: аденин – рибоза – Фн

|

О

|

изоаллоксазин – рибитол – Фн

рибофлавин (В2)

II. Переносчики групп атомов (–NН2, –СН3, Фн):

1)фосфопиридоксаль (ФП) – входит в ферменты аминотрансферазы и переносит NН2 группу;

схема: витамин В6 – ф. к.

2)АТФ, ГТФ, ЦТФ – входят в состав фосфотрансфераз и переносят остатки фосфорной кислоты и др.

III. Коферменты синтеза и расщепления С–С связи и процессов изомеризации:

1)тиаминпирофосфат (ТПФ) – входит в состав декарбоксилаз

(–СО2), а соединяясь с липоевой кислотой, образует липотиаминпирофосфат (ЛТПФ), который входит в состав ферментов, осуществляющих окислительное декарбоксилирование α-кетокислот (пировиноградной, α-кетоглутаровой);

схема: витамин В1 – ФФн;

2)биотин (витамин Н) – входит в состав карбоксилазы (+СО2);

3)коэнзим ацетилирования (коэнзим А, КоА-SН) – содер-

жит 3-фосфоаденозиндифосфорную кислоту, пантотеновую

кислоту (вит. В3), тиоэтаноламин (рис. 5). Активирует жирные кислоты, входит в состав ацилтрансфераз (переносят остатки уксусной и других кислот).

IV. Железопорфириновые комплексы – содержат гем и вхо-

дят в состав ферментов геминовой природы (например, цитохромы а, в, с, цитохромоксидаза (аа3), пероксидаза, каталаза).

Коферментамиявляютсянуклеозидфосфаты: АМФ, АДФ, АТФ, ГМФ, ГДФ, ГТФ, ЦТФ, УМФ, УДФ и др.

35

Рис. 5. Схема строения коэнзима А (КоА-SH)

4.4. КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ

Химические реакции в тканях протекают при участии ферментов в качестве биологических катализаторов. Катализаторами называются в-ва, способные ускорять химические реакции. Ферменты ускоряют реакции, которые протекают в соответствии с законом действия масс, причем они изменяют скорость реакции в двух направлениях – синтеза или распада.

Скорость химической реакции можно повысить при увеличении числа активированных молекул и при уменьшении высоты энергетического барьера.

Энергией активации(Гиббса) называютколичествоэнергиив Дж, которое необходимо для перевода молекул 1 моля вещества в химическиактивноесостояние. Ферментыснижаютэнергиюактивации больше, чем неорганические катализаторы. Например, снижение энергии активации на 6000 ккал, увеличивает скорость реакции с пепсином в 30000 раз.

Общепринятой теорией, объясняющей это явление, считается

теория промежуточных соединений (теория Михаэлиса – Мен-

тена). На первом этапе субстрат (S) связывается с ферментом (Е)

с образованием фермент-субстратного комплекса (ЕS). При этом происходит структурная перестройка белка-фермента путём перераспределения электронной плотности в его активном центре. Затем происходит сближение каталитически активных групп фермента с группами субстрата и структурная перестройка субстрата за счет перераспределения в нем электронной плотности. Идет преобразование комплекса ЕS1 в активированный нестабильный комплекс ЕS2, который распадается с образованием продуктов реакции (Р), и освобождается фермент (Е).

Схема процесса:

Е +S ЕS1 ЕS2 Е + Р

Активность фермента определятся по увеличению скорости катализируемой реакции.

Замеждународнуюединицуактивностифермента(Е) принимается такое количество фермента, которое катализирует превращение 1 микромоля субстрата (1 мкмоль = 10–6 моля) за 1 минуту при 25 °С в оптимальных условиях действия фермента.

37

Предложено новое определение международной единицы активности фермента катал (кат) – это количество фермента, которое превращает (синтез или распад) 1 моль субстрата за 1 с.

1 Е фермента соответствует 16,67 нкат.

Удельная активность – это число единиц ферментативной активности в расчете на 1 мг белка. Числом оборотов фермента называется число молекул субстрата, подвергшихся преобразованию за 1 с в расчете на 1 молекулу фермента.

