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

Литература / Биологическая Химия Северин 2008

.pdf
Скачиваний:
28344
Добавлен:
17.06.2017
Размер:
6.06 Mб
Скачать

Раздел 1.2 БФелкирменты.Структура и функции

31

Таблица 2.2

Некоторые коферменты и их функции

Кофермент-

 

Функция

 

Витамин

предшественник

 

 

 

 

 

 

 

NAD+, NADP+

Перенос

водорода

(элек-

Никотиновая кислота —

 

тронов)

в

окислительно-

витамин РР

 

восстановительных реакциях

 

FAD

Перенос

водорода

(элек-

Рибофлавин — витамин В2

 

тронов)

в

окислительно-

 

 

восстановительных реакциях

 

Кофермент А

Активация и перенос ациль-

Пантотеновая кислота

 

ных групп в реакциях, ка-

 

 

тализируемых

лигазами и

 

 

трансферазами

 

 

Биотин

Связывание СО2, активация и

Биотин — витамин Н

 

включение в молекулы (класс

 

 

лигазы)

 

 

 

 

Пиридоксальфосфат

Перенос аминогрупп и де-

Пиридоксин — витамин В6

 

карбоксилирование

амино-

 

 

кислот (класс

трансферазы,

 

 

лиазы)

 

 

 

 

Тетрагидрофолиевая ки-

Перенос

одноуглеродных

Фолиевая кислота

слота

фрагментов (класс трансфе-

 

 

разы)

 

 

 

 

Кофакторы в ходе реакций выполняют следующие функции:

участвуют в формировании третичной структуры белка и обеспечении комплементарности между ферментом и субстратом;

могут непосредственно вовлекаться в реакции в качестве еще одного субстрата. В этой роли обычно выступают органические коферменты. Их участие в реакции иногда сводится к тому, что они выступают как доноры

или акцепторы определенных химических групп.

Дефицит любого витамина ведет к нарушению синтеза определенных коферментов и может проявляться различными заболеваниями, некоторые из них указаны в табл. 2.3.

32

Биологическая химия

Таблица 2.3

Структура некоторых витаминов, их пищевые источники и заболевания,

возникающие при дефиците

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пищевые

Витамин

 

 

 

 

Структура

Заболевания

источники.

 

 

 

 

Суточная

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

потребность

Тиамин

 

 

NH2

 

 

 

 

Полиневриты,

бери-

Зерна, орехи,

(витамин B1)

 

N

 

 

CH2

N

C

CH3

бери, нарушение сер-

овощи, пшени-

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

H3C

 

N

 

 

HC

C

CH2 CH2 OH

дечной деятельности,

ца, мясо пост-

 

 

 

 

 

 

S

 

функций ЖКТ

 

ное

 

пиримидиновое

тиазоловое кольцо

 

 

 

2–3 мг

 

 

кольцо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рибофлавин

 

 

 

 

 

O

 

 

 

Дерматиты,

конъ-

Мясо, орехи,

H3C

 

 

 

N

 

 

 

 

(витамин B2)

8

9

 

1

2

 

 

юнктивиты,

ката-

овощи

 

 

10

 

Изоаллоксазин

 

 

7

6

 

5

4

3NH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H3C

 

 

 

N

N

O

 

ракта,

мышечная

1,8–2,6 мг

 

 

 

 

 

CH2

CH

CH

CH

CH2 OH

слабость

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OH

OH

OH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рибитол

 

 

 

 

 

Ниацин,

 

 

 

 

 

 

 

 

O

Пеллагра,

основные

Мясо, орехи,

 

 

 

 

COOH

 

 

C

никотиновая

 

 

 

 

 

 

признаки:

дермати-

овощи

 

 

 

 

 

 

 

 

NH2

кислота

 

N

 

 

 

 

 

N

 

ты, диарея, деменция

15-25 мг

(витамин B3,

 

 

 

 

 

 

 

(нарушение

функ-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

витамин РР)

Никотиновая

 

Никотинамид

ций ЦНС)

 

 

кислота

 

