Читайте также:
|
Первичная структура белков, их аминокислотный состав и векторность. Видовая специфичность первичной структуры белков. Адаптивные изменения первичной структуры белков. Полиморфизм белков.
Первичная структура — последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Первичную структуру белка, как правило, описывают, используя однобуквенные или трёхбуквенные обозначения для аминокислотных остатков.
Важными особенностями первичной структуры являются консервативные мотивы — устойчивые сочетания аминокислотных остатков, выполняющие определённую функцию и встречающиеся во многих белках. Консервативные мотивы сохраняются в процессе эволюции видов, по ним часто удаётся предсказать функцию неизвестного белка[24]. По степени гомологии (сходства) аминокислотных последовательностей белков разных организмов можно оценивать эволюционное расстояние между таксонами, к которым принадлежат эти организмы.
Как показали исследования, белки разных видов растений, а также разных органов одного и того же растения могут заметно различаться по содержанию аминокислот (табл. 3 и 4).
В альбуминах по сравнению с проламинами существенно выше концентрация аргинина, глицина, лизина, метионина и триптофана, но значительно меньше содержание лейцина, пролина, тирозина, фенил-аланина.
В специфическом белке эндосперма пшеницы - пуротионине пол-ностью отсутствуют гистидин, метионин и триптофан, но повышено со-держание лизина (15%) и аргинина (18%).
Белки зерна зернобобовых и семян масличных культур по амино-кислотному составу близки к глобулинам, так как на 60-70% состоят из этих белков. Аминокислотный состав белков клубней картофеля, корне-плодов, овощей, плодов и ягод, вегетативной массы растений довольно близок к альбуминам и глобулинам, поскольку эти белки составляют 65-75% общей массы белков указанных растительных продуктов.
Растительные белки - источники незаменимых аминокислот для человека и сельскохозяйственных животных, так как являются основными компонентами пищи или корма. Под действием пищеварительных фер-ментов белки корма гидролизуются до аминокислот, которые затем по-ступают в кровь и используются для синтеза белков организма животных.
Потребность животного организма в незаменимых аминокислотах определяется средним аминокислотным составом синтезируемых белков и, кроме того, учитывается коэффициент использования каждой амино-кислоты, зависящий от химического состава корма, а также особенностей пищеварительной системы и обмена веществ организма данного вида животных. Этот показатель обычно выражают в г в расчете на 100 г белка корма и он выражает необходимую пропорцию аминокислот в кормовом белке. Высокая видовая специфичность белков может иметь причиной либо различия в химическом строении тканевых белков, либо, что более вероятно, изменение конфигурации концевых полипептидных цепей на поверхности глобулы (стр. 48). Возможно, что, помимо видовой и тканевой специфичности белков, существуют и некоторые отличия в физико-химическом строении и особенностях белков внутри вида , но эти отличия не обнаруживаются существующими биологическими реакциями. Первичная структура белка — это определенная последовательность аминокислот в полипептидной цепи, а также их количественный и качественный состав. Последовательность расположения аминокислот в отдельных белках генетически закреплена и обусловливает индивидуальную и видовую специфичность белка. Видовая специфичность. Белки, содержащиеся в тканях и органах человека, животных, растений и т. д., по своему строению резко отличаются друг от друга они обладают высокой видовой специфичностью. Чужеродный белок при введении в кровь другого животного оказывает на данный организм очень сильное токсическое воздействие. Поэтому необходимым условием усвоения специфических белков пищи является их предварительный гидролиз в желудочно-кишечном тракте на аминокислоты, лишенные специфичности. Из аминокислот каждая клетка может синтезировать свой специфический белок. Примером полиморфизма белков является гемоглобин, имеющий множество форм. Гемоглоби́н A— нормальный гемоглобин взрослого человека. Этот белок представляет собой тетрамер, состоящий из двух пар полипептидных цепей — мономеров: двух мономеров α-цепей и двух мономеров β-цепей, или двух мономеров α и двух мономеров δ. Гемоглоби́н F— фетальный, плодный тип гемоглобина человека. Гемоглобин F — это белок-гетеротетрамер из двух α-цепей и двух γ-цепей глобина. Гемоглобин F обладает повышенным сродством к кислороду(в нём серин вместо лизина) и позволяет сравнительно малому объёму крови плода выполнять кислородоснабжающие функции более эффективно. Однако гемоглобин F обладает меньшей стойкостью к разрушению и меньшей стабильностью. В течение последнего триместра беременности и после рождения гемоглобин F постепенно — замещается «взрослым» гемоглобином А (HbA), менее активным транспортёром кислорода, но более стойким к разрушению и более стабильным. Молекулярные болезни – наследственные нарушения в первичной структуре булка. Например, замена в β-субъединице гемоглобина шестой глутаминовой аминокислоты на валин приводит к образованию гемоглобина S и тому, что молекула гемоглобина в целом не может выполнять свою основную функцию — транспорт кислорода; в таких случаях у человека развивается заболевание — серповидноклеточная анемия.