4.5.ОСНОВНЫЕ (ОБЩИЕ) СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ

1.Термолабильность – зависимость активности ферментов от температуры. Оптимальная – 37–42 °С. При повышении температуры активность фермента вначале повышается, затем снижается, и выше 70 °С идет его тепловая денатурация (разрушение). При снижении температуры активность фермента уменьшается и ниже 60 °С обратимо прекращается. С повышением температуры активность фермента восстанавливается.

2.Специфичность субстратная – это избирательное дей-

ствие фермента на определенный субстрат. Она делится на: а) групповую – фермент катализирует реакции с группой субстратов (например, липаза); б) индивидуальную – фермент катализирует реакцию с одним субстратом (например,

амилаза, уреаза); в) структурную (стереохимическую) –

ферменткатализируетреакциюсоднимстереоизомером(например, оксидаза – L-аминокислот).

3.Влияние рН – максимальная активность фермента проявляется при определенном значении рН (например: пепсин при рН 1–2; трипсин при рН 8–9, амилаза при рН 6–7).

4.Активаторыиингибиторыферментов. Активаторы– этов-ва, повышающиеактивностьферментовилипревращающиепроферментвфермент. Например, NaCl дляамилазы. Ингибиторы – в-ва, снижающие активность или прекращающие активность ферментов (парализаторы). К парализаторам относятся соли тяжелых металлов, сильные кислоты и щелочи.

Существует три вида ингибирования (торможения). Конкурентное ингибирование – это явление, когда ингибитор, взаимодействуя с активным центром фермента, препятствует образо-

38

ванию фермент-субстратного комплекса. Например, малоновая кислота тормозит окисление янтарной кислоты. Неконкурентное ингибирование – ингибитор взаимодействует уже с ферментсубстратным комплексом, тормозя окончание реакции. Например, гепарин снижает активность тромбина, препятствуя свертыванию крови. Аллостерическое ингибирование (торможение) – инги-

биторприсоединяетсянекактивномуцентруфермента, авдругом месте (аllos – другой), изменяя его третичную структуру. Например, так действуют гормоны.

4.6. МЕЖДУНАРОДНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ

Все ферменты делятся на классы, подклассы, подподклассы, а затем идёт порядковый номер его в подподклассе.

Классы ферментов: 1. Оксидоредуктазы. 2. Трансферазы.

3.Гидролазы. 4. Лиазы. 5. Изомеразы. 6. Лигазы (синтетазы). Шифр фермента – это четырехзначный код, в котором пер-

вая цифра – класс, вторая – подкласс, третья – подподкласс, четвертая – порядковый номер фермента в подподклассе. Например: КФ 1.1.1.1. – алкогольдегидрогеназа; КФ 3.1.1.3. – липаза.

Номенклатура– эторазличныеназванияферментов. Онапредставлена следующими видами:

1)рациональная (рабочая) – к латинскому корню названия субстрата добавляется окончание -аза (например, липаза).

2)систематическая – включает три части: а) рациональное название главного субстрата; б) кофермент; в) характер катализируемой реакции. Например, лактат: НАД-

оксидоредуктаза.

Характеристика отдельных классов ферментов.

1.Класс оксидоредуктазы – катализируют окислительновосстановительные реакции (ОВР):

а) анаэробные дегидрогеназы – переносят Н2 от субстрата на другое соединение (не на О2). Например, лактатдегидрогеназа;

б) аэробные дегидрогеназы – переносят Н2 от субстрата сразу на О2. Например, оксидаза-L-аминокислот;

в) ферменты, содержащие гем (геминовой природы), – уча-

ствуют в переносе электронов. Это цитохромы а, в, с, цитохромоксидаза, каталаза, пероксидаза и др.

39

2.Класс трансферазы – катализируют реакции межмолеку-

лярного переноса групп (–NH2, Фн, –СН3 и др.). Это аминотрансферазы, фосфотрансферазы, метилтрансферазы, амидотрансферазы, глюкозилтрансферазы, ацилтрансферазы.

Схема реакции переаминирования:

Реакция, катализируемая аминотрансферазами

3.Класс гидролазы – катализируют разрыв внутримолекуляр-

ных связей с присоединением Н2О. К ним относятся: эстеразы – разрывают эфирные связи (например, липаза); гликозидазы – гидролизуют гликозидные связи углеводов (например, амилаза); пептидазы – катализируют гидролиз пептидных связей в белках (например, пепсин).

40