Добавил:
krasanya
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биохимия-экзамен-1-курс-пед
.pdf
Первичная структура белка — это последовательность аминокислот, соединенных
пептидными связями. Порядок аминокислот в полипептидной цепи определяет уникальные
свойства каждого белка, включая его трехмерную структуру и биологическую функцию
Пептидная связь представляет собой амидную связь между карбоксильной группой одной
аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты. Образование пептидной связи приводит к
высвобождению молекулы воды.
Характеристика пептидной связи:
Длина и жесткость: Пептидные связи имеют фиксированную длину и жесткость, что придает
белкам определенную конформацию.
Полярность: Пептидная связь полярна, что позволяет белкам взаимодействовать с водой и
другими полярными молекулами.
Направленность: Пептидная связь имеет направленность, создавая N-концевой и C-концевой
концы полипептидной цепи.
Резонансная стабилизация: Пептидная связь стабилизируется резонансом, что делает ее
относительно устойчивой к гидролизу.
Первичная структура белка определяет его уникальные биологические свойства:
Трехмерная структура: Первичная последовательность направляет трехмерную структуру белка,
которая необходима для его функции.
Свойства поверхности: Расположение полярных и неполярных аминокислот на поверхности
белка влияет на его взаимодействие с другими молекулами.
Связывание с лигандами: Специфические последовательности аминокислот в первичной
структуре могут создавать сайты связывания для лигандов, таких как субстраты, кофакторы
или ионы металлов.
Каталитическая активность: Аминокислоты в активном центре фермента образуют
определенную первичную структуру, которая необходима для катализа.
Стабильность: Первичная структура влияет на стабильность белка, определяя его
устойчивость к денатурации и протеолизу.
Повреждения в первичной структуре белка, вызванные мутациями или химическими
модификациями, могут привести к неправильной укладке, потере функции и, возможно, к
заболеваниям.
10. Конформация пептидных цепей в белках (вторичная, третичная структура). Типы
химических связей, участвующих в формировании вторичной и третичной структур.
Доменная структура и ее роль в функционировании белков.
Вторичная структура белка – это способ укладки полипептидной цепи в более компактную
структуру, при которой происходит взаимодействие пептидных групп с образованием между
ними водородных связей.
Выделяют два возможных варианта вторичной структуры: в виде "каната" – α-спираль (α-
структура, правозакрученная спираль, образуется при помощи водородных связей между
пептидными группами 1-го и 4- го, 4-го и 7-го, 7-го и 10-го и так далее аминокислотных остатков),
и в виде "гармошки" – β-складчатый слой (β-структура, в этом способе укладки белковая
молекула лежит "змейкой", удаленные отрезки цепи оказываются поблизости друг от друга.). В
одном белке, как правило, одновременно присутствуют обе структуры, но в разном долевом
соотношении. В глобулярных белках преобладает α-спираль, в фибриллярных – β-структура.
Вторичная структура образуется только при участии водородных связей между пептидными
группами: атом кислорода одной группы реагирует с атомом водорода второй, одновременно
кислород второй пептидной группы связывается с водородом третьей и т.д.
Третичная структура – это укладка полипептидной цепи в глобулу («клубок»).
Связи, используемые в третичной структуре белка:
водородные – между НО-, СООН-, NH2-группами радикалов аминокислот,
дисульфидные – между остатками цистеина,
гидрофобные – между остатками алифатических и ароматических аминокислот,
ионные – между СОО–-группами глутамата и аспартата и NH3+-группами лизина и
аргинина
Домен белка — элемент третичной структуры белка, представляющий собой достаточно
стабильную и независимую подструктуру белка, чей фолдинг проходит независимо от остальных
частей. В состав домена обычно входит несколько элементов вторичной структуры. Сходные по
структуре домены встречаются не только в родственных белках (например, в гемоглобинах разных
животных), но и в совершенно разных белках. Домены могут выполнять разные функции и
подвергаться складыванию (свертыванию) в независимые компактные глобулярные структурные
единицы, соединенные между собой гибкими участками внутри белковой молекулы.
Достаточно часто доменам присваивают отдельные названия, так как их присутствие
непосредственно влияет на выполняемые белком биологической функции, к примеру, Ca2+-
связывающий домен кальмодулина, гомеодомен, отвечающий за связывание с ДНК в
различных факторах транскрипции. Разные домены в белке могут перемещаться друг
относительно друга при взаимодействии с лигандом, что облегчает дальнейшее
функционирование белка.
11. Четвертичная структура белков. Особенности строения и функционирования
олигомерных белков на примере гемоглобина. Кооперативные изменения конформации
протомеров.
Четверичная структура — способ укладки в пространстве отдельных полипептидных цепей,
обладающих одинаковой (или разной) первичной, вторичной или третичной структурой, и
формирование единого в структурном и функциональном отношениях макромолекулярного
образования.
Каждая отдельно взятая полипептидная цепь, получившая название протомера, мономера или
субъединицы, чаще всего не обладает биологической активностью. Эту способность белок
приобретает при определенном способе пространственного объединения входящих в его состав
протомеров, т.е. возникает новое качество, не свойственное мономерному белку.
Образовавшуюся молекулу принято называть олигомером. Олигомерные белки чаще построены
из четного числа протомеров (от 2 до 4, реже от 6 до 8).
Гемоглобин — это олигомерный белок, состоящий из четырех протомеров: двух α-цепей и двух
β-цепей, т.е. представляет собой тетрамер. Молекула гемоглобина содержит четыре
полипептидные цепи, каждая из которых окружает группу гема – пигмента, придающего крови
ее характерный красный цвет. Протомеры связаны друг с другом нековалентными связями,
включая водородные связи, ионные связи, ван-дер-ваальсовы силы и гидрофобные
взаимодействия.
Четвертичная структура гемоглобина демонстрирует кооперативные изменения
конформации. Когда одна из цепей гемоглобина связывает кислород, она претерпевает
конформационные изменения, которые затем передаются другим цепям. Это приводит к
увеличению сродства других цепей к кислороду, что делает связывание кислорода
кооперативным процессом. Кооперативность обеспечивает более эффективную доставку
кислорода тканям и органам.
12. Активный центр белков и его специфическое взаимодействие с лигандом как основа
биологической функции белков. Конформационная лабильность белков. Денатурация,
признаки и факторы ее вызывающие.
Активный центр белка — это специфическая область на поверхности белка, которая
связывается с лигандом (субстратом, кофактором или ингибитором) и катализирует химическую
реакцию. Активный центр имеет уникальную трехмерную структуру и набор аминокислотных
остатков, которые комплементарны лиганду.
Высокая специфичность связывания белка с лигандом обеспечивается
комплементарностью структуры активного центра белка структуре лиганда.
1. Лиганд должен обладать способностью входить и пространственно совпадать с
конформацией активного центра (совпадение может быть неполным, но благодаря
конформационной лабильности белка активный центр способен к небольшим
изменениям и "подгоняется" под лиганд)
2. Между функциональными группами лиганда и радикалами АК, образующих активного
центра, должны возникать связи, удерживающие лиганд в активном центре:
нековалентные (ионными, водородными, гидрофобными), и ковалентные.
Даже незначительные нарушения общей конформации белка в результате точечных изменений
его первичной структуры или условий окружающей среды могут привести к изменению
химических и функциональных свойств радикалов, формирующих активный центр, нарушать
связывание белка с лигандом и его функцию.
Специфическое взаимодействие активного центра с лигандом лежит в основе
биологической функции белков:
1) Катализ химических реакций: Ферменты связывают субстраты в своих активных
центрах и ускоряют химические реакции, которые необходимы для клеточных процессов.
2) Связывание и транспорт лигандов: Белки-переносчики связывают и транспортируют
лиганды, такие как ионы, молекулы или белки, через клеточные мембраны или внутри клетки.