3. Наследственные изменения первичной структуры белков. Наследственные протеинопатии: серповидно-клеточная анемия, фибриногенопатии, патология глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы.
Молекулярные болезни – наследственные нарушения в первичной структуре булка. Например, замена в β-субъединице гемоглобина шестой глутаминовой аминокислоты на валин приводит к образованию гемоглобина S и тому, что молекула гемоглобина в целом не может выполнять свою основную функцию — транспорт кислорода; в таких случаях у человека развивается заболевание — серповидноклеточная анемия. Дефицит глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (Г6ФД) является Х-сцепленной ферментопатией, чаще проявляется у лиц негроидной расы, гемолиз может возникать после острого заболевания или приема оксидантов (включая салицилаты и сульфаниламиды). Диагноз базируется на определение Г6ФД, хотя исследования часто бывают негативны в период острого гемолиза. Лечение симптоматическое.
Единственный значимый дефект гексозомонофосфатного пути обусловлен дефицитом глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (Г6ФД). Имеется более 100 видов мутаций фермента. Клинически наиболее частым видом является лекарственно-зависимый вариант. Заболевание сцеплено с Х-хромосомой и полностью проявляется у мужчин и гомозиготных женщин, а также в разной степени выражено у гетерозиготных женщин. Эта аномалия встречается у лиц негроидной расы, примерно у 10 % мужчин, менее чем у 10 % женщин и с меньшей частотой в странах Средиземноморского бассейна.
Дефицит Г6ФД уменьшает количество энергии, необходимой для поддержания структуры клеточной мембраны эритроцитов, что приводит к укорочению их срока жизни.
Конформация белков и ее зависимость от первичной структуры. Соотношение стабильности и лабильности конформации белков как основа их функциональной активности. Явление молекулокинеза на примере функционирования гемоглобина, карбоксипептидазы А и др. белков как обязательное условие функционирования белков. Адаптивное значение изменений конформации белков.
Первичной структурой называют аминокислотную последовательность полипептидной цепи (расположение в ней аминокислотных остатков). Первичная структура специфична для каждого белка (рис. 2.4) и определяется генетической информацией, т.е. закодирована в ДНК. От первичной структуры зависят все свойства и функции белка. Так, специфическое действие фермента требует совершенно определенной последовательности аминокислот.
Конформация – это определенная трехмерная форма полипептидной цепи. Цепи обычно скручены, сложены или согнуты. Конформация определяется первичной структурой; это термодинамически наиболее устойчивое состояние полипептидной цепи. К конформации относится вторичная, третичная и четвертичная структура. Линейные полипептидные цепи индивидуальных белков за счёт взаимодействия функциональных групп аминокислот приобретают определённую пространственную трёхмерную структуру, называемую «конформация». Все молекулы индивидуальных белков (т.е. имеющих одинаковую первичную структуру) образуют в растворе одинаковую конформацию. Следовательно, вся информация, необходимая для формирования пространственных структур, находится в первичной структуре белков. В белках различают 2 основных типа конформации полипептидных цепей: вторичную и третичную структуры. 1. Вторичная структура белков. Вторичная структура белков - пространственная структура, образующаяся в результате взаимодействий между функциональными группами, входящими в состав пептидного остова. При этом пептидные цепи могут приобретать регулярные структуры двух типов: α-спираль и β-структура.
α-Спираль. В данном типе структуры пептидный остов закручивается в виде спирали за счёт образования водородных связей между атомами кислорода карбонильных групп и атомами азота аминогрупп, входящих в состав пептидных групп через 4 аминокислотных остатка. Водородные связи ориентированы вдоль оси спирали (рис. 1-5). На один виток α-спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка. В образовании водородных связей участвуют практически все атомы кислорода и водорода пептидных групп. В результате α-спираль «стягивается» множеством водородных связей. Несмотря на то что данные связи относят к разряду сла бых, их количество обеспечивает максимально возможную стабильность α-спирали. Так как все гидрофильные группы пептидного остова обычно участвуют в образовании водородных связей, гидрофильность (т.е. способность образовывать водородные связи с водой) α-спиралей уменьшается, а их гидрофобность увеличивается.
α-Спиральная структура - наиболее устойчивая конформация пептидного остова, отвечающая минимуму свободной энергии. В результате образования α-спиралей полипептидная цепь укорачивается, но если создать условия для разрыва водородных связей, полипептидная цепь вновь удлинится.
Радикалы аминокислот находятся на наружной стороне α-спирали и направлены от пептидного остова в стороны. Они не участвуют в
образовании водородных связей, характерных для вторичной структуры, но некоторые из них могут нарушать формирование α-спирали. К ним относят:
• участки, где последовательно расположены несколько одинаково заряженных радикалов, между которыми возникают электростатические силы отталкивания;
• участки с близко расположенными объёмными радикалами, механически нарушающими формирование α-спирали, например метионин, триптофан.
Кольцевая структура пролина имеет фиксированный угол, близкий по значению углу поворота α-спирали несмотря на отсутствие водорода у атома азота и невозможность образования водородной связи. Поэтому пролин обычно располагается в тех участках белка, где имеется петля или изгиб. Большое количество пролина обнаружено в коллагене (каждая 4-я аминокислота) имеющем форму спирали уже на уровне его первичной структуры. Основные свойства прионных белков - способность к агрегации и к возникновению de novо, наличие множества патологических конформационных вариантов и наследование патологической конформации. Для прионных полимеров характерна также устойчивость к денатурирующим агентам и некоторым протеазам (например химотрипсину). Последнее свойство проявляют и амилоидные агрегаты, однако они не наследуются и не инфекционны. Конформационных вариантов для них тоже пока не выявлено. Изучение прионов в основном объяснялось патологией, которую они вызывают у человека и животных. Открытие прионоподобных белков у низших эукариот существенным образом расширило представления о прионах. Стало ясно, что это не просто принципиально новое, но и достаточно общее явление, встречающееся у различных организмов. Изучение дрожжевых прионов дало дополнительную информацию о явлении в целом, а также доказательства принципиального сходства прионов самилоидными фибриллами. В настоящее время прионно-амилоидный феномен интенсивно изучается во многих лабораториях, возрастает список болезней, из числа известных ранее, для которых подтверждена амилоидная природа. У дрожжей и грибов существование белков с прионными свойствами в основном имеет адаптивное значение. Кроме того, становится известно все больше и больше прионоподобных и амилоидных белков млекопитающих, участвующих в различных биологических процессах. И, скорее всего, подобные белки распространены еще шире, чем представляется сейчас.
5. Классификация белков, их биологические функции. Пространственное строение белков: вторичная, третичная структуры, силы, их определение (пептидная связь, водородные, электростатические, гидрофобно-гидрофильные взаимодействия, дисульфидные связи). Понятие о молекулокинезе, его значение в функционировании белков.
Все белки делятся на три группы: простые, сложные, производные. К простым или протеинам относят такие, которые при полном гидролизе дают только аминокислоты. По растворимости в отдельных растворах их делят на следующие группы: альбумины, глобулины, проламины, гистоны, склеропротеины и глютелины.
Альбумины - это белки, растворимые в воде, свёртываются при нагревании. Содержаться в молоке, яиц ах, сыворотке крови, ферментах и семенах растений. Все альбумины – глобулярные белки с молекулярной массой не более 75000. Альбумины богаты серосодержащими и дикарбоновыми аминокислотами.
Глобулины - это белки нерастворимые в воде, но растворимые в разбавленных солевых растворах, кислотах, щелочах. Свёртываются при нагревании, встречаются в тканях животного происхождения (миозин), в крови, молоке, яйцах, семенахбобовых и маслистых культур.
Проламины - это белки семян различных злаковых растений, растворимые в 60-80 процентном спирте, нерастворимые в воде. Хорошо растворимы в раэличных растворах кислот и щелочей. При кипячении не свёртываются. Проламин из семян пшеницы и ржи называется глиадином, из семян кукурузы - зеином.
Гистоны - это белки основного характера, содержащие большое количество лизина и агренина. Они растворимы в кислых и нейтральных растворах, осаждаются аммиаком, входят в состав клеточных ядер.
Склеропротеины - это белки резко отличающиеся от других белков по своим свойствам. Они растворяются лишь при длительной обработке концентрированными кислотами и щелочами, причём с расщиплением молекул. В животных организмах выполняют опорные и покровные функции, в растениях не встречаются. Представители: кератин – белок волос шерсти, эпидермиса кожи. Эластин – белок стенок кровеносных сосудов и сухожилий. Кологенн – белковое вещество кожи, костей, хрящей, соединительных тканей. Глютелины - растительный белок. Растворяется только в разбавленных растворимых щелочах. Содержится в основном в семействе злаков, в частности входит в состав клейковины.
К сложным белкам или протеидам относятся компоненты простых белков с небелковыми компонентами (углеводами, фосфорной кислотой, нуклеиновыми кислотами и т.п.).
Протеиды делятся на ряд групп.
Фосфопротеиды - содержат остатки фосфорной кислоты, связанной эфирной связью с аминокислотами ксерина и треонина. Например: козеин – белок молока, вителлин – белок, входящий в состав желтка куриного яйца. К группе фосфопротеидов пренадлежат многие ферменты, функцией которых является каталитический перенос фосфатных групп. Они входят в состав клеток и тканей, с обменом фосфопроидов связана работа ионного насоса, а также окислительные процессы в митохондриях живой клетки.
Нуклеопротеиды - это белки, в которых белковая часть связана с нуклеиновыми кислотами. Они входят в состав ядер растительных и животных клеток.
Хромопротеиды - это вещества, в которых белковая часть связана с красящим веществом. Например: гемоглобин крови, хлорофилл.
Глюкопротеиды - это белки, у которых белковая часть соединена с углеводом.
Липопротеиды - это белки, связанные с липидами. Они растворимы в воде и не растворимы в органических растворителях, содержаться в протоплазме клеток, сыворотке крови, яичном желтке.
Биологические функции белков крайне разнообразны. Они выполняют различные функции: каталитические (ферменты), регуляторные (гормоны), структурные (коллаген, фибраллин), двигательные (миозин), транспортные (гемоглобин), защитные (иммуноглобулин, интерферрон), запасные (козеин, альбумин, глиадин, зеин).
Среди белков встречаются антибиотики и вещества, оказывающие токсическое действие.
Белки играют ключевую роль в жизни клетки, составляя материальную основу её химической деятельности. Вся деятельность организма связана с белковыми веществами. Являются важнейшей составной частью пищи человека и животных, поставщиками необходимых им аминокислот.
Отсутствие в пище белков в течение нескольких дней приводит к серьёзным нарушениям обмена веществ, а продолжительное без белковое питание неизбежно заканчивается смертью. Каждый индивидуальный белок, имеющий уникальную первичную структуру и конформацию, обладает и уникальной функцией, отличающей его от bqcx остальных белков. Набор индивидуальных белков выполняет в клетке множество разнообразных и сложных функций.
Необходимое условие для функционирования белков - присоединение к нему другого вещества, которое называют "лиганд". Лигандами могут быть как низкомолекулярные вещества, так и макромолекулы. Взаимодействие белка с лигандом высокоспецифично, что определяется строением участка белка, называемого центром связывания белка с лигандом или активным центром. Активный центр белков - определённый участок белковой молекулы, как правило, находящийся в её углублении ("кармане"), сформированный радикалами аминокислот, собранных на определённом пространственном участке при формировании третичной структуры и способный комплементарно связываться с лигандом. В линейной последовательности полипептидной цепи радикалы, формирующие активный центр, могут находиться на значительном расстоянии друг от друга. Высокая специфичность связывания белка с лигандом обеспечивается комплементарностью структуры активного центра белка структуре лиганда. Под комплементарностью понимают пространственное и химическое соответствие взаимодействующих молекул. Лиганд должен обладать способностью входить и пространственно совпадать с конформацией активного центра. Это совпадение может быть неполным, но благодаря конформационной лабильности белка активный центр способен к небольшим изменениям и "подгоняется" под лиганд. Кроме того, между функциональными группами лиганда и радикалами аминокислот, образующих активный центр, должны возникать связи, удерживающие лиганд в активном центре. Связи между лигандом и активным центром белка могут быть как нековалентными (ионными, водородными, гидрофобными), так и ковалентными.
Белковые препараты в медицине.
В этой стадии, учитывая сохраняющуюся гипопротеинемию, вводится СЗП — 10 млкг или белковые препараты (альбумин, протеин), проводится коррекция электролитного состава с использованием сбалансированных электролитных растворов (калий-магний аспаргината). С целью парентерального питания вводятся растворы углеводов и аминокислот. Нормализация микроциркуляции и свертывания обеспечивается введением дезагрегантов (трентал, аспизол) и гепарина по строгим показаниям и под контролем времени свертывания. Для коррекции глобулярного объема используется эритромас - са не более 3 сут. хранения или отмытые эритроциты. Обязательным является профилактика гнойно-септических осложнений, осуществляемая антибиотиками широкого спектра действия (цефалоспоринами). С целью регуляции метаболических процессов вводятся препараты АТФ (НЕОТОН до 6 г в сут), рибоксин (30—50 мл в день), актовегин 800 мг в сут. на фоне умеренной дигитализации.
Стимуляция иммунитета осуществляется введением иммуно - модуляторов (Т-активин, тималин, цекарис, иммуноглобулин), применением различных методов фотомодификации крови (ультрафиолетовое, лазерное облучение крови). Надо помнить о гипоко - агулирующем эффекте последнего! С целью профилактики синдрома полиорганной недостаточности и купирования нарушений гемокоагуляции показано проведение дискретного плазмафереза у родильниц, перенесших массивную кровопотерю, не более чем через 12 часов после осуществления хирургического гемостаза. При этом эксфузируется не менее 70 ОЦП с адекватным возмещением донорской свежезамороженной плазмой. III стадия постреанимационного периода характеризуется развитием СПОН (подробнее клиническая патофизиология и терапия этого состояния изложена в соответствующей главе).
Ферменты как биокатализаторы. Природа и строение ферментов, активный центр и его функция. Природа высокой активности и специфичности ферментов. Отличие ферментов от небелковых катализаторов.
Свойства ферментов как биокатализаторов:
1) Специфичность (избирательность) действия. Выделяют такие виды ее:
а) абсолютная специфичность – фермент катализирует превращение только одного субстрата (один фермент – один субстрат). Пример – уреаза, аргиназа, сахараза, лактаза и др.
б) стереоструктурная – фермент катализирует превращение определенного стереоизомера (лактатдегидрогеназа превращает только Lлактат)
в) относительная – фермент катализирует превращение группы веществ с одним типом хи мической связи (один фермент – одна связь). Пример пептидазы, эстеразы, гликозидазы.
2) Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры. Ферментативные реак ции, как и все химические реакции, ускоряются при повышении температуры (в 24 раза на каждые 10оС). Однако скорость ферментативной реакции имеет свой температурныйопти мум, превышение которого приводит к понижению активности ферментов изза тепловой денатурации их молекул. Для большинства ферментативных реакций температурный опти мум 3840оС, а при 5060оС и выше скорость ферментативных реакций сильно уменьшается изза разрушения молекул фермента (искл. миокиназа не инактивируется даже при 100 оС). Зависимость активности ферментов от температуры называется термолабильностью. Фер менты лучше сохраняются при низких температурах – их активность снижается, но денату рации не происходит. Это свойство используется в медицине для производства препаратов ферментов. При некоторых операциях необходимо снизить скорость обмена веществ. Тогда используют охлаждение органов (например, при пересадке почек, сердца и др. органов).
3) Зависимость ферментативной активности от рН среды. Каждый фермент имеет свой рН– оптимум значение рН, при котором его активность максимальна. Фермент, как и любой белок, имеет в своей структуре ионогенные группы (например, карбоксильные группы или аминогруппы в боковых цепях), а от концентрация ионов водорода зависит их диссоциация и соотношение между положительно и отрицательно заряженными группами. Соотношение между этими группами определяет и пространственное строение молекулы фермента (его конформацию), а следовательно, и его активность. Большинство ферментов наиболее активны при рН=68. Исключения пепсин (рНопт=1,52), аргиназа (рНопт=1011).
4) Ферменты ускоряют как прямую так и обратную реакции (например, лактатдегидрогеназа)
5) Активность ферментов может изменяться под влиянием различных веществ, которые мо гут повышать (активаторы) или снижать (ингибиторы) скорость катализируемой реакции.
6) Ферменты в отличие от небиологических катализаторов проявляют более высокую актив ность и проявляют свою способность ускорять реакции в очень маленьких концентрациях (например, одна молекула карбангидразы способна расщепить 36 млн. молекул Н2СO3).
7) Ферменты, как и небиологические катализаторы, катализируют только те реакции, которые подчиняются II закону термодинамики и являются энергетически возможными. Фермен ты не входят в состав конечных продуктов реакции, не влияют на константу равновесия ре акции, а только увеличивают скорость ее достижения.
Специфичность фермента к определенной химической реакции находится в связи с природой функциональных групп и типом химических связей реагирующего вещества (субстрата), его пространственной конфигурацией и характерной белковой составной частью фермента [14—17, 19, 20]. [c.12]
В природе встречаются ферменты (глюкозидазы), гидролизующие либо только а-глюкозиды, либо только Р-глюкозиды. Эта специфичность ферментов используется для установления конфигурации некоторых сахаров, как будет показано дальше (см. Олигосахариды). [c.151]
Каждый фермент действует только на одно определенное вещество или на группу веществ, обладающих близкой структурой. Он осуществляет реакцию определенного типа, расщепляет связи определенной структуры. Это, может быть, наиболее характерноесвойство фермента называется его специфичностью. Специфичность действия ферментов — важнейшее биологическое явление. Без него невозможен направленный обмен веществ в природе и, следовательно, сама жизнь. Биологические катализаторы не только регулируют скорость химических реакций в клетках, но определяют, какие вещества должны подвергнуться превращению. Взаимосвязанное действие ферментов как бы организует жизненные процессы, выбирает, вовлекает те или иные вещества в реакции и, кроме того, определяет из различных возможных путей тот необходимый, может быть, единственный путь, по которому должен идти процесс. Специфичность ферментов может выражаться по-разному. [c.57]
Обычно специфичность фермента (т. е. его способность действовать именно на данное вещество, а не какое-либо другое) определяется природой белковой части активные группы из числа тех, которые вообще можно отделить от белка, сами по себе гораздо менее активны и менее разборчивы в выборе субстрата. [c.94]
Сведения о составе активных центров и их групп более полны по отношению к тем ферментам, у которых эти группы имеют небелковую природу. В тех случаях, когда сам белок образует активный участок на поверхности молекулы, исследование затрудняется из-за сложной топографии этой поверхности и данные о составе активных центров менее надежны. Фермент, как правило, ускоряет однотипные реакции, т. е. это катализатор, который проявляет свойство избирательности или специфичности. Отношения между ферментом и его субстратом сравнивали с отношением ключа к замку. На самом деле специфичность ферментов изменяется в широких пределах. Так, фермент уреаза катализирует одну-единственную реакцию разложения мочевины и ни на какие другие субстраты не действует. Этот фермент обладает абсолютной специфичностью. Но, например, ферменты, катализирующие гидролиз сложных эфиров, гораздо менее специфичны в выборе субстрата и действуют ня эфирные связи различно.
Зависимость скорости ферментативной реакции от рН, температуры, концентрации фермента и субстрата. Кофакторы ферментов. Водорастворимые витамины (группы В, РР, липоевая кислота, пантотеновая кислота и др.)как предшественники коферментов.
Зависимость скорости ферментативной реакции (V) от концентрации фермента [Е] (рисунок 7.3). При высокой концентрации субстрата (многократно превышающей концентрацию фермента) и при постоянстве других факторовскорость ферментативной реакции пропорциональна концентрации фермента. Поэтому зная скорость реакции, катализируемойферментом, можно сделать вывод о его количестве в исследуемом материале.
Рисунок 7.3. Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации фермента
Зависимость скорости реакции от концентрации субстрата [S]. График зависимости имеет вид гиперболы (рисунок 7.4). При постоянной концентрации фермента скорость катализируемой реакции возрастает с увеличением концентрации субстрата до максимальной величины Vmax, после чего остаётся постоянной. Это следует объяснить тем, что при высоких концентрациях субстрата все активные центры молекул фермента оказываются связанными с молекулами субстрата. Любое избыточное количество субстрата может соединиться с ферментом лишь после того, как образуется продукт реакции и освободится активный центр.
Рисунок 7.4. Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата.
Зависимость скорости реакции от концентрации субстрата может быть выражена уравнением Михаэлиса — Ментен:
,
где V — скорость реакции при концентрации субстрата [S], Vmax —максимальная скорость и KM —константа Михаэлиса.
Константа Михаэлиса равна концентрации субстрата, при которой скорость реакции составляет половину максимальной. Определение KM и Vmax имеет важное практическое значение, так как позволяет количественно описать большинство ферментативных реакций, включая реакции с участием двух и более субстратов. Различные химические вещества, изменяющие активность ферментов, по-разному воздействуют на величины Vmax и KM.
Зависимость скорости реакции от t – температуры, при которой протекает реакция (рисунок 7.5), имеет сложный характер. Значение температуры, при котором скорость реакции максимальна, представляет собой температурный оптимум фермента. Температурный оптимум большинства ферментов организма человека приблизительно равен 40°С. Для большинства ферментов оптимальная температура равна или выше тойц температуры, при которой находятся клетки.
Рисунок 7.5. Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры.
При более низких температурах (0° — 40°С) скорость реакции увеличивается с ростом температуры. При повышении температуры на 10°С скорость ферментативной реакции удваивается (температурный коэффициент Q10 равен 2). Повышение скорости реакции объясняется увеличением кинетической энергии молекул. При дальнейшем повышении температуры происходит разрыв связей, поддерживающих вторичную и третичную структуру фермента, то есть тепловая денатурация. Это сопровождается постепенной потерей каталитической активности.
Зависимость скорости реакции от рН среды (рисунок 7.6). При постоянной температуре фермент работает наиболее эффективно в узком интервале рН. Значение рН, при котором скорость реакции максимальна, представляет собой оптимум рН фермента. У большинства ферментов организма человека оптимум рН находится в пределах рН 6 – 8, но есть ферменты, которые активны при значениях рН, лежащих за пределами этого интервала (например, пепсин, наиболее активный при рН 1,5 - 2,5).
Изменение рН как в кислую, так и в щелочную сторону от оптимума приводит к изменению степени ионизации кислых и основных групп аминокислот, входящих в состав фермента (например, СООН-группы аспартата и глутамата, NН2-группы лизина и т.д.). Это вызывает изменение конформации фермента, в результате чего изменяется пространственная структура активного центра и снижение его сродства к субстрату. Кроме того, при экстремальных значениях рН происходит денатурация фермента и его инактивация.
Рисунок 7.6. Зависимость скорости ферментативной реакции от рН среды.
Следует отметить, что свойственный ферменту оптимум рН не всегда совпадает с рН его непосредственного внутриклеточного окружения. Это позволяет предположить, что среда, в которой находится фермент, в какой-то мере регулирует его активность.
Зависимость скорости реакции от присутствия активаторов и ингибиторов. Активаторы повышают скорость ферментативной реакции. Ингибиторы понижают скорость ферментативной реакции.
В качестве активаторов ферментов могут выступать неорганические ионы. Предполагают, что эти ионы заставляют молекулы фермента или субстрата принять конформацию, способствующую образованию фермент-субстратного комплекса. Тем самым увеличивается вероятность взаимодействия фермента и субстрата, а следовательно и скорость реакции, катализируемой ферментом. Так, например, активность амилазы слюны повышается в присутствии хлорид-ионов.
Белковая часть сложного фермента получила название апофермент, небелковая часть — кофактор. Кофакторы могут иметь разную химическую природу и отличаться по прочности связи с апоферментом. В роли кофактора могут выступать ионы различных металлов, а также другие неорганические ионы.
Органические вещества неаминокислотной природы, используемые в роли кофакторов, называются коферментами. Кофермент вместе с апоферментом образуют холофермент.
. Водорастворимый витамин группы В, имеющий также тривиальное химическое название тиамин, широко распространен в живой природе, синтезируется многими растениями и микроорганизмами (но не животными). Наиболее богаты им дрожжи, мука грубого помола, крупы, бобовые, печень, нежирная свинина.
По химической структуре тиамин являет собой систему из двух гетероциклов (пиримидина и тиазола) с небольшим набором функциональных групп: аминогруппа в пиримидиновом цикле и спиртовая группа у тиазольного фрагмента. Атом азота тиазольного цикла находится в аммонийном состоянии, а само соединение — в виде соли, спиртовая группа этерифицирована фосфорной кислотой. В живых организмах тиамин присутствует либо в свободном виде, либо в виде моно-, ди- и трифосфатов с наибольшей долей дифосфата.
Схема 10.2.1
Витамин В, является как раз тем соединением, попадающим под понятие витамин, которое самостоятельно никаких функций не выполняет, но в виде кофермента (ТРР) ряда важнейших ферментов углеводного обмена участвует в серии биохимических процессов, связанных с реакциями окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты (пируват-дегидрогеназа), 2-оксоглутаровой кислоты, декарбоксилирования 2-оксоизовале-риановой и других разветвленных кетокислот (а-оксоглутарат-дегидрогеназа) и переноса двухуглеродного фрагмента с карбонильной группой (транс-кетолаза).
Известно несколько синтетических производных витамина 
обладающих его активностью, но в отличие от оригинала — это жирорастворимые соединения, а по химической структуре их можно считать провитаминами В, так как нетрудно увидеть путь их превращения непосредственно в тиамин (схема 10.2.2).
Дата добавления: 2015-01-29; просмотров: 131 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
| Подтип Мандибулярные. Внешнее строение | | | Снятие Древней Печати |