 

 

 

 

 

 

Пантотеновая

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дерматиты, неври-

Дрожжи,

кислота

 

 

 

 

CH3

OH

 

 

ты, параличи, дист-

зерно, желток

(витамин B )

HO CH2

C

C

C

NH

CH2 CH2 COOH

рофические измене-

яиц, печень

5

 

 

 

 

CH3

H

O

 

 

ния: сердца,

почек,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2,4-Дигидрокси-3,3-диметил- β-Аланин

желез внутренней

10–12 мг

 

 

масляная кислота

 

 

секреции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пиридоксин,

 

 

CH2OH

 

 

 

CH2NH2

Неврологические

Дрожжи,

пиридоксаль,

HO

 

 

 

CH2OH

 

HO

CH2OH

заболевания

 

печень,

пиридоксамин

H3C

 

N

 

 

 

 

H3C

N

 

 

 

пшеница,

(витамин B6)

 

 

 

 

 

 

 

 

орехи, бананы

Пиридоксол

 

 

Пиридоксамин

 

 

 

 

(пиридоксин)

 

 

 

 

 

 

 

2–3 мг

Биотин

 

 

O

 

 

 

 

 

 

Специфические

Зерно, желток

(витамин Н)

 

 

C

 

 

 

 

 

 

дерматиты, себорея,

яиц, печень,

 

HN

 

NH

 

 

 

 

выпадение волос,

почки, томаты

 

 

 

 

 

 

 

 

HC

 

 

CH

 

 

 

 

поражение ногтей,

0,01–0,02 мг

 

H2C

S

 

CH

(CH2)4 COOH

боли в мышцах,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

депрессия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фолат

 

OH

 

 

 

 

 

 

 

Нарушение кровет-

Дрожжи,

N3

 

N

 

CH2

NH

 

CO NH CH (CH2)2 COOH

(витамин В9)

4

5 6

 

ворения, макроци-

печень, листья

2

1

8

7

 

 

 

 

COOH

 

H2N

N

N

 

 

 

 

 

 

тарная анемия

растений

 

 

 

 

 

 

 

параамино-

глутаминовая

 

 

птеридин

 

 

 

бензойная

 

 

 

 

0,05–0,04 мг

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кислота

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кислота

 

 

 

 

 

Раздел 1.2 БФелкирменты.Структура и функции

33

2.2. Механизмы действия ферментов

Первоначальным событием при действии фермента является его специфическое связывание с лигандом — субстратом (S). Это происходит в области активного центра, который формируется за счет специфического сближения радикалов аминокислот, определенным образом ориентированных в пространстве (рис. 2.1).

 

CH2OH

Б

 

 

 

 

А

 

O

Asp-205

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

 

 

 

O

 

HN Gly-229

 

 

 

 

 

 

 

 

HO

OH

H OH

O

 

 

O

 

 

 

 

 

OH

 

 

 

 

 

 

 

 

H

OH

 

 

 

 

глюкоза

 

 

 

O

 

 

 

ATP

 

HO

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

HO

глюкоза

 

Глюкокиназа

 

Asn-204

 

 

OH

 

 

 

ADP

NH2

 

 

OH

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

CH2O P

O

 

 

 

 

 

 

O

 

O

O

 

 

 

NH2

 

H

 

 

 

O

Glu-290

 

 

 

 

 

 

 

OH

H OH

O

 

 

 

 

HO

Asn-231

 

Glu-256

 

 

 

 

 

 

HOH

глюкозо-6-фосфат

Рис. 2.1. Взаимодействие глюкозы с активным центром глюкокиназы:

А — реакция, катализируемая глюкокиназой; Б — образование ферментсубстратного комплекса

У сложных белков в активном центре расположен кофактор. Одни R-группы активного центра принимают участие в связывании субстрата, другие — в катализе. Некоторые группы могут выполнять обе функции.

Связывание субстрата с ферментом вызывает конформационные изменения в ферменте и субстрате, необходимые для протекания катализа, и тем самым увеличивает специфичность фермент-субстратного взаимодействия (индуцированное соответствие).