3) Регуляция клеточных процессов: Регуляторные белки связывают лиганды, которые
влияют на их активность и, следовательно, на активность других белков или клеточных
процессов.
Белки - динамичные молекулы, которые могут существовать в различных конформациях. Эта
конформационная лабильность (за счёт разрыва одних и образования других слабых связей)
имеет решающее значение для их функции, так как позволяет белкам взаимодействовать с
другими молекулами и выполнять свои биологические роли.
Денатурация — это процесс, при котором белок теряет свою нативную конформацию и,
следовательно, свою биологическую активность. Денатурация может быть вызвана
различными факторами, включая:
1) Тепло: Повышение температуры может привести к разрыву водородных связей и
других слабых взаимодействий, стабилизирующих нативную конформацию.
2) pH: Экстремальные значения pH могут привести к протонированию или
депротонированию аминокислотных остатков, что нарушает ионные связи и водородные
связи.
3) Растворители: Органические растворители, такие как этанол и ацетон, могут растворять
гидрофобные участки белка, что приводит к разворачиванию и потере структуры.
4) Детергенты: Детергенты могут разрушать гидрофобные взаимодействия,
стабилизирующие белки.
5) Соли: Высокие концентрации солей могут экранировать (способ ослабления
электромагнитной помехи с помощью экрана, имеющего высокую электрическую и (или)
магнитную проводимость) заряды и нарушать ионные связи в белке.
6) Тяжелые металлы: Ионы тяжелых металлов могут связываться с белками и нарушать их
структуру.
Признаки денатурации белка:
1) Потеря биологической активности: Денатурированные белки обычно теряют свою
ферментативную активность, способность связывания лигандов и другие функции.
2) Изменение растворимости: Денатурированные белки часто становятся менее
растворимыми и могут выпадать в осадок.
3) Изменение спектральных свойств: Денатурация может привести к изменениям в
ультрафиолетовом и флуоресцентном спектрах белка.
4) Изменение вязкости: Денатурированные белки могут иметь более низкую вязкость, чем
нативные белки.
13. Ферменты, определение. Особенности ферментативного катализа. Специфичность
действия ферментов, виды. Классификация и номенклатура ферментов, примеры.
Ферменты — это катализаторы белковой природы, которые ускоряют химические реакции в
живых организмах. Они присутствуют во всех клетках и участвуют практически во всех
биохимических процессах.
Особенности ферментативного катализа:
1) Высокая специфичность: Ферменты катализируют только определенные реакции и
специфичны для конкретных субстратов.
2) Эффективность: Ферменты могут ускорять реакции в миллионы раз по сравнению с
некатализируемыми реакциями.
3) Регуляция: Активность ферментов может регулироваться различными факторами,
такими как концентрация субстрата, pH и ингибиторы.
4) Мягкие условия протекания ферментативных реакций (t = 37º С, нормальное
атмосферное давление, рН близкое к 7,0).
Ферменты демонстрируют три типа специфичности:
• Абсолютная субстратная специфичность – фермент катализирует превращение только
одного субстрата. Например, фермент уреаза катализирует гидролиз только мочевины.
• Групповая субстратная специфичность – фермент катализирует превращение группы
субстратов сходной химической структуры. Например, фермент алкогольдегидрогеназа
катализирует превращение этанола и других алифатических спиртов, но с разной скоростью.
• Стереохимическая субстратная специфичность – фермент катализирует превращение
только одного стереоизомера субстрата. Например, фермент фумаратгидратаза катализирует
присоединение молекулы воды к кратной связи фумаровой кислоты, но не к ее стереоизомеру –
малеиновой кислоте.
Классификация и номенклатура
Основа деления ферментов на классы → тип катализируемой биохимической реакции
(реакционная или каталитическая специфичность ферментов)
I класс – Оксидоредуктазы - катализируют ОВР
1. Дегидрогеназы – катализируют дегидрирование субстрата с использованием в качестве
акцептора водорода любых молекул, кроме кислорода.
