Активный центр белка

Содержание

Вопрос 17 Конформационные перестройки молекул белков как основа их функционирования. (прим. Автора: ни фига не поняла суть вопроса, вот то, что более-менее подошло)

КОНФОРМАЦИЯ БЕЛКОВ

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.

Каждый индивидуальный белок, имеющий уникальную первичную структуру и конформацию, обладает и уникальной функцией, отличающей его от всех 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.

1. Характеристика активного центра

Активный центр белка — относительно изолированный от окружающей белок среды участок, сформированный аминокислотными остатками. В этом участке каждый остаток благодаря своему индивидуальному размеру и функциональным группам формирует «рельеф» активного центра.

Объединение таких аминокислот в единый функциональный комплекс изменяет реакционную способность их радикалов, подобно тому, как меняется звучание музыкального инструмента в ансамбле. Поэтому аминокислотные остатки, входящие в состав активного центра, часто называют «ансамблем» аминокислот.

Уникальные свойства активного центра зависят не только от химических свойств формирующих его аминокислот, но и от их точной взаимной ориентации в пространстве. Поэтому 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. При денатурации активный центр белков разрушается, и происходит утрата их биологической активности.

Часто активный центр формируется таким образом, что доступ воды к функциональным группам его радикалов ограничен, т.е. создаются условия для связывания лиганда с радикалами аминокислот.

В некоторых случаях лиганд присоединяется только к одному из атомов, обладающему определённой реакционной способностью, например присоединение О2 к железу миоглобина или гемоглобина. Однако свойства данного атома избирательно взаимодействовать с О2 определяются свойствами радикалов, окружающих атом железа в составе гема. Гем содержится и в других белках, таких как цитохромы. Однако функция атома железа в цитохромах иная, он служит посредником для передачи электронов от одного вещества другому, при этом железо становится то двух-, то трёхвалентным.

Центр связывания белка с лигандом часто располагается между доменами. Например, про-теолитический фермент трипсин, участвующий в гидролизе пептидных связей пищевых белков в кишечнике, имеет 2 домена, разделённых бороздкой. Внутренняя поверхность бороздки формируется аминокислотными радикалами

этих доменов, стоящими в полипептидной цепи далеко друг от друга (Сер177, Гис40, Асп85).

Разные домены в белке могут перемещаться друг относительно друга при взаимодействии с лигандом, что облегчает дальнейшее функционирование белка. В качестве примера можно рассмотреть работу гексокиназы, фермента, катализирующего перенос фосфорного остатка с АТФ на молекулу глюкозы (при её фосфо-рилировании). Активный центр гексокиназы располагается в расщелине между двумя доменами (рис. 1-26) При связывании гексокиназы с глюкозой окружающие её домены сближаются, и субстрат оказывается в «ловушке», что облегчает его дальнейшее фосфорилирование.

Основное свойство белков, лежащее в основе их функций, — избирательность присоединения к определённым участкам белковой молекулы специфических лигандов.

2. Многообразие лигандов

• Лигандами могут быть неорганические (часто ионы металлов) и органические вещества, низкомолекулярные и высокомолекулярные вещества;

• существуют лиганды, которые изменяют свою химическую структуру при присоединении к активному центру белка (изменения субстрата в активном центре фермента);

• существуют лиганды, присоединяющиеся к белку только в момент функционирования (например, О2, транспортируемый гемоглобином), и лиганды, постоянно связанные

с белком, выполняющие вспомогательную роль при функционировании белков (например, железо, входящее в состав гемоглобина).

В тех случаях, когда аминокислотные остатки, формирующие активный центр, не могут обеспечить функционирование данного белка, к определённым участкам активного центра могут присоединяться небелковые молекулы. Так, в активном центре многих ферментов присутствует ион металла (кофактор) или органическая небелковая молекула (кофермент). Небелковую часть, прочно связанную с активным центром белка и необходимую для его функционирования, называют «простетическая группа». Миоглобин, гемоглобин и цитохромы имеют в активном центре простетическую группу — гем, содержащий железо

Соединение протомеров в олигомерном белке — пример взаимодействия высокомолекулярных лигандов. Каждый протомер, соединённый с другими протомерами, служит для них лигандом, так же как они для него.

Иногда присоединение какого-либо лиганда изменяет конформацию белка, в результате чего формируется центр связывания с другими лигандами. Например, белок кальмодулин после связывания с четырьмя ионами Са2+ в специфических участках приобретает способность взаимодействовать с некоторыми ферментами, меняя их активность.

Параграф 58. белки вторичная и третичная структура

Автор текста – Анисимова Елена Сергеевна.
Авторские права защищены. Продавать текст нельзя. Курсив НЕ НУЖНО зубрить.
Замечания можно присылать по почте: exam_bch@mail.ru

ПАРАГРАФ 58:
«ВТОРИЧНАЯ И ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА белков».
(См. сначала п.56 и п.57.)
Полипептидная цепь (ППЦ) способна формировать в пространстве определённую структуру за счёт взаимодействия атомов;
эти структуры получили название вторичной и третичной структуры (см. далее).
58.1. ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКА.
1. На протяжении всей длины ППЦ (всего пептидной остова) имеются пептидные группы (НN–C=O; см. п 56; например, в ППЦ из сотни аминоацилов пептидная группы встречается 99 раз).
2. На атомых пептидных групп есть ЗАРЯДЫ: частичный положительный заряд на атоме водорода и частичный отрицательный заряд на атоме кислорода.
3. Эти частичные заряды многочисленных пептидных групп ВЗАИМОДЕЙСТВУЮТ между собой: частичные положительные заряды атомов водорода пептидных групп ПРИТЯГИВАЮТСЯ к частичным отрицательным зарядам,
образуя ВОДОРОДНЫЕ СВЯЗИ («водородные мостики») между атомами водород и атомами кислорода пептидных групп.
4. Пространственная структура (КОНФОРМАЦИЯ), которая возникает у ППЦ за счёт пептидных групп (точнее, за счёт притяжения частичных зарядов водорода и кислорода пептидных групп), и называется ВТОРИЧНОЙ СТРУКТУРОЙ БЕЛКА.
(Стабилизируется эта вторичная структура водородными связями, возникшими между атомами пептидных групп, о которых говорится в 3-м пункте).
5. Какая конкретно структура возникнет в пространстве в результате взаимодействия пептидных групп между собой – зависит от того, из каких аминоацилов с какими радикалами состоит ППЦ и в каком порядке они расположены, то есть от первичной структуры данной молекулы белка. Радикалы аминоацилов способны помешать образованию некоторых водородных связей между атомами пептидных групп.)
6. Различают определённые ТИПЫ вторичной структуры. –
1-й тип вторичной структуры: если пептидный остов образует спираль (изгибается винтообразно), то этот тип вторичной структуры называют ;-спиралью (обычно встречается правая ;-спираль, левая встречается крайне редко).
;-спираль образуется за счёт того, что атомы пептидных групп притягиваются к атомам пептидных группы недалеко расположенных аминоацилов (к атому водорода одной пептидной группы притягивается атом кислорода четвёртого по счёту аминоацила).
Этот тип распространён в глоулярных белках (см. далее) – например, в молекуле гемоглобина, ферментах.
ППЦ коллагена образует спираль (левую), которая стабилизируется не водородными не зубрите.
2-й тип вторичной структуры: два вытянутых участка ППЦ мостиками, а за счёт скручивания трёх ППЦ в тройную спираль (правую) –
могут расположиться вдоль друг друга, при этом атомы водорода одного участка соединятся водородными мостиками с атомами кислорода другого участка и зафиксируют возникшую структуру – такая вторичная структура называется ;-складчатым листом (или ;-складчатостью, ;-структурой), потому что плоскости пептидных связей расположены в пространстве, как складки листа бумаги.
Если при этом направления участков ППЦ противоположны, то структуру называют антипараллельным ;-складчатым листом, а если направления одинаковы, то – параллельным ;-складчатым листом; энергетически выгоднее антипараллельная с почти линейными водородными мостиками – см. картинки в книгах, например, в «Наглядной биохимии» Кольмана и Рёма.
3-й тип вторичной структуры: участки ППЦ могут сформировать пространственную структуру (конформацию), которая не является ни ;-спиралью, ни ;-складчатостью – в таких случаях говорят, что участок ППЦ не имеет упорядоченной структуры; и называют этот тип вторичной структуры «беспорядочным клубком».
4-й тип вторичной структуры: ;-петля. Так называют участок из (четырёх) аминоацилов, который находится в месте поворота ППЦ на 180 градусов; петля стабилизируется водородным мостиком между первым и четвёртым аминоацилами.
58.2. ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКА.
В молекуле белка есть ГИДРОФОБНЫЕ (то есть плохо растворимые в воде, «боящиеся воды») РАДИКАЛЫ.
Это приводит к тому, что молекула белка образует в пространстве (в водной среде) такую структуру,
чтобы гидрофобные радикалы оказались ВНУТРИ структуры;
гидрофильные («любящие воду», гидрофильные) радикалы оказываются при этом снаружи.
Это явление называется ГИДРОФОБНЫМ ЭФФЕКТОМ.
Образующаяся в результате гидрофобного эффекта структура называется ТРЕТИЧНОЙ структурой белка.
Третичная структура стабилизируется
связями, которые возникают между РАДИКАЛАМИ ППЦ:
1 – между гидрофобными радикалами образуются гидрофобные связи,
2 – между радикалами, имеющими разноимённые заряды, образуются ИОННЫЕ связи (за счёт притяжения разноимённых зарядов; например, положительные заряды на атомах азота радикалов аргинина или лизина могут притягиваться к отрицательным зарядам на атомах кислорода радикалов аспартата и глутамата),
3 – между радикалами, имеющими разноимённые частичные заряды, могут образовываться водородные связи (не путайте с водородным связями между атомами и пептидных групп во вторичной структуре);
называют также вандерваальсовы силы.
Все перечисленные связи – нековалентные. Наряду с ними в третичной структуре белка могут образовываться более прочные ковалентные связи – ДИСУЛЬФИДНЫЕ (мостики); они образуются за счёт соединения атомов серы двух радикалов цистеина –SH + HS– ; –S–S– ). Например, дисульфидные мостики есть в молекуле инсулина.
В белках мембран среди липидов гидрофобные радикалы наоборот оказываются «снаружи», примыкают к молекулам липидов.
Типы третичной структуры – глобулярный и фибриллярный.
Молекула белка с третичной структурой может иметь вид шарика, и поэтому называться ГЛОБУЛОЙ, а такой тип третичной структуры называется глобулярным. Примеры белков с глобулярным типом третичной структуры – миоглобин, субъединицы гемоглобина, ферменты.
Молекула белка с третичной структурой может иметь вид нити (быть вытянутой), и поэтому называться ФИБРИЛЛОЙ, а такой тип третичной структуры называется фибриллярным. Примеры белков с фибриллярным типом третичной структуры – кератин, коллаген (структурные белки).
Тип третичной структуры – один из поводов для классификации белков.
58.3 Образование АКТИВНЫХ ЦЕНТРОВ белков. (См. также п.4-8 про ферменты.)
Кратко: активный центр – это участок, который выполняет работу белка.
Активный центр (белковой молекулы) – это участок молекулы белка, способный СВЯЗЫВАТЬ
определённое вещество (которое называется ЛИГАНДОМ) и осуществлять после этого определённое действие:
например, превращать в другое вещество (если белок является ферментом, а связываемое вещество – лигандом этого фермента),
или передавать сигнал от этого вещества (если белок является рецептором связанного им гормона – см. 92),
или переносить через мембрану (если это активный центр белка-транспортёра),
или транспортировать вещество с током крови (если это активный центр транспортного белка плазмы) и т.д.
(состав активного центра:)
В состав активного центра обычно входит 3-4 РАДИКАЛА полипептидной цепи.
В первичной структуре эти радикалы находятся далеко друг от друга (например, их порядковые номера 27, 68 и 91) и поэтому не могут работать как активный центр.
Но при образовании глобулы (то есть в третичной структуре) эти радикалы оказываются рядом
и к тому же ориентированы определённым образом относительно друг друга,
что и формирует уникальный участок с «поверхностью» строго определённого размера, ФОРМЫ, с определённым расположением ЗАРЯДОВ и со строго определёнными функциональными группами, которые и участвуют в связывании вещества (лиганда).
Связываемые в активных центрах вещества.
В активном центре связываются (и подвергаются определённому воздействию белка) только те вещества (лиганды), которые соответствуют уникальным свойствам активного центра, то есть соответствуют ему по размеру, по форме, по расположению зарядов.
Это соответствие свойств активного центра и лиганда называется КОМПЛЕМЕНТАРНОСТЬЮ активного центра и лиганда. А принцип, согласно которому в активном центре связываются только соответствующие его свойствам (комплементарные ему) вещества (лиганды), называется ПРИНЦИПОМ КОМПЛЕМЕНТАРНОСТИ. Благодаря комплементарности связывание лигандов в активных центрах специфично.
О лигандах. Лиганд – это связываемое белком вещество. Связывание лиганда происходит по принципу комплементарности в активном центре или другом определённом участке молеулы . То есть лигандом может быть только вещество, которое комплементарно участку молекулы белка. Кроме активного центра, лиганды могут связываться в регуляторных участках молекулы белка. Регуляторные участки подобны активным центрам, но, в отличие от активных центров, связывание в них нужно для регуляции активности белка.
58.4. КОНФОРМАЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ при функционировании белков.
Определённая конформация молекулы белка является результатом взаимодействий разных атомов, групп и участков ППЦ между собой и с окружающей средой (водной или липидной). Но она не является неизменной. Конформация молекулы белка может измениться, если на неё повлияет новый фактор или факторы. Например, если изменится кислотность среды (рН) или если к молекуле белка присоединится другое вещество (например, фосфатная группа), или если от ППЦ отщепится участок (пептид). Тогда конформация меняется.
При изменении конформации молекулы белка может измениться и тот участок, который является активным центром молекулы – расположение радикалов, которые образовывали активный центр, может измениться так, что активный центр может исчезнуть (радикалы могут отдалиться друг от друга или изменить взаимное расположение относительно друг друга), а исчезновение активного центра приводит к исчезновению способности белка осуществлять свою специфическую функцию, то есть к потере активности этой молекулы белка.
Если исходные условия восстановятся, то конформация молекулы белка может вернуться к исходному состоянию, в котором есть активный центр – тогда активность белка возвращается.
Один из самых распространённых способов изменить конформацию и активность молекул белков – это присоединение и отщепление фосфатной группы. Эти реакции осуществляются под действием ферментов протеинкиназ и протеинфосфатаз (активность которых, в свою очередь, регулируется гормонами).
Присоединение фосфата меняет конформацию белковой молекулы потому, что фосфат имеет отрицательный заряд; присоединие фосфата приводит к тому, что к его отрицательному заряду притягиваются положительно заряженные радикалы, а отрицательно заряженные радикалы отталкиваются от отрицательного заряда фосфата.
Кратко – изменение конформации белка приводит к изменению активности белка (так как приводит к исчезновению или к появлению активного центра). Причиной изменений конформации белка является изменение условий среды, в которой находится белок, или изменение химического состава белка.
58.5. Денатурация. См. параграф 3.
Это потеря активности белка в результате разрушения третичной (или четвертичной) структуры. При этом ППЦ не разрушается, первичная структура сохраняется.
Почему происходит потеря активности – потому что при разрушении третичной структуры исчезают активные центры – из-за того, что отдаляются друг от друга РАДИКАЛЫ, формировавшие активный центр.
Под действием чего происходит денатурация и почему? – Под действием факторов, которые называют денатураторами. Примеры денатураторов:
ВЫСОКАЯ ТЕМПЕРАТУРА (нагревание; повышение температуры тела выше 37 градусов),
повышение или ПОНИЖЕНИЕ рН в результате появления кислот или щелочей (отклонение от оптимального для данного белка рН, который для большинства белков – около 7),
определённые излучения (например, РАДИАЦИЯ), определённые химические вещества, особенно гидрофобные, растворители и т.д.
Все денатураторы (например, высокая температура) ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫ для организма именно потому, что приводят к потере активности белков, что приводит к нарушению процессов в организме и гибели клеток.
При исчезновении денатурирующего фактора ППЦ иногда могут снова сформировать третичную структуру, что может привести к возвращению активности белка.

Лиганд — это обязательный компонент сложных белков

У сложных белков, кроме белковой цепи, имеется дополнительная небелковая группа — лиганд (лат. ligo — связываю), то есть молекула, связанная с белком. В случае если лиганд несет структурную и/или функциональную нагрузку, он называется простетической группой.

В роли лиганда могут выступать любые молекулы:

  • молекулы, выполняющие в белке структурную функцию – липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты, минеральные элементы, какие-либо другие органические соединения: гем в гемоглобине, углеводы в гликопротеинах, ДНК и РНК в нуклеопротеинах, медь в церулоплазмине,
  • переносимые белками молекулы: железо в трансферрине, гемоглобин в гаптоглобине, гем в гемопексине,
  • субстраты для ферментов – любые молекулы и даже другие белки.

Узнавание лиганда обеспечивается:

  • комплементарностью структуры центра связывания белка структуре лиганда, иначе говоря, пространственным и химическим соответствием белка и лиганда. Они подходят друг к другу как ключ к замку, например, соответствие фермента и субстрата,
  • иногда узнавание может зависеть от реакционной способности атома, к которому присоединяется лиганд. Например, связывание кислорода железом гемоглобина, или жирной кислоты с альбумином.

Функции лиганда в составе сложного белка разнообразны:

  • изменяет свойства белков (заряд, растворимость, термолабильность), например, фосфорная кислота в фосфопротеинах или остатки моносахаридов в гликопротеинах,
  • защищает белок от протеолиза вне и внутри клетки, например углеводная часть в гликопротеинах,
  • в виде лиганда обеспечивается транспорт нерастворимых в воде соединений, например, перенос жиров липопротеинами,
  • придает биологическую активность и определяет функцию белка, например, нуклеиновая кислота в нуклеопротеинах, гем в гемоглобине, углевод в рецепторных белках,
  • влияет на проникновение через мембраны, внутриклеточную миграцию, сортировку и секрецию белков. Такую функцию выполняет, как правило, углеводный остаток.

7.Активный центр белков и его специфическое взаимодействие с лигандом как основа биологической функции белков. Комплементарность взаимодействующих белков с лигандом. Обратимость связывания.

  • •3. Аминокислоты, входящие в состав белков, их строение и свойства. Пептиды.
  • •5.Конформация петидных цепей в белках (вторичная структура). Типы химических связей, участвующих в формировании вторичной структуры. Супервторичные структуры.
  • •7.Активный центр белков и его специфическое взаимодействие с лигандом как основа биологической функции белков. Комплементарность взаимодействующих белков с лигандом. Обратимость связывания.
  • •9.Физико-химические свойства белков. Молекулярная масса, размеры и форма, растворимость, ионизация и гидратация.
  • •1. Различия белков по форме молекул
  • •2. Различия белков по молекулярной массе
  • •3. Суммарный заряд белков
  • •4. Соотношение полярных и неполярных групп на поверхности нативных молекул белков
  • •5. Растворимость белков
  • •1. Методы разрушения тканей и экстракции белков
  • •2. Методы очистки белков
  • •3. Очистка белков от низкомолекулярных примесей
  • •11.Конформационная лабильность белков. Денатурация, признаки и факторы ее вызывающие. Защита от денатурации специализированными белками теплового шока (шаперонами).
  • •12. Принципы классификации белков. Классификация по составу и биологическим функциям, примеры представителей отдельных классов.
  • •13. Иммуноглобулины, классы иммуноглобулинов, особенности строения и функционирования.
  • •14. Ферменты, определение. Особенности ферментативного катализа. Специфичность действия ферментов, виды. Классификация и номенклатура ферментов, примеры.
  • •1. Оксидоредукпшзы
  • •2.Трансферты
  • •V. Механизм действия ферментов
  • •1. Формирование фермент-субстратного комплекса
  • •3. Роль активного центра в ферментативном катализе
  • •1. Кислотно-основной катализ
  • •2. Ковалентный катализ
  • •16. Кинетика ферментативных реакций. Зависимость скорости ферментативных реакций от температуры, рН среды, концентрации фермента и субстрата. Уравнение Михаэлиса-Ментен, Кm.
  • •17. Кофакторы ферментов: ионы металлов их роль в ферментативном катализе. Коферменты как производные витаминов. Коферментные функции витаминов в6, рр и в2 на примере трансаминаз и дегидрогеназ.
  • •1. Роль металлов в присоединении субстрата в активном центре фермента
  • •2. Роль металлов в стабилизации третичной и четвертичной структуры фермента
  • •3. Роль металлов в ферментативном катализе
  • •4. Роль металлов в регуляции активности ферментов
  • •1. Механизм «пинг-понг»
  • •2. Последовательный механизм
  • •18. Ингибирование ферментов: обратимое и необратимое; конкурентное и неконкурентное. Лекарственные препараты как ингибиторы ферментов.
  • •1. Конкурентное ингибирование
  • •2. Неконкурентное ингибирование
  • •1. Специфические и неспецифические ингибиторы
  • •2. Необратимые ингибиторы ферментов как лекарственные препараты
  • •20. Регуляция каталитической активности ферментов ковалентной модификацией путем фосфорилирования и дефосфорилирования.
  • •21. Ассоциация и диссоциация протомеров на примере протеинкиназы а и ограниченный протеолиз при активации протеолитических ферментов как способы регуляции каталитической активности ферментов.
  • •22. Изоферменты, их происхождение, биологическое значение, привести примеры. Определение ферментов и изоферментного спектра плазмы крови с целью диагностики болезней.
  • •23. Энзимопатии наследственные (фенилкетонурия) и приобретенные (цинга). Применение ферментов для лечения болезней.
  • •24. Общая схема синтеза и распада пиримидиновых нуклеотидов. Регуляция. Оротацидурия.
  • •25. Общая схема синтеза и распада пуриновых нуклеотидов. Регуляция. Подагра.
  • •27. Азотистые основания, входящие в структуру нуклеиновых кислот – пуриновые и пиримидиновые. Нуклеотиды, содержащие рибозу и дезоксирибозу. Структура. Номенклатура.
  • •28. Первичная структура нуклеиновых кислот. Днк и рнк–черты сходства и различия состава, локализации в клетке, функции.
  • •29. Вторичная структура днк (модель Уотсона и Крика). Связи, стабилизирующие вторичную структуру днк. Комплементарность. Правило Чаргаффа. Полярность. Антипараллельность.
  • •30. Гибридизация нуклеиновых кислот. Денатурация и ренативация днк. Гибридизация (днк-днк, днк-рнк). Методы лабораторной диагностики, основанные на гибридизации нуклеиновых кислот.
  • •32. Репликация. Принципы репликации днк. Стадии репликации. Инициация. Белки и ферменты, принимающие участие в формировании репликативной вилки.
  • •33. Элонгация и терминация репликации. Ферменты. Асимметричный синтез днк. Фрагменты Оказаки. Роль днк-лигазы в формировании непрерывной и отстающей цепи.
  • •34. Повреждения и репарация днк. Виды повреждений. Способы репарации. Дефекты репарационных систем и наследственные болезни.
  • •35. Транскрипция Характеристика компонентов системы синтеза рнк. Структура днк-зависимой рнк-полимеразы: роль субъединиц (α2ββ′δ). Инициация процесса. Элонгация, терминация транскрипции.
  • •36. Первичный транскрипт и его процессинг. Рибозимы как пример каталитической активности нуклеиновых кислот. Биороль.
  • •37. Регуляция транскрипции у прокариот. Теория оперона, регуляция по типу индукции и репрессии (примеры).
  • •1. Теория оперона
  • •2. Индукция синтеза белков. Lac-оперон
  • •3. Репрессия синтеза белков. Триптофановый и гистидиновый опероны
  • •39. Сборка полипептидной цепи на рибосоме. Образование инициаторного комплекса. Элонгация: образование пептидной связи (реакция транспептидации). Транслокация. Транслоказа. Терминация.
  • •1. Инициация
  • •2. Элонгация
  • •3. Терминация
  • •41. Фолдинг белков. Ферменты. Роль шаперонов в фолдинге белка. Фолдинг белковой молекулы с помощью шаперониновой системы. Болезни, связанные с нарушением фолдинга белка – прионовые болезни.
  • •42. Особенности синтеза и процессинга секретируемых белков (на примере коллагена и инсулина).
  • •43. Биохимия питания. Основные компоненты пищи человека, их биороль, суточная потребность в них. Незаменимые компоненты пищи.
  • •44. Белковое питание. Биологическая ценность белков. Азотистый баланс. Полноценность белкового питания, нормы белка в питании, белковая недостаточность.
  • •45. Переваривание белков: протеазы жкт, их активация и специфичность, оптимум рН и результат действия. Образование и роль соляной кислоты в желудке. Защита клеток от действия протеаз.
  • •1. Образование и роль соляной кислоты
  • •2.Механизм активации пепсина
  • •3.Возрастные особенности переваривания белков в желудке
  • •1. Активация панкреатических ферментов
  • •2. Специфичность действия протеаз
  • •47. Витамины. Классификация, номенклатура. Провитамины. Гипо-, гипер- и авитаминозы, причины возникновения. Витаминзависимые и витаминрезистентные состояния.
  • •48. Минеральные вещества пищи, макро- и микроэлементы, биологическая роль. Региональные патологии, связанные с недостатком микроэлементов.
  • •3. Жидкостностъ мембран
  • •1. Структура и свойства липидов мембран
  • •51. Механизмы переноса веществ через мембраны: простая диффузия, пассивный симпорт и антипорт, активный транспорт, регулируемые каналы. Мембранные рецепторы.
  • •1. Первично-активный транспорт
  • •2. Вторично-активный транспорт
  • •Мембранные рецепторы
  • •52. Эндэргонические и экзэргонические реакции в живой клетке. Макроэргические соединения. Дегидрирование субстратов и окисление водорода как основной источник энергии для синтеза атф.
  • •3.Эндергонические и экзергонические реакции
  • •4. Сопряжение экзергонических и эндергонических процессов в организме
  • •2. Строение атф-синтазы и синтез атф
  • •3.Коэффициент окислительного фосфорилирования
  • •4.Дыхательный контроль
  • •56. Образование активных форм кислорода (синглетный кислород, пероксид водо-рода, гидроксильный радикал, пероксинитрил). Место образования, схемы реакций, их физиологическая роль.
  • •57. Механизм повреждающего действия активных форм кислорода на клетки (пол, окисление белков и нуклеиновых кислот). Примеры реакций.
  • •1) Инициация: образование свободного радикала (l•)
  • •2) Развитие цепи:
  • •3) Разрушение структуры липидов
  • •1. Строение пируватдегидрогеназного комплекса
  • •2. Окислительное декарбоксилирование пирувата
  • •3. Связь окислительного декарбоксилирования пирувата с цпэ
  • •59. Цикл лимонной кислоты: последовательность реакций и характеристика ферментов. Роль цикла в метаболизме.
  • •1. Последовательность реакций цитратного цикла
  • •60. Цикл лимонной кислоты, схема процесса. Связь цикла с целью переноса электронов и протонов. Регуляция цикла лимонной кислоты. Анаболические и анаплеротические функции цитратного цикла.
  • •61. Основные углеводы животных, биологическая роль. Углеводы пищи, переваривание углеводов. Всасывание продуктов переваривания.
  • •Методы определение глюкозы в крови
  • •63. Аэробный гликолиз. Последовательность реакций до образования пирувата (аэробный гликолиз). Физиологическое значение аэробного гликолиза. Использование глюкозы для синтеза жиров.
  • •1. Этапы аэробного гликолиза
  • •64. Анаэробный гликолиз. Реакция гликолитической оксидоредукции; субстратное фосфорилирование. Распространение и физиологическое значение анаэробного распада глюкозы.
  • •1. Реакции анаэробного гликолиза
  • •66. Гликоген, биологическое значение. Биосинтез и мобилизация гликогена. Регуляция синтеза и распада гликогена.
  • •68. Наследственные нарушения обмена моносахаридов и дисахаридов: галактоземия, непереносимость фруктозы и дисахаридов. Гликогенозы и агликогенозы.
  • •2. Агликогенозы
  • •69. Липиды. Общая характеристика. Биологическая роль. Классификация липидов.Высшие жирные кислоты, особенности строения. Полиеновые жирные кислоты. Триацилглицеролы..
  • •72. Депонирование и мобилизация жиров в жировой ткани, физиологическая роль этих процессов. Роль инсулина, адреналина и глюкагона в регуляции метаболизма жира.
  • •73. Распад жирных кислот в клетке. Активация и перенос жирных кислот в митохондрии. Β-окисление жирных кислот, энергетический эффект.
  • •74. Биосинтез жирных кислот. Основные стадии процесса. Регуляция обмена жирных кислот.
  • •2. Регуляция синтеза жирных кислот
  • •75. Кетоновые тела, биосинтез и использование в качестве источников энергии. Причины развития кетонемии и кетонурии при голодании и сахарном диабете.
  • •76. Холестерин. Пути поступления, использования и выведения из организма. Уровень холестерина в сыворотке крови. Биосинтез холестерина, его этапы. Регуляция синтеза.
  • •Фонд холестерола в организме, пути его использования и выведения.
  • •1. Механизм реакции
  • •2. Органоспецифичные аминотрансферазы ант и act
  • •3. Биологическое значение трансаминирования
  • •4. Диагностическое значение определения аминотрансфераз в клинической практике
  • •1. Окислительное дезаминирование
  • •81. Непрямое дезаминирование аминокислот. Схема процесса, субстраты, ферменты, кофакторы.
  • •3. Неокислительное дезамитровате
  • •82. Основные источники аммиака в организме человека. Токсичность аммиака. Роль глутамина и аспарагина в обезвреживании аммиака. Глутаминаза почек, образование и выведение солей аммония.
  • •110. Молекулярная структура миофибрилл. Структура и функция основных белков миофибрилл миозина, актина, тропомиозина, тропонина. Основные белки миофибрилл
  • •111. Биохимические механизмы мышечного сокращения и расслабления. Роль ионов кальция и других ионов в регуляции мышечного сокращения.
  • •114. Энергетический обмен в нервной ткани. Значение аэробного распада глюкозы.
  • •115. Медиаторы нервной системы: ацетилхолин, катехоламины, серотонин, γ-аминомасляная кислота, глицин, глутамат, гистамин. Физиологически активные пептиды мозга.
  • •Рецепторы гистамина

Активный центр белка и взаимодействие его с лигандом

Белковые модули (домены)

Обычно белки, образованные одной полипептидной цепью, представляют собой компактное образование, каждая часть которого не может функционировать и существовать отдельно, сохраняя прежнюю структуру. Однако, в некоторых случаях, при большом содержании аминокислотных остатков (более 200), в трехмерной структуре обнаруживается не одна, а несколько независимых компактных областей одной полипептидной цепи. Эти фрагменты полипептидной цепи, сходные по свойствам с самостоятельными глобулярными белками, называются модулями или доменами. Например, в дегидрогеназах два домена, один связывает НАД+ и этот домен сходен по строению у всех НАД-зависимых дегидрогеназ, а другой домен связывает субстрат и отличается по структуре у разных дегидрогеназ.

Синтаза жирных кислот, представляющая одну полипептидную цепь, имеет 7 доменов, для катализа 7 реакций. Предполагается, что домены синтазы некогда объединились в один белок в результате слияния генов. Соединение модулей (доменов) в один белок способствует быстрому появлению и эволюции новых функциональных белков.

Активный центр белка –это центр связывания белка с лигандом. На поверхности глобулы образуется участок, который может присоединять к себе другие молекулы называемые лигандами. Активный центр белка формируется из боковых групп аминокислот, сближенных на уровне третичной структуры. В линейной последовательности пептидной цепи они могут находиться на расстоянии значительно удаленном друг от друга. Белки проявляют высокую специфичность при взаимодействии с лигандом. Высокая специфичность взаимодействия белка с лигандом обеспечивается комплементарностью структуры активного центра белка структуре лиганда. Комплементарность – это пространственное и химическое соответствие взаимодействующих молекул. Центры связывания белка с лигандом часто располагаются между доменами (например, центр связывания трипсина с его лигандом имеет 2 домена разделенных бороздкой).

В основе функционирования белков лежит их специфическое взаимодействие с лигандами. 50000 индивидуальных белков, содержащих уникальные активные центры, способные связываться только со специфическими лигандами и, благодаря особенностям строения активного центра, проявлять свойственные им функции. Очевидно, в первичной структуре содержится информация о функции белков.

Четвертичная структура — это высший уровень структурной организации, возможный не у всех белков. Под четвертичной структурой понимают способ укладки в пространстве полипептидных цепей и формирование единого в структурном и функциональном отношениях макромолекулярного образования. Каждая отдельно взятая полипептидная цепь, получившая название протомера или субъединицы, чаще всего не обладает биологической активностью. Эту способность белок приобретает при определенном способе пространственного объединения входящих в его состав протомеров. Образовавшуюся молекулу принято называть олигомером (мультимером).

Четвертичную структуру стабилизируют нековалентные связи, которые возникают между контактными площадками протомеров, которые взаимодействуют друг с другом по типу комплементарности.

К белкам, имеющим четвертичную структуру, относятся многие ферменты (лактатдегидрогеназа, глутаматдегидрогеназа и др.), а также гемоглобин, сократительный белок мышц миозин. Одни белки имеют небольшое число субъединиц 2 – 8, другие сотни и даже тысячи субъединиц. Например, белок вируса табачной мозайки имеет 2130 субъединиц.

Типичным примером белка, имеющего четвертичную структуру, является гемоглобин. Молекула гемоглобина состоит из 4 субъединиц, т. е. полипептидных цепей, каждая из которых связана с гемом, из них 2 полипептидные цепи называются -2афьла и -2бета Они различаются первичной структурой и длиной полипептидной цепи.

Связи, образующие четвертичную структуру менее прочные. Под влиянием некоторых агентов происходит разделение белка на отдельные субъединицы. При удалении агента субъединицы могут вновь объединиться и биологическая функция белка восстанавливается. Так при добавлении к раствору гемоглобина мочевины он распадается на 4 составляющие его субъединицы, при удалении мочевины структурная и функциональная роль гемоглобина восстанавливается.

Основы функционирования белков. Активный центр белков и его специфическое взаимоденствие с лигандом как основа биологических функций всех белков

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 62

В первичной структуре белка содержится информация о его биологической Функции. При реализации этой функции белок обязательно взаимодействует с лигандом, в качестве которого могут быть и макромолекулы, и низкомолеку­лярные органические и неорганические вещества. Данное взаимодействие высо­коспецифично и определяется строением активного центра.

Активный центр белка — участок белковой молекулы, состоящий из ради­калов аминокислотных остатков функциональных групп, сближенных при формировании третичной структуры и отвечающих за специфическое взаимодействие с лигандом.

После перемещения лиганда в активный центр между его функциональны­ми группами и радикалами аминокислот активного центра образуются специфи­ческие нековалентные связи (ионные, водородные, гидрофобные) или времен­ные ковалентные. Если лиганд — макромолекула (ДНК, РНК, полисахарид или белок), то активный центр взаимодействует не с целой молекулой, а только с определенным комплементарным участком лиганда

Каждый индивидуальный белок имеет уникальный активный центр, по­зволяющий избирательно связываться со специфическим лигандом и выполнять свою биологическую функцию; в этом состоит основное свойство белков.

Комплементарность взаимодействующих молекул как основа специфичности при связывании белка с лигандом. Обратимость связывания. Ингибиторы белковых функций. Яды и лекарства как ингибиторы белков.

Высокая специфичность взаимодействия данного белка со своим лигандом обеспечивается их пространственным и химическим соответствием — комплементарностью. Для эффективной работы активного центра важны химиче­ские свойства составляющих его аминокислот и их точная взаимоориентация в пространстве. Любые нарушения в общей конформации белка, вызванные то­чечными мутациями в его первичной структуре или изменениями параметров окружающей среды (температура, рН, концентрация солей), приводят к дефор­мации активного центра и нарушению связывания белка с лигандом. Это ведет к частичной или полной утрате белком своей биологической активности.

Обратимость связывания.

Взаимодействие белка с лигандом — процесс обратимый. Скорость взаимо­действия белок — лиганд определяется концентрациями белка и лиганда в рас­творе, а также степенью их комплементарности. Этот процесс характеризуется константой диссоциации и описывается уравнением: P+LóPL

Отношение константы скорости распада комплекса к константе скорости связывания белка с лигандом называется константой диссоциации комплека

Константа диссоциации лиганд-белкового комплекса численно равна той концентрации субстрата, при которой осуществляется 50% оккупация участков связывания.

Кдиcс.= Кр/Кс= (x)/

По величине константы диссоциации можно судить о комплементарности между белком и лигандом: чем меньше Кдисс, тем больше молекул белка связа­но с лигандом, тем выше степень комплементарности.

Ингибиторами функции белка являются молекулы, способные образовы­вать устойчивые комплексы с белком, изменять конформацию белковой моле­кулы и искажать, таким образом, структуру активного центра белка. Измененная конформация активного центра нарушает взаимодействие с лигандом и приво­дит к утрате биологической функции (биологической активности).

Молекула, схожая по структуре с лигандом, называется структурным ана­логом лиганда, она тоже может взаимодействовать с активным центром белка. Аналог, конкурирующий с лигандом за связывание в активном центре и умень­шающий его биологическую активность, называется конкурентным ингибито­ром белка.

Некоторые лекарственные препараты являются аналогами естественных ли-гандов белков. Например, при модификации химической структуры нейромедиатора можно получить вещества, которые также связываются с белком-рецептором, но при этом физиологический эффект усиливается или уменьшает­ся. Такие вещества называются соответственно агонистами и антагонистами.

ПРИМЕР АДРЕНАЛИНА:

В молекуле адреналина связывание с бэта-адренорецептором обеспечивается одно­временно двумя участками — в левой части молекулы структурой катехолового кольца (бензольное кольцо, содержащее 2 гидроксильные группы), а в правой части метильной группой. При взаимодействии с активным центром рецептора адреналин изменяет конформацию рецептора, и эти конформационные измене­ния передаются внутрь клетки, активируя аденилатциклазу. (Кдис=5х10-6)

В молекуле структурного аналога — изопротеринола за счет дополнительной метильной группы повышено гидрофобное взаимодействие с рецептором. Изопро-теринол обладает действием, подобным действию адреналина, однако, его Кдис(0,4х10-6 ) ниже, что отражает более высокую степень комплементарности взаимодействия этого агониста с бэта-адренорецептором, что увеличивает проведение биологиче­ского сигнала через рецептор.

Антагонисты бэта-адренорецепторов характеризуются ещё более высокой комплементарностью взаимодействия с рецептором (их Кдисс очень низкая=0,0034-0,0046х10-6), однако препятствуют действию адреналина (т.е. являются его конкурентными ингиби­торами). Причина этого состоит в отсутствии структуры катехолового кольца у альпренолола и отсутствие двух гидроксильных групп в молекуле пропранолола.

Ингибирующее действие некоторых ядов объясняется их практически не­обратимым связыванием с белками организма. альфа-Нейротоксин яда кобры при поступлении в чужой организм специфически взаимодействует с холинергиче-скими рецепторами постсинаптических мембран и блокирует их работу. D-тубокурарин (яд кураре) является конкурентным ингибитором ацетилхолина при связывании с рецептором.

Четвертичная структура белков. Понятие о мономерной, димерной и олигомерной организации четвертичной структуры белков Особенности строения и функционирования олигомерных белков на примере гемсодержащнх белков — гемоглобина и миоглобина.

Четвертичной структурой белков называют пространственное взаимо­расположение нескольких полипептидных цепей (субъединиц или протомеров), объединенных слабыми (гидрофобными, ионными, водородными) взаимо­действиями. Белки, состоящие из двух и более субъединиц, называются олигомерными. Белковая субъединица — протомер, может состоять как из одной, так и из двух полипептидных цепей.

Число субъединиц в олигомере, как правило, зависит от его функции и варьируется от двух (гексокиназа) до нескольких десятков, а иногда и сотен (пируватдегидрогеназный комплекс состоит из 312 субъединиц). Олигомерные белки могут включать в свой состав:

— одинаковые субъединицы (гексокиназа),

— разные, иногда повторяющиеся, субъединицы (гемоглобин взрослого че­ловека состоит из 2 альфа- и 2 бэта-субъединиц).

При формировании четвертичной структуры строго соблюдается принцип комплементарности — пространственное и химическое соответствие поверхно­стей субъединиц. В процессе образования третичной структуры белка на его по­верхности возникают уникальные контактные участки. Активные группы ради­калов аминокислот на контактирующем участке одной субъединицы образуют слабые химические связи с активными группами радикалов на контактирующем участке другой субъединицы с высокой специфичностью, исключающей ошибки формирования четвертичной структуры.

Date: 2016-05-24; view: 1484; Нарушение авторских прав

Понравилась страница? Лайкни для друзей:

Взаимодействие белков с лигандами

Основным свойством белка, обеспечивающим его функцию, является избирательное взаимодействие с определенным веществом — лигандом.

Лигандами могут быть вещества разной природы, как низкомолекулярные соединения, так и макромолекулы, в том числе и белки. На белковых молекулах есть участки, к которым присоединяется лиганд — центры связывания или активные центры. Центры связывания формируются из аминокислотных остатков, сближенных в результате формирования вторичной и третичной структуры.

Связи между белком и лигандом могут быть нековалентными и ковалентными. Высокая специфичность взаимодействия («узнавания») белка и лиганда обеспечивается комплементарностью структуры центра связывания пространственной структуре лиганда.

Под комплементарностью понимают химическое и пространственное соответствие активного центра белка и лиганда. Взаимодействие между белком Р и лигандом L описывается уравнением:

белок + лиганд↔ белково-лигандный комплекс.

1. Главными физико-химическими свойствами белков являются молекулярная масса, электрический заряд и растворимость в воде. Молекулярная масса белков может значительно варьировать. Например, гормон инсулин имеет молекулярную массу около 6 тыс. Да, а иммуноглобулин М — около 1 млн. Да. Молекулярная масса белка зависит от количества аминокислотных остатков, входящих в его состав, а также массы неаминокислотных компонентов. Масса одного остатка аминокислоты в среднем составляет 110 Да. Таким образом, зная количество остатков аминокислот в белке, можно оценить его молекулярную массу и наоборот (Н.Н.Мушкамбаров, 1995). Электрический заряд белка определяется соотношением положительно и отрицательно заряженных групп на поверхности его молекулы. Заряд белковой частицы зависит от рН среды. Для характеристики белка используют понятие «изоэлектрическая точка». Изоэлектрическая точка (pI) — значение pH среды, при котором суммарный заряд белковой частицы равен нулю. В изоэлектрической точке белки наименее устойчивы в растворе и легко выпадают в осадок. Величина pI зависит от соотношения кислых и основных аминокислот в белке. Для белков и пептидов с преобладанием кислых аминокислот (отрицательно заряженных при pH 7,0) значение pI находится в кислой среде; для белков и пептидов с преобладанием основных аминокислот (положительно заряженных при pH 7,0) значение pI находится в кислой среде. Изоэлектрическая точка — характерная константа белков, её значение для большинства белков животных тканей лежит в пределах от 5,5 до 7,0, что свидетельствует о преобладании в их составе кислых аминокислот. Однако в природе имеются белки, у которых значение изоэлектрической точки лежит при крайних значениях pH среды. В частности, величина pI пепсина (фермента желудочного сока) равна 1, в лизоцима (фермента, расщепляющего клеточную стенку микроорганизмов) — около 11. Значения молекулярной массы и изоэлектрической точки некоторых белков приведены в таблице 1.4. Таблица 1.4 Некоторые константы белков плазмы крови и тканей

Белок Молекулярная масса, Да Изоэлектрическая точка
Альбумин сывороточный 66 000 4.9
Альбумин яичный 45 000 4.6
α-Амилаза 50 000 5.3
Гаптоглобин 85 000 4.2
Гемоглобин 65 000 6.8
Гистоны 15 000 10.8
Иммуноглобулин А 150 000 7.3
Иммуноглобулин G 150 000 5.8
Иммуноглобулин М 950 000 6.6
Инсулин 5 780 5.35
Карбоксипептидаза 34 400 6.0
Каталаза 245 000 5.6
β-Лактоглобулин 37 100 5.2
Лизоцим 14 000 11.0
α2-Макроглобулин 820 000 5.4
Миоглобин 16 000 7.0
Орозомукоид 41 000 2.8
Пепсин 35 000 1.0
Рибонуклеаза 13 700 7.8
Трансферрин 88 000 5.4
Трипсиноген 24 000 9.3
Уреаза 480 000 5.0
Фибриноген 340 000 5.8
Химотрипсиноген 25 700 9.5
Церулоплазмин 151 000 4.4
Цитохром с 12 400 10.7

Растворимость белков в воде. Из курса биофизической химии известно, что белки как высокомолекулярные соединения образуют коллоидные растворы. Стабильность растворов белков в воде определяется следующими факторами:

  • величиной коллоидных частиц – чем они меньше, тем устойчивей раствор;
  • величиной заряда частиц – чем больше заряд частицы, тем стабильнее раствор;
  • величиной гидратной (сольватной) оболочки – чем больше сольватационной воды содержит коллоид, тем он устойчивее.

Имейте в виду, что под действием различных физических и химических факторов может происходить осаждение белков из коллоидных растворов. Различают:

  • обратимые реакции осаждения (высаливание), когда осадок белка можно вновь растворить в воде с восстановлением его исходных физико-химических и биологических свойств;
  • необратимые реакции осаждения под действием факторов, вызывающих грубые нарушения структурной организации белковой молекулы (денатурацию).

Заметьте, что в основе реакций осаждения белков могут лежать следующие механизмы:

  • нейтрализация электрического заряда – при добавлении электролитов (кислот, щелочей, солей);
  • разрушение гидратной оболочки – при добавлении водоотнимающих веществ (спирта, ацетона, концентрированных растворов электролитов) и при нагревании;
  • увеличение размеров коллоидных частиц – под действием факторов, вызывающих денатурацию белка.

Чаще всего для действия факторов, вызывающих осаждение белков, характерно сочетание двух или всех трёх перечисленных механизмов.

Биологическая активность. В основе функционирования любого белка лежит его способность к избирательному взаимодействию со строго определёнными молекулами или ионами — лигандами. Например, для ферментов, катализирующих химические реакции, лигандами будут вещества, участвующие в этих реакциях (субстраты), а также кофакторы, активаторы и ингибиторы. Для транспортных белков лигандами являются транспортируемые вещества и т.д.

Лиганд способен взаимодействовать с определённым участком белковой молекулы — центром связывания или активным центром. Этот центр формируется пространственно сближенными радикалами аминокислот на уровне третичной структуры белка. Способность лиганда взаимодействовать с центром связывания обусловлена их комплементарностью, то есть взаимным дополнением их пространственной структуры (подобно взаимодействию «ключ — замок»). Между функциональными группами лиганда и центра связывания образуются нековалентные (водородные, ионные, гидрофобные) связи. Комплементарностью лиганда и центра связывания можно объяснить высокую специфичность (избирательность) взаимодействия белок — лиганд.

Итак, различные белки отличаются друг от друга по своим физико-химическим свойствам и биологической активности. На этих различиях основаны методы разделения белковых смесей на фракции и выделения отдельных ферментных белков. Данные методы широко используются в медицинской биохимии и биотехнологии.

2. Денатурация белков – это изменение нативных (природных) физико-химических и, главное, биологических свойств белка вследствие нарушения его четвертичной, третичной и даже вторичной структуры. Денатурацию белка могут вызвать:

  • температура выше 60°С;
  • ионизирующая радиация;
  • концентрированные кислоты и щёлочи;
  • соли тяжёлых металлов (ртути, свинца, кадмия);
  • органические соединения (спирты, фенолы, кетоны).

Для денатурированных белков характерно:

  • изменение конформации молекулы;
  • уменьшение растворимости в воде;
  • изменение заряда молекулы;
  • меньшая устойчивость к действию протеолитических ферментов;
  • потеря биологической активности. Это можно объяснить разрушением нативной третичной структуры белка, на уровне которой формируется центр связывания лигандов.

Обратите внимание, что при определённых условиях возможно восстановление исходной (нативной) конформации белка после удаления фактора, вызвавшего денатурацию. Этот процесс получил название ренативации.

Запомните некоторые примеры использования процесса денатурации белков в медицине:

  • для осаждения белков плазмы крови при определении содержания небелковых веществ в крови;
  • при проведении дезинфекции и санитарной обработки;
  • при лечении и профилактике отравлений солями тяжёлых металлов (в качестве противоядия применяют молоко или яичный белок);
  • для получения лекарственных веществ белковой природы (используется денатурация в мягких условиях с последующей ренативацией).

4 (1). Гемоглобин — аллостерический белок. Конформационные изменения молекулы гемоглобина. Кооперативный эффект. Регуляторы сродства гемоглобина к кислороду. Структурные и функциональные различия миоглобина и гемоглобина.

Гемоглобин: аллостерический белок
Переход в процессе эволюции от мономерного миоглобина к тетрамерному гемоглобину сопровождался появлением новых свойств. Молекула гемоглобина значