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 1.2 БФелкирменты.Структура и функции

41

Другим примером использования конкурентных ингибиторов при лечении заболеваний могут быть прозерин и эндофоний, применяемые при лечении мышечных дистрофий. Эти вещества имеют структурное сходство с ацетилхолином — субстратом ацетилхолинэстеразы (АХЭ). Прозерин и эндофоний обратимо снижают активность АХЭ и увеличивают концентрацию ацетилхолина, выполняющего функцию медиатора, что сопровождается усилением проведения нервного импульса (рис. 2.9).

H3C

O

 

Ацетилхолинэстераза

H3C

 

 

O

+

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

H3C N CH2 CH2 O C CH3 + H2O

 

 

H3C N CH2 CH2 OH + HO

 

C

 

CH3

 

 

 

H3C

 

 

 

 

 

H3C

Уксусная кислота

Ацетилхолин

 

 

 

 

Холин

H3C +

O

CH3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H3C N

O C N

CH3SO4

 

 

 

 

 

 

 

 

H3C

 

CH3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

прозерин

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C2H5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

OH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H3C

H3C

эндофоний

Рис. 2.9. Конкурентное ингибирование ацетилхолинэстеразы

Неконкурентное обратимое ингибирование не может быть ослаблено или устранено повышением концентрации субстрата, так как эти ингибиторы присоединяются к ферменту не в активном центре, а в другом участке молекулы (рис. 2.10). Связывание приводит к изменению конформации фермента и нарушению комплементарности к субстрату. Неконкурентные ингибиторы могут обратимо связываться как со свободным ферментом, так и с комплексом ES. Наиболее важными неконкурентными ингибиторами являются образующиеся в живой клетке продукты метаболических путей, способные обратимо связываться с определенными участками ферментов (аллостерические центры) и изменять их активность, что является одним из способов регуляции ключевых процессов, протекающих в организме.

Исследование действия ингибиторов используется при изучении механизма действия фермента, кроме того, помогает в поисках более эффективных лекарственных средств, так как лечебное действие многих лекарств обусловлено тем, что они являются ингибиторами определенных ферментов. Структурные аналоги коферментов тоже могут быть ингибиторами. Исследования

42

Биологическая химия

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.10. Неконкурентное обратимое ингибирование

Км реакции позволяют отличить конкурентное ингибирование от неконкурентного (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Зависимость I/V от I/S: 1 — без ингибитора; 2 — в присутствии

ингибитора (а — конкурентное; б — неконкурентное ингибирование)

2.5. Регуляция действия ферментов

В живой клетке скорость ферментативных реакций находится под строгим контролем, что позволяет каждой метаболической цепочке реакций постоянно изменять свою скорость, приспосабливаясь к меняющимся условиям среды и потребностям клетки в продукте (рис. 2.12).

Раздел 1.2 БФелкирменты.Структура и функции

43

 

 

 

 

Рис. 2.12. Метаболическая цепь: А, В, С, D — метаболиты,

Е1,-Е2,-Е3,-Е4 — ферменты

В каждой метаболической цепи есть один или несколько ферментов, которые определяют скорость всей цепи реакций. Они называются регуляторными ферментами.

Существует несколько способов регуляции действия ферментов:

изменение активности фермента при его постоянной концентрации;

изменение концентрации фермента обычно в результате ускорения (индукции) или торможения (репрессии) синтеза фермента. В настоящем разделе будет рассмотрен только первый способ регуляции, а второй — в разделе 3.

Регуляция активности ферментов

Рассмотрим основные способы регуляции активности ферментов.

1.Аллостерическая регуляция. Фермент может изменять активность в результате нековалентного взаимодействия с эффекторами. Связывание с эффектором происходит в участке, пространственно удаленном от активного (каталитического) центра, и вызывает конформационные изменения в молекуле белка, а следовательно,

ив каталитическом центре. Эти изменения могут увеличивать активность фермента, эффектор является активатором, или, наоборот, уменьшать. В последнем случае эффектор играет роль ингибитора.

«Сообщение» о присоединении аллостерического активатора передается посредством конформационных изменений каталитической субъединице, которая становится комплементарной субстрату, и фермент «включается» (рис. 2.14). При удалении активатора фермент вновь переходит в неактивную форму и «выключается». Аллостерическая регуляция является основным способом регуляции метаболических путей.

2.Регуляция активности ферментов путем фосфорилирования-дефосфорилиро- вания.

При этом способе регуляции фермент изменяет активность в результате ковалентной модификации (рис. 2.14).

44

Биологическая химия

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.13. Аллостерическая активация фермента

Рис. 2.14. Регуляция активности липазы

В данном случае фосфатная группа ОРО32- присоединяется к гидроксильным группам в остатках серина, треонина или тирозина. В зависимости от природы фермента фосфорилирование может его активировать или, наоборот, инактивировать. Реакция присоединения фосфатной группы и ее отщепление катализируют специальные ферменты — протеинкиназы и протеинфосфатазы.