В общем виде ход ферментативной реакции можно представить следующим образом:

E + S ←→ ES ←→ EP → E + P ,

где E — фермент; S — субстрат; P — продукт реакции.

34

Биологическая химия

Ферментативная реакция представляет собой многостадийный процесс, на первомэтапекоторогоустанавливаетсяиндуцированноекомплементарноесоответствие между ферментом и субстратом с образованием фермент-субстратного комплекса (ES). Затем в области активного центра происходит химическое превращение субстрата и образование продуктов реакции (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Механизм действия фермента:

А — установление индуцированного соответствия конформации активного центра фермента и субстрата; Б — образование фермент-субстратного комплекса;

В — образование продуктов реакции; Г — освобождение продуктов реакции и переход фермента в исходное состояние

Детальный механизм действия каждого фермента уникален, но есть общие черты в «работе» ферментов, которые заключаются в следующем:

высокая избирательность действия фермента обеспечивается тем, что субстрат связывается в активном центре фермента в нескольких точках и это исключает ошибки;

активный центр располагается в углублении (нише) поверхности фермента и имеет конфигурацию, комплементарную субстрату. В результате субстрат оказывается окруженным функциональными группами активного центра фермента и удаленным от водной среды;

связывание субстрата со многими точками фермента способствует конформационным изменениям молекулы, «растягиванию» преобразуемой связи в субстрате и облегчает образование продуктов реакции;

образующиеся продукты реакции теряют комплементарное соответствие ферменту, что обеспечивает их диссоциацию из области активного центра.

Максимальная активность фермента наблюдается при оптимальных условиях протекания реакции и обусловлена оптимальной конформацией молекулы фермента в целом и активного центра в частности, поэтому даже небольшие изменения условий, которые влияют на связывание субстрата или конформацию третичной структуры белка, будут изменять скорость ферментативной реакции. Например, изменение рН приводит к изменению степени

Раздел 1.2 БФелкирменты.Структура и функции

35

ионизации ионогенных групп фермента и, следовательно, ведет к перераспределению межрадикальных связей. Это изменяет конформацию фермента и нарушает комплементарное соответствие активного центра и субстрата, что ведет к снижению скорости реакции (рис. 2.3г). Изменение температуры вызывает двоякий эффект: с одной стороны, при повышении температуры до 37–40о скорость ферментативной реакции увеличивается в связи с повышением кинетической энергии реагирующих молекул; с другой стороны, при температуре выше 40о начинается денатурация фермента (рис. 2.3в) и скорость реакции снижается.

Специфичность действия ферментов. Отличительной чертой ферментов от небелковых катализаторов является специфичность их действия. Фермент из множества веществ, имеющихся в клетке, выбирает и присоединяет только свой субстрат, так как только этот субстрат по структуре комплементарен строению активного центра фермента. В этом случае специфичность фермента называют субстратной. Различают абсолютную и групповую субстратную специфичность ферментов. Фермент с абсолютной специфичностью катализирует превращение только одного субстрата. Фермент с групповой специфичностью взаимодействует с похожими по строению веществами, катализируя однотипные превращения, проявляет более широкую субстратную специфичность. Например, фермент липаза в жирах расщепляет связи между глицеролом и различными жирными кислотами.

Кроме того, один и тот же субстрат может подвергаться различного типа превращениям с образованием разных продуктов. В этом случае каждый путь превращения субстрата катализирует отдельный фермент. Такого типа специфичность называется специфичностью путей превращения. Например, гистидин может быть субстратом двух ферментов (эти ферменты имеют одинаковую субстратную специфичность), но один фермент — гистидаза — катализирует отщепление от гистидина аминогруппы, а другой — гистидиндекарбоксилаза — отщепление группы СО2. Таким образом, гистидин включается в два разных пути превращений.

2.3. Кинетика ферментативных реакций

Кинетика ферментативных реакций — это раздел энзимологии, изучающий зависимость скоростей реакций, катализируемых ферментами, от различных факторов.

Скорость ферментативных реакций (V) измеряют по убыли субстрата (S) или приросту продукта (P) за единицу времени. Изменение скорости ферментативной реакции находится в прямой пропорциональной зависимости от изменения концентрации фермента при насыщающей концентрации субстрата (рис. 2.3а).

36

Биологическая химия

Если концентрация фермента постоянна, то зависимость скорости реакции от концентрации субстрата на графике имеет вид гиперболы (рис. 2.3б) и напоминает кривую насыщения белка лигандом. При определенной концентрации субстрата (разной для различных ферментов), когда все молекулы фермента включены в фермент-субстратный комплекс, скорость реакции становится максимальной — Vмакс. Vмакс. достигается при полном насыщении активных центров фермента молекулами субстрата.

Концентрацию субстрата, при которой достигается скорость реакции, равная половине Vмакс., называют константой Михаэлиса — Км

Км и Vмакс. — важные характеристики фермента.

Vмакс. постоянная для каждого фермента и характеризует эффективность его действия.

Км различается для разных ферментов и характеризует сродство фермента по

отношению к субстрату.

При оценке сродства фермента к субстрату следует помнить, что чем ниже Км, тем быстрее и предпочтительнее субстрат связывается с ферментом, т.е. тем выше его сродство к данному субстрату.

Рис. 2.3. Зависимость скорости реакции от концентрации фермента (а), концентрации субстрата (б),

от температуры (в), pH (г)

Раздел 1.2 БФелкирменты.Структура и функции

37

Единица активности ферментов. Скорость ферментативных реакций используют как меру каталитической активности фермента.

За единицу активности фермента принимают такое его количество, которое катализирует превращение 1 мк моль субстрата за 1 мин при оптимальных условиях.

количество мк моль превращенного субстрата

(или образовавшегося продукта)

Е (стандартная единица активности) = __________________________________________

время инкубации, мин

Удельная активность фермента равна числу единиц активности фермента, содержащихся в 1 мг ферментного препарата.

2.4. Ингибиторы ферментов

Действие ферментов можно полностью или частично подавить (ингибировать) определенными химическими веществами (ингибиторами). По характеру действия ингибиторы могут быть обратимыми и необратимыми. В основе этого деления лежит прочность соединения ингибитора с ферментом. Другой способ деления ингибиторов основывается на характере места их связывания. Одни из них связываются с ферментом в активном центре, а другие — в удаленном от активного центра месте.

Необратимые ингибиторы могут прочно связываться и блокировать функциональные группы активного центра фермента, необходимые для проявления его активности. При этом они необратимо, часто ковалентно, присоединяются к ферменту и необратимо изменяют нативную конформацию. Ингибиторы такого рода называются специфическими и могут быть полезны при изучении строения активного центра и природы ферментативного катализа. Например, диизопропилфторфосфат ингибирует ферменты, имеющие серин в активном центре (рис. 2.4). Таким ферментом является ацетилхолинэстераза, катализирующая следующую реакцию: ацетилхолин → холин + уксусная кислота.

Эта реакция происходит каждый раз после проведения нервного импульса, прежде чем следующий импульс будет передан через синапс.

Диизопропилфторфосфат — одно из отравляющих веществ нервно-парали- тического действия, так как приводит к утрате способности нейронов проводить нервные импульсы.

Терапевтическое действие аспирина как жаропонижающего и противовоспалительного средства объясняется тем, что аспирин ингибирует один из ферментов, катализирующий синтез простагландинов (ПГ). Простагландины — вещества, участвующие в развитии воспаления. Ингибирование обусловлено ковалентной модификацией ОН-группы, входящей в активный центр фермента – простагландинсинтетазы (рис. 2.5).

38

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Биологическая химия

А. Реакция с ацетилхолином

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ацетилхолин

 

 

Холин

 

 

 

 

 

 

 

 

Ацетат

 

 

 

O

 

 

 

 

+

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

C

C O

CH

 

CH

 

 

HO

CH2 CH2

N(CH3)3

 

 

 

 

H

C

C

 

2

2

N(CH )

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

3 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

O-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Enz

OH

 

 

 

 

 

 

 

 

O C CH3 H2O

 

 

 

 

 

OH

Ser

 

 

 

 

 

 

 

Enz

Ser

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Enz

Ser

ацетилхолинэстеразы (АХЭ-Сер-ОН)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б. Реакция с ДФФ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

диизопропилфторфосфат

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H3C

 

O

CH3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F-, H+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H C O P O C H

 

 

 

 

O

 

 

CH3

 

 

 

 

 

OH

 

H3C

 

F

CH

3

 

H

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

C

O

P

O

C

H

 

 

 

Enz

Ser

 

 

 

 

 

 

 

 

H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H3C

 

 

O

 

 

CH

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Enz

 

Ser

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.4. Действие диизопропилфторфосфата на фермент ацетилхолинэстеразу (АХЭ):

А — реакция, катализируемая ацетилхолинэстеразой; Б — реакция ингибирования АХЭ диизопропилфторфосфатом

Активный

 

COO-

Неактивный

COO-

фермент

 

O

фермент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

HO

ПГС

 

OH

+ CH3

C O

 

ПГС

 

O

 

C

 

CH3 +

 

 

 

 

 

N-концевая группа

 

Аспирин

ацилированный

салициловая

одного из протомеров

(ацетилсалициловая к-та)

фермент

кислота

простагландинсинтетазы

Рис. 2.5. Взаимодействие аспирина с ферментом простагландинсин-

тетазой

Обратимые ингибиторы. Существует два типа подобных ингибиторов — конкурентные и неконкурентные.

Конкурентные ингибиторы конкурируют с субстратом за связывание с активным центром фермента (рис. 2.6). Это происходит потому, что ингибитор и субстрат имеют участки со сходной структурой.

Раздел 1.2 БФелкирменты.Структура и функции

39

В отличие от субстрата связанный с ферментом конкурентный ингибитор не подвергается ферментативному превращению. Более того, образование комплекса фермент–ингибитор уменьшает число молекул свободного фермента, и скорость реакции снижается.

Рис.2.6. Конкурентное ингибирование:

S — субстрат, I — ингибитор (своей трехмерной структурой похож на субстрат).

Связывание S и I происходит взаимоисключающим образом. Образуется либо ES, либо EI, но не EIS

Так как конкурентный ингибитор обратимо связывается с ферментом, то можно сдвинуть равновесие реакции E + I ↔ EI влево простым увеличением концентрации субстрата. Конкурентными ингибиторами являются многие химиотерапевтические средства. Например, сульфаниламидные препараты, используемые для лечения инфекционных болезней. Сульфаниламиды — это структурные аналоги парааминобензойной кислоты, из которой в клетках микроорганизмов синтезируется кофермент (Н4-фолат), участвующий в биосинтезе нуклеотидов. Недостаточность нуклеотидов нарушает синтез нуклеиновых кислот и приводит к гибели микроорганизмов (рис. 2.7).

При лечении атеросклероза используют препараты — ингибиторы регуляторного фермента биосинтеза холестерола — гидроксиметилглутарил-КоА редуктазы (ГМГ-КоА-редуктазы). Одним из таких препаратов является ловастатин — структурный аналог субстрата ГМГ-КоА-редуктазы. Ловастатин по механизму конкурентного ингибирования подавляет активность этого фермента и уменьшает синтез холестерола в организме (рис. 2.8).

40

 

 

Биологическая химия

 

 

 

 

Субстраты,

 

Фолиевая

Н4- фолат

 

в том числе

 

кислота

Кофермент

 

 

пара-аминобензойная

 

кислота

 

 

 

H2N

COOH

 

H2N

SONH2

 

Сульфаниламид

конкурентный ингибитор

Рис. 2.7. Сульфаниламиды — конкурентные ингибиторы синтеза Н4-фолата

Рис. 2.8. Конкурентное ингибирование

ГМГ-КоА-редуктазы ловастатином

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

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в папке Литература