Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Литература / Биологическая Химия Северин 2008

.pdf
Скачиваний:
28343
Добавлен:
17.06.2017
Размер:
6.06 Mб
Скачать

Раздел 1. Белки. Структура и функции

21

Особенности функционирования олигомерных белков. Олигомерные белки способны взаимодействовать с несколькими лигандами в центрах, удаленных от активного центра. Такие центры называются аллостерическими, а лиганды, способные с ними взаимодействовать, аллостерическими лигандами. Связывание одного протомера с лигандом изменяет конформацию этого протомера, а также всего олигомера (кооперативный эффект) и, кроме того, сродство к другим лигандам. Таким образом, функциональная активность олигомерных белков может регулироваться аллостерическими лигандами.

Особенности функционирования олигомерных белков можно рассмотреть на примере двух родственных гемопротеинов: миоглобина и гемоглобина (рис. 1.12). Миоглобин — мономер (состоит из одной полипептидной цепи), основная его функция — запасание кислорода в тканях. Имея высокое сродство к кислороду, миоглобин легко присоединяет его и отдает митохондриям только при интенсивной мышечной работе, когда парциальное давление кислорода падает ниже 10 мм рт.ст. Гемоглобин — тетрамер (состоит из четырех протомеров). Основная функция гемоглобина — транспорт кислорода от легких к тканям. В легких, где парциальное давление кислорода высокое, гемоглобин взаимодействует с четырьмя молекулами кислорода. Транспорт кислорода из капилляров в ткани происходит в результате снижения парциального давления О2 и сродства оксигенированного гемоглобина к кислороду. На рис. 1.13 приведены данные о способности миоглобина и гемоглобина связывать кислород.

Рис. 1.13. Кривая насыщения кислородом

миоглобина и гемоглобина

22

Биологическая химия

Гиперболическая форма кривой у миоглобина характерна для процесса связывания одной молекулы лиганда (в данном случае О2) с активным центром в белковой молекуле, состоящей из одной полипептидной цепи. Сигмоидная кривая, полученная для гемоглобина, характерна для белков, содержащих несколько пептидных цепей и имеющих несколько мест связывания. На ход кривой влияет кооперативный эффект, который наблюдается при связывании нескольких лигандов с олигомерной молекулой. Связывание О2 с атомом Fe2+ вызывает его перемещение в плоскость гема. А это, в свою очередь, вызывает перемещение остатка гистидина, связанного с атомом Fe2+ (рис. 1.14А). Изменение положения гистидина приводит к разрыву некоторых слабых связей в протомере, вследствие чего несколько изменяется конформация этого протомера, а поскольку все протомеры связаны между собой, то также и других протомеров. Изменение конформации облегчает взаимодействие протомеров с О2. В результате присоединение четвертой молекулы О2 происходит в 300 раз легче, чем первой (рис. 1.14Б).

Рис. 1.14. Взаимодействие гемоглобина с кислородом:

А — изменение конформации протомера гемоглобина

при взаимодействии с О2; Б — кооперативный эффект при взаимодействии гемоглобина с О2

Раздел 1. Белки. Структура и функции

23

Таким образом, кооперативный эффект в изменении конформации протомеров олигомерного белка проявляется в результате взаимодействия одного протомера со специфическим лигандом, ведущего к конформационным изменениям не только данного протомера, но и всего олигомерного белка, что приводит к изменению сродства других протомеров к лигандам.

Регуляция функции олигомерных белков на примере изменения сродства гемоглобина к кислороду. Скорость и полнота переноса кислорода из легких в ткани зависит от изменения сродства гемоглобина к кислороду. В легких сродство Hb к кислороду повышается при присоединении каждой из последующих молекул кислорода по сравнению с предыдущими. Эта положительная регуляция описана ранее. Кроме того, существуют вещества: 2,3-бисфосфоглицерат (2,3-БФГ), ионы водорода — Н+ и СО2, снижающие сродство Hb к О2. Это отрицательная регуляция. С другой стороны, О2 снижает сродство Hb к этим веществам. Кислород, 2,3-БФГ, Н+

и СО2 действуют на сродство Hb как

Глюкоза

аллостерические регуляторы.

Влияние 2,3-бисфосфоглицерата.