(АЛКОГОЛЬДЕГИДРОГЕНАЗА)
2. Если перенос водорода от молекулы донора трудно доказуем, то такие оксидоредуктазы
называют редуктазами. (ГЛУТАТИОНРЕДУКТАЗА)
3. Оксидазы – катализируют окисление субстратов с молекулярным кислородом в качестве
акцептора электронов без включения кислорода в молекулу субстрата.
(ЦИТОХРОМ-С-ОКСИДАЗА)
4. Монооксигеназы – катализируют внедрение одного атома кислорода в молекулу
субстрата с молекулярным кислородом в качестве донора кислорода.
5. Диоксигеназы – катализируют внедрение 2 атомов кислорода в молекулу субстрата с
молекулярным кислородом в качестве донора кислорода. (ЛИПОКСИГЕНАЗА)
6. Пероксидазы – катализируют реакции с пероксидом водорода в качестве акцептора
электронов. (ГЛУТАТИОНПЕРОКСИДАЗА)
II класс – Трансферазы - катализируют реакции переноса различных групп от одного
субстрата (донор) к другому (акцептор), участвуют в реакциях взаимопревращения различных
веществ, обезвреживания природных и чужеродных соединений. (АЦЕТИЛТРАНСФЕРАЗА).
III класс – Гидролазы - кат. разрыв внутримолекулярных связей в субстрате путем
присоединения элементов Н2О
1. Эстеразы – гидролиз сложноэфирных связей.
2. Липазы – гидролиз нейтральных жиров (триацилглицеролов).
3. Фосфатазы – отщепление фосфорной кислоты от веществ.
4. Гликозидазы – гидролизуют О- и S-гликозидные связи.
5. Протеазы и пептидазы – гидролиз белков и пептидов.
6. Нуклеазы – гидролиз нуклеиновых кислот.
IV класс – Лиазы ДЕКАРБОКСИЛАЗА) ферменты, катализирующие разрыв С-О, С-С, C-N
и других связей, а также обратимые реакции отщепления различных групп негидролитическим
путем.
Если рассматривать все подклассы, то в них выделяются:
1. углерод-углерод лиазы;
2. углерод-кислород лиазы;
3. углерод-азот лиазы;
4. углерод-сера лиазы;
5. углерод-галоген лиазы;
6. фосфор-кислород лиазы;
7. углерод-фосфор лиазы.
V класс – Изомеразы (ЦИС-ТРАНС-ИЗОМЕРАЗЫ) ферменты, катализирующие
изомерные превращения в пределах одной молекулы.
1. рацемазы и эпимеразы;
2. цис-транс изомеразы;
3. внутримолекулярные оксидоредуктазы; 4. внутримолекулярные трансферазы – мутазы;
5. внутримолекулярные лиазы.
VI класс – Лигазы (КАРБОКСИЛАЗЫ)– ферменты, катализирующие присоединение друг к
другу двух молекул с использованием энергии высокоэнергетических связей АТФ (или других
макроэргов).
Если рассматривать класс в целом, то выделяют 6 подклассов ферментов, формирующих связи:
1. углерод-кислород;
2. углерод-сера;
3. углерод-азот;
4. углерод-углерод; 5. фосфор-кислород;
6. азот-металл.
14. Строение ферментов. Каталитический и регуляторный центры. Взаимодействие
ферментов с лигандами. Механизм действия ферментов. Формирование
ферментсубстратного комплекса. Гипотеза «ключзамок» и гипотеза индуцированного
соответствия.
Ферменты — это глобулярные белки, состоящие из одной или нескольких полипептидных
цепей и участвующих в регуляции активности реакций. Состоят из:
– Активный центр – комбинация аминокислотных остатков, обеспечивающая
непосредственное связывание с молекулой субстрата и осуществляющая катализ. В активном
центре выделяют два участка:
● якорный – отвечает за связывание и ориентацию субстрата в активном центре,
● каталитический – непосредственно отвечает за осуществление реакции
– Аллостерический центр – центр регуляции
активности фермента, который пространственно
отделен от активного центра. Связывание с
аллостерическим центром какой-либо молекулы,
называемой активатором или ингибитором,
вызывает изменение конфигурации белка-фермента
и, как следствие, скорости ферментативной
реакции.
– Каталитический центр: Часть фермента,
которая связывает субстрат и катализирует
химическую реакцию. Он содержит
аминокислотные остатки, которые участвуют в
связывании и катализе.
– Регуляторный центр: Часть фермента, которая
связывает аллостерические эффекторы .
Связывание эффекторов может влиять на
конформацию каталитического центра и, следовательно, на активность фермента.
Ферменты взаимодействуют с различными лигандами, включая субстраты, продукты,
кофакторы и ингибиторы. Связывание лигандов происходит в специфических участках
фермента, известных как сайты связывания.
Ферменты катализируют реакции, снижая энергию активации реакции.
Механизмы катализа
1. Кислотно-основной катализ – в активном центре фермента находятся группы специфичных
аминокислотных остатков, которые являются хорошими донорами или акцепторами протонов.
Такие группы представляют собой мощные катализаторы многих органических реакций.
2. Ковалентный катализ – ферменты реагируют со своими субстратами, образуя при помощи
ковалентных связей очень нестабильные фермент-субстратные комплексы, из которых в ходе
внутримолекулярных перестроек образуются продукты реакции.
Этапы ферментативного катализа:
1. Присоединение субстрата (S) к ферменту (E) с образованием фермент-
субстратного комплекса (E-S).
2. Преобразование фермент-субстратного комплекса в один или несколько
переходных комплексов (E-X) за одну или несколько стадий.
3. Превращение переходного комплекса в комплекс фермент-продукт (E-P).
4. Отделение конечных продуктов от фермента.
Две гипотезы описывают взаимодействие фермента с субстратом:
1) Гипотеза «ключ-замок»: активный центр фермента строго соответствует
конфигурации субстрата и не изменяется при его присоединении
2) Гипотеза индуцированного соответствия: Присоединение субстрата к якорному участку
фермента вызывает изменение конфигурации каталитического центра таким образом, чтобы его
форма соответствовала форме субстрата.
15. Кинетика ферментативных реакций. Зависимость скорости ферментативных
реакций от температуры, рН среды, концентрации фермента и субстрата
Кинетика ферментативных реакций изучает скорость ферментативных реакций и
факторы, влияющие на нее. Скорость ферментативной реакции можно выразить уравнением
Михаэлиса-Ментена:
V - скорость реакции
Vmax - максимальная скорость реакции
[S] - концентрация субстрата
Km - константа Михаэлиса-Ментена (соответствует концентрации субстрата при которой
скорость реакции равна половине максимальной. Ее биологический смысл заключается в
характеристике сродства фермента к субстрату, а именно: увеличение величины Кm
означает снижение сродства фермента к субстрату)
Факторы, влияющие на скорость ферментативных реакций:
1. Температура: Повышение температуры увеличивает кинетическую энергию молекул,
что приводит к более частым столкновениям между ферментом и субстратом. Однако при
слишком высокой температуре фермент может денатурировать, что снизит его активность.
2. pH среды: Каждый фермент имеет оптимальный диапазон pH, при котором он проявляет
максимальную активность. Отклонение от оптимального pH может привести к изменению
зарядов аминокислотных остатков в каталитическом центре, что влияет на связывание субстрата
и катализ.
3. Концентрация фермента: Скорость реакции прямо пропорциональна концентрации
фермента. При увеличении концентрации фермента больше молекул субстрата могут
связываться и превращаться в продукт за единицу времени.
4. Концентрация субстрата: Скорость реакции увеличивается с увеличением
концентрации субстрата до тех пор, пока не будет достигнута насыщающая концентрация. При
насыщающей концентрации все молекулы фермента связаны с субстратом, и дальнейшее
увеличение концентрации субстрата не влияет на скорость реакции.