3. Регуляция путем ассоциации-диссоциации субъединиц в олигомерном ферменте.

Этот процесс иногда начинается с ковалентной или нековалентной модификации одной из субъединиц. Например, фермент протеинкиназа в неактивной форме является тетрамером R2C2, состоящим из двух регуляторных (R) и двух каталитических (С) протомеров. Активная протеинкиназа представлена субъединицей С, для освобождения которой необходима диссоциация комплекса. Активация фермента происходит при участии молекул AMФ (циклической аденозин монофосфорной кислоты), которые присоединяются к субъединицам R

Раздел 1.2 БФелкирменты.Структура и функции

 

45

 

 

 

 

 

 

 

 

 

NH2

 

 

 

A

 

C

N

 

N

C

 

 

CH

 

 

HC

C

 

 

N

 

 

 

N

 

 

 

 

 

O CH2 O

HH

 

H

H

O P

O

OH

O-

 

 

Рис. 2.15. Активация протеинкиназы при участии цАМФ:

А — строение цАМФ;

Б— активация протеинкиназы

иизменяют конформацию белка, что приводит к нарушению комплементарности субъединиц R и С и диссоциации комплекса (рис. 2.15):

R2C2 + 4цАМФ → 2С + 2(R-цАМФ).

Циклический АМФ образуется из АТФ под воздействием фермента адени-

латциклазы:

АТФ → сАМФ + Н4Р2О7 .

Аденилатциклаза и протеинкиназа катализируют взаимосвязанные реакции, которые составляют единую регуляторную систему, называемую аденилатциклазной системой (см. раздел).

46

Биологическая химия

4. Активация ферментов путем частичного протеолиза. Некоторые ферменты синтезируются первоначально в неактивной форме и лишь после секреции из клетки переходят в активную форму. Неактивный предшественник называется проферментом. Активация профермента включает гидролитическое расщепление молекулы с одновременным изменением конформации. Например, трипсиноген синтезируется в поджелудочной железе, а затем в кишечнике превращается в трипсин путем удаления гексапептида с N-конца. Реакцию катализирует энтеропептидаза — фермент, синтезируемый клетками кишечника:

энтеропептидаза

трипсиноген → трипсин + Вал-(Асп)4 –Лиз.

Изменение первичной структуры фермента «запускает» новые взаимодействия R-групп по всей молекуле, приводя к новой конформации, в которой R-группы активного центра занимают оптимальное положение для катализа.

Раздел 3

Синтез нуклеиновых кислот и белков

Нуклеиновые кислоты и белки представляют собой информационные молекулы. ДНК является хранителем генетической информации. В геноме — совокупности всех молекул ДНК клетки — зашифровано строение всех белков и молекул РНК данного организма. В процессе синтеза ДНК, или репликации, количество информационного материала удваивается и при делении поступает в дочерние клетки. Репарация (или ограниченная репликация) исправляет изменения в генетическом материале, происходящие в ходе рекомбинаций (обмена генетическим материалом между хромосомами) и нарушений в структуре ДНК.

Поток информации передается от ДНК через РНК на белок. Реализация этой информации в клетках включает два процесса: транскрипцию, или синтез, РНК и трансляцию, или синтез, белков. С помощью первого процесса в ядре на матрице ДНК синтезируются матричные (м), транспортные (т) и рибосомные

(р) РНК, необходимые для синтеза белков. В ходе трансляции информация о структуре белка, переписанная с ДНК на мРНК, переводится в аминокислотную последовательность белков. Таким образом генотип клеток определяет фенотипические характеристики органов и тканей. Матричная природа синтеза нуклеиновых кислот и белков обеспечивает высокую точность воспроизведения информации.

3.1. Строение нуклеиновых кислот

ДНК и РНК представляют собой линейные полимеры, построенные из нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов: азотистого основания, являющегося производным пурина или пиримидина, пентозы (рибозы или

47

48

Биологическая химия

дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты. В состав нуклеиновых кислот входят два производных пурина: аденин и гуанин, и три производных пиримидина: цитозин, урацил (в РНК) и тимин (в ДНК) (рис. 3.1.).

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

NH2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

 

 

 

 

 

Аденин

 

C

 

 

 

HC

NH

 

 

 

 

 

N

 

 

NH2

U

 

 

 

 

 

C

N

 

HC

C

Урацил

 

 

 

 

HC

 

A

 

C

 

N

O

 

 

 

 

N

C

CH

N

 

 

 

 

 

 

 

N

 

HC

 

H

 

 

 

 

 

 

H

 

 

 

HC C

Цитозин

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

O

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

H

 

O

 

 

 

4

 

6

N

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

 

H3C

 

 

5

3 N

8

5

 

1

 

 

 

 

C

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

6

2

9

4

3

 

O

 

 

C

NH

 

 

1

N

 

 

 

 

 

 

T C

 

 

 

N

 

 

N

 

 

 

 

 

HC

 

 

 

 

 

 

N

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

O

 