2,3-БФГ синтезируется в эритроцитах

 

 

 

 

из 1,3-бисфосфоглицерата — метабо-

 

 

 

 

лита, образующегося при окислении

O

OPO3H2

 

 

глюкозы (рис. 1.15). 2,3-БФГ имеет

 

 

большой отрицательный заряд. В цен-

C

 

 

 

HCOH

 

 

тральной части тетрамерной молеку-

O

OH

 

 

лы Hb имеется полость, содержащая

H2C

OPO3H2

 

C

 

 

положительно заряженные группы,

1,3-бисфосфо-

 

HC OPO3H2

расположенные на поверхностях обо-

 

 

глицерат

H2C OPO3H2

их β-протомеров, приближенных друг

 

 

2,3-бисфосфо-

к другу. 2,3-БФГ взаимодействует сво-

 

 

 

 

 

 

ими отрицательно заряженными фос-

 

 

 

глицерат

 

 

 

 

фатными и карбоксильной группами с

3-фосфо-

 

 

положительно заряженными группа-

 

 

глицерат

 

 

ми β-цепей в центральной полости

 

 

 

 

молекулы Hb (рис. 1.16). Результатом

 

 

 

 

этого взаимодействия является обра-

 

 

 

 

зование 5 дополнительных ионных

 

 

 

 

связей, что приводит к изменению

Пируват

 

 

конформации и снижению сродства

 

 

 

 

Hb к О2, вследствие чего кислород по-

 

 

В кровь

 

 

 

 

 

ступает в ткани. В легких взаимодей-

Лактат

 

 

ствие Hb с кислородом приводит к из-

 

 

 

 

Рис. 1.15. Образование

менению конформации белка и вы-

2,3-бисфосфоглицерата

теснению 2,3-БФГ из центральной

 

 

 

 

24

Биологическая химия

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.16. Взаимодействие 2,3-БФГ с дезоксигемоглобином

полости. 2,3-БФГ реагирует только с дезоксигемоглобином, так как в оксигемоглобине полость с центром связывания 2,3-БФГ закрыта.

Влияние Н+ и СО2. СО2 является конечным продуктом катаболизма органических веществ. Окисление органических веществ происходит с использованием кислорода, доставляемого гемоглобином из легких. Образовавшийся СО2 поступает из тканей в кровь, и в эритроцитах происходит реакция образования Н2СО3, катализируемая карбангидразой (рис. 1.17).

Угольная кислота затем диссоциирует на протон и ион бикарбоната. Протоны способны присоединяться к гемоглобину в участках, удаленных от гема.

Клетки

Капилляры

 

Альвеолярный

Капилляры

 

 

 

 

 

 

тканей

тканей

Эритроцит

воздух

легких

Эритроцит

 

 

 

 

 

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

 

 

H2O

 

 

H2O

 

 

H2CO3

 

 

H2CO3

 

Плазма

 

 

Плазма

 

 

крови

HCO3-

 

крови

HCO3-

 

 

 

 

 

 

H+

 

 

H+

 

 

Hb(O2)

 

 

Hb(O2)

 

 

H+ Hb

 

 

 

 

 

 

H+ Hb

O2

O2

O2

O2

O2

O2

Рис. 1.17. Перенос кислорода и СО2 кровью

Раздел 1. Белки. Структура и функции

25

Протонирование гемоглобина изменяет конформацию и снижает его сродство к О2, тем самым способствуя поступлению кислорода в ткани.

После освобождения кислорода в ткани эритроциты с током венозной крови попадают в капилляры легких, где происходят превращения, противоположные тем, которые протекали в тканях (рис. 1.17). В легких дезоксигемоглобин насыщается кислородом, что приводит к уменьшению сродства гемоглобина к протонам. Освобождающиеся Н+ нейтрализуют НСО3- с образованием Н2СО3, которая расщепляется карбангидразой на СО2 и Н2О. Образующийся СО2 удаляется с выдыхаемым воздухом.

Равновесие реакции СО2 + Н2О → Н2СО3 → Н+ + НСО3- смещается влево в капиллярах легких и вправо в капиллярах тканей.

Повышение сродства гемоглобина к кислороду в легких и снижение этого свойства гемоглобина в тканях обусловлены конформационными изменениями в олигомерной молекуле Hb. Эти перестройки являются следствием связывания молекулы Hb с лигандами — О2 или Н+.

Регуляция сродства Hb к кислороду протонами называется эффектом Бора (датский физиолог). Эффект Бора тесно связан с транспортом СО2. Из вышеизложенного можно сделать вывод, что СО2 вытесняет О2 из Hb в тканях и обратное явление наблюдается в легких.

Таким образом, продукты катаболизма органических веществ регулируют количество освобождаемого гемоглобином О2. Чем интенсивнее катаболизм веществ и выше концентрация ионов водорода и СО2, тем больше кислорода освобождается в тканях из оксигемоглобина.

Из рассмотренных примеров следует заключить, что 2,3-БФГ и Н+, взаимодействующие с Hb в иных по сравнению с О2 участках (аллостерических центрах), вызывают значительные изменения в белковой молекуле, которые благодаря кооперативному эффекту влияют на активность центров связывания Hb с О2.

Кооперативные изменения конформации олигомерных белков составляют основу регуляции активности не только Hb, но и многих других белков.

1.6. Ингибиторы функций белков

Лиганд, взаимодействующий с белком и нарушающий его функцию, называют ингибитором. Ингибиторы могут взаимодействовать с белком в активном центре или в другом, удаленном от активного центра участке. С активным центром белка взаимодействуют ингибиторы, по структуре похожие на специфический лиганд. Такие ингибиторы конкурируют с естественным лигандом за активный центр фермента.

Примером структурного аналога естественного лиганда может быть вещество дитилин. Это вещество применяют в медицине как миорелаксант для рас-

26

 

 

 

 

 

 

Биологическая химия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

(H3C)3N CH2 CH2 O C CH2 CH2

C

O

CH2

CH2

N(CH3)3

O

O

 

 

 

 

 

 

 

Дитилин

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CH3

 

C

 

O

 

CH2

 

CH2

 

N(CH3)3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

Ацетилхолин

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.18. Строение ацетилхолина и дитилина

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

слабления мышц при кратковременных операциях и эндоскопических обследованиях.

Механизм действия дитилина заключается в том, что он, будучи структурным аналогом ацетилхолина, взаимодействует с рецепторами этого нейромедиатора, вследствие чего нарушается передача нервного импульса и возникает расслабление мышц.

1.7. Физико-химические свойства белков

Различия физико-химических свойств индивидуальных белков обуславливает следующее:

1. Молекулярная масса, размеры и форма молекул.

Втабл. 1.3 приведены значения молекулярной массы некоторых белков.

Втабл. 1.4 представлены величины, характеризующие размеры и форму некоторых белков. Для сравнения приведены размеры некоторых клеточных органелл.

 

 

 

Таблица 1.3

 

 

Молекулярная масса некоторых белков человека

 

Белок

М

Белок

М

Соматотропин

21 500

Церулоплазмин

150 000

Интерферон

26 000

Фибриноген

340 000

Карбоангидраза эритроцитов

29 000

Апоферритин

450 000

Пепсин

35 000

Иммуноглобулин IgM

950 000

Альбумин сыворотки крови

66 500

 

 

Трансферрин

88 000

 

 

Раздел 1. Белки. Структура и функции

27

Таблица 1.4

Размеры некоторых молекул, клеточных органелл и клеток

Частица

 

Размеры, нм

 

Отношение короткой

 

 

оси к длинной

 

 

 

 

Аланин

0,5

(длина)

-

 

Миоглобин

4,4

× 4,4 × 2,5

1

: 1,7

Гемоглобин

6,8

(поперечник)

-

 

Трансферрин

4 × 5 × 10

1

: 2,5

Фибриноген

3,8

× 3,8 × 7

1

: 18

Миозин

2 × 2 × 150

1

: 75

Тропоколлаген

1,5

× 1,5 × 300

1

: 200

Рибосома (80S)

23 (поперечник)

-

 

Эритроцит

8000 × 8000 × 1500

-

 

Гепатоцит

20 000 (поперечник)

-

 

2.Суммарный заряд. Величина суммарного заряда молекулы белка зависит от соотношения положительно и отрицательно заряженных радикалов аминокислот. Изменение pH среды влияет на соотношение этих групп и, следовательно, на суммарный заряд белка. При подкислении раствора белка степень ионизации анионных групп снижается, а катионных повышается. При подщелачивании происходят противоположные изменения. При определенном значении pH (индивидуальном для каждого белка) число положительно и отрицательно заряженных радикалов становится равным, т.е. суммарный заряд молекулы становится равным нулю. Такое состояние называется изоэлектрическим. Значение pH, при котором достигается изоэлектрическое состояние, называется изоэлек-

трической точкой.

3.Соотношение полярных и неполярных радикалов аминокислот в молекуле. Полярные группы белков, как ионогенные, так и неионогенные, способны взаимодействовать с водой, гидратироваться. Большинство белков имеет гидрофильную поверхность, которая позволяет им находиться в растворимом состоянии в клетке. Но существуют и гидрофобные белки, на поверхности которых находятся преимущественно гидрофобные радикалы. Такие белки характерны для клеточных мембран.

Итак, растворимость белков в водной среде зависит от количества гидрофильных групп, размеров и формы молекулы, величины суммарного заряда.

Визоэлектрическом состоянии белки, как правило, теряют растворимость, так как у них отсутствуют гидратная оболочка и заряд. Молекулы образуют

28

Биологическая химия

агрегаты, которые не могут удерживаться в растворе и выпадают в осадок. Подобный прием используют для разделения белков, имеющих различающуюся изоэлектрическую точку. Растворимость белков зависит также от солевого состава среды, наличия других органических компонентов, температуры.

1.8. Изофункциональные белки

Изофункциональные белки, или изобелки, — это семейство белков, выполняющих в организме одинаковую функцию, но имеющих небольшие отличия в структуре. Эти небольшие структурные особенности могут иметь важное физиологическое значение. Например, в эритроцитах человека обнаружено несколько форм гемоглобина: HbA — преобладающая форма для взрослого человека, HbF — фетальный гемоглобин, характерный для плода, HbA2 — содержащийся в небольшом количестве в крови.

Все формы гемоглобина выполняют одинаковую функцию — присоединяют кислород в легких и транспортируют его к тканям. Все формы гемоглобина — тетрамеры, построенные из разного сочетания протомеров α, β, γ и δ. Так, HbA — это тетрамер 2α,2β; HbF — 2α,2γ; HbA2 — 2α,2δ. Для всех форм гемоглобина характерен протомер α, отличающие их протомеры β, γ и δ имеют сходство по первичной, вторичной и третичной структурам, но небольшие отличия обуславливают различия в функциональных свойствах. Так, HbF слабее связывается с 2,3-БФГ и отличается большим сродством к кислороду, чем HbА, и поэтому возможно снабжение плода кислородом за счет диффузии кислорода из кровеносных сосудов матери.

Раздел 2

Ферменты

Ферменты — это группа белков, обладающих способностью к ускорению химических реакций. Ферменты отличают от других катализаторов три уникальных свойства:

высокая эффективность действия;

специфичность действия;

способность к регуляции.

Название всех ферментов имеет окончание «аза», к которому добавлено название субстрата, подвергающегося действию данного фермента. Например, глутаминаза — фермент, катализирующий гидролиз глутамина. Кроме того, в названии фермента может использоваться название субстрата и действие фермента на него. Например, глутаматдегидрогеназа — фермент, катализирующий дегидрирование глутаминовой кислоты. Некоторые ферменты сохранили тривиальные названия. Например, пепсин, трипсин — протеолитические ферменты, катализирующие гидролиз белков.

Классификация ферментов

В соответствии с типами катализируемых реакций все ферменты разделены на шесть классов (табл. 2.1). Каждый класс разделен на подклассы и подподклассы, которые уточняют специфичность действия данного фермента.

Ферменты и метаболизм. В живой клетке множество разнообразных соединений, но реакции между ними не беспорядочны, а образуют строго определенные метаболические пути, характерные для данной клетки. Индивидуальность клетки в большой степени определяется уникальным набором ферментов, который она генетически запрограммирована производить. Отсутствие даже одного фермента или дефект, изменяющий его каталитические функции, могут иметь очень серьезные отрицательные последствия для организма.

Нарушения структуры фермента, ведущие к снижению его активности, замедляют скорость метаболического пути, в котором участвует этот фермент.

29

30

Биологическая химия

Такие нарушения почти всегда проявляются как болезни (энзимопатии). Повреждения ферментов бывают двух типов: наследственные дефекты строения ферментов и повреждения, вызванные попадающими в организм токсическими веществами или другими внешними воздействиями.

 

 

Таблица 2.1

 

 

 

Классы ферментов

Класс

Тип катализируемой реакции

Оксидоредуктазы

Окислительно-восстановительные реакции

Трансферазы

Перенос отдельных групп атомов от донорной молекулы к

 

акцепторной молекуле

Гидролазы

Гидролитическое (с участием воды) расщепление свя-

 

зей

Лиазы

Расщепление не гидролитическим путем связей С-С, отще-

 

пление малых молекул (Н2О, Н2S) с образованием двойной

 

связи или их присоединение по двойной связи

Изомеразы

Взаимопревращение различных изомеров

Лигазы (синтетазы)

Взаимодействие двух различных соединений с образо-

 

ванием более сложного вещества (используется энергия

 

АТР)

2.1. Кофакторы ферментов

Все ферменты относятся к глобулярным белкам, причем каждый фермент выполняет специфическую функцию, обусловленную присущей ему глобулярной структурой. Однако активность многих ферментов проявляется только в присутствии небелковых соединений, называемых кофакторами. Молекулярный комплекс белковой части — апофермента и кофактора называется холоферментом. Роль кофактора могут выполнять ионы металлов (Zn2+, Mg2+, Mn2+, Fe2+, Cu2+, K+, Na+) или различные по структуре органические соединения. Органические кофакторы обычно называют коферментами (см. табл. 2.2), большинство из них являются производными витаминов. Тип связи между ферментом и коферментом может быть различным. Иногда связь слабая и возникает только во время протекания реакции. В других случаях кофактор и фермент связаны прочно за счет ковалентных связей. В последнем случае небелковую часть фермента называют простетической группой.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в папке Литература