 

 

 

 

 

C

NH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

HC

 

 

Тимин

H

 

 

 

 

 

 

 

 

G C

 

 

 

 

 

 

Пиримидин

 

Пурин

N

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

NH2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гуанин H

 

 

 

 

 

O

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

HN

 

урацил

 

HN

 

N

гипоксантин

 

 

 

O

N

 

 

 

N

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2-O

POCH

2

O

 

2-O

POCH

2

O

 

 

3

 

 

 

3

 

 

 

 

 

H

H

H

H

 

H

H

H H

 

 

 

OH

OH

 

 

 

OH

OH

 

 

 

 

(УМФ)

 

 

 

(ИМФ)

 

 

 

предшественник

 

предшественник

 

 

всех пиримидиновых

 

всех пуриновых

 

 

 

нуклеотидов

 

 

 

нуклеотидов

 

 

Рис. 3.1. Азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот, и структура нуклеотидов:

пурины аденин и гуанин входят в состав ДНК и РНК, пиримидины в ДНК:

цитозин и тимин, а в РНК — цитозин и урацил

Углеродный атом в первом положении пентозы связывается N-гликозидной связью с атомом азота в 1 положении пиримидина или 9 положении пурина. Образующиеся соединения называют нуклеозидами. Углеродные атомы пентоз в отличие от атомов азотистых оснований обозначают номерами со штрихами (1', 2', 3', 4', 5'). Присоединение фосфата в 5'-положение пентоз приводит к образованию нуклеотидов (табл. 3.1).

Раздел 3. Синтез нуклеиновых кислот и белков

49

Первичная структура нуклеиновых кислот (НК) — это порядок чередования нуклеотидов в полинуклеотидной цепи, связанных между собой 3',5'- фосфодиэфирной связью. В результате образуются полимеры с фосфатным остатком на 5'-конце и свободной –ОН группой пентозы на 3'-конце (рис.3.2.).

5'-конец

O1

O P O CH2 O-

O

O P

O-

3

N

H

N

O

2

X

O CH2

O

O P

O-

NH2

N

Аденин

N H

NH2

H

N

Цитозин

H N O

O

X N

H

N

O CH2 O

OX

X= H для ДНК X= OH для РНК

O

NH

Гуанин

NNH2

3'-конец

Рис. 3.2. Первичная структура нуклеиновых кислот:

Х = Н для ДНК; Х = ОН для РНК.

Связи в молекуле нуклеиновых кислот:

1 — 5'-фосфоэфирная; 2 — N-гликозидная; 3 — 3’,5’-фосфодиэфирная

50

Биологическая химия

Таблица 3.1

Номенклатура основных азотистых оснований, нуклеозидов и нуклеотидов

Азотистое

Нуклеозид

Нуклеотид

Обозначения

Однобук-

(азотистое основа-

(азотистое основание+

венный

основание

нуклеотидов

ние + пентоза)

пентоза + фосфат)

код

 

 

В ДНК:

 

 

 

 

аденин

Дезоксиаденозин

д-Аденозин-5'-

5'-дАМФ

А

 

(д-Аденозин)

монофосфат

 

 

гуанин

Дезоксигуанозин

д-Гуанозин-5'-

5'-дГМФ

G

 

(д-Гуанозин)

монофосфат

 

 

цитозин

Дезоксицитидин

д-Цитидин-5'-

5'-дЦМФ

С

 

(д-цитидин)

монофосфат

 

 

тимин

Дезокситимидин

д-Тимидин-5'-

5'-дТМФ

Т

 

(д-тимидин)

монофосфат

 

 

В РНК:

 

 

 

 

аденин

Аденозин

Адеозин-5'-

5'-АМФ

А

 

 

монофосфат

 

 

гуанин

Гуанозин

Гуанозин-5'-

5'-ГМФ

G

 

 

монофосфат

 

 

цитозин

Цитидин

Цитидин-5'-

5'-ЦМФ

С

 

 

монофосфат

 

 

урацил

Уридин

Уридин-5'-

5'-УМФ

U

 

 

монофосфат

 

 

В состав ДНК и РНК входит четыре основных нуклеотида: два пуриновых и два пиримидиновых (табл. 3.1). Для краткого изображения последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах пользуются однобуквенным кодом. При этом запись осуществляют слева направо, так что первый нуклеотид имеет свободный 5'-фосфатный конец, а последний –ОН-группу в 3'-положении рибозы или дезоксирибозы. Например, первичная структура ДНК может быть записана следующим образом: CGTAAGTTCG…

Иногда полинуклеотидная цепь имеет противоположное направление, в этих случаях направление цепей обязательно указывается от 5'-→3'- или от 3'-→5'- концу.

Первичную структуру РНК записывают следующим образом: САUUAGGUAA…

Пространственная структура ДНК

Вторичная структура ДНК представлена правозакрученной спиралью (рис. 3.3), в которой две полинуклеотидные цепи расположены антипараллельно

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

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в папке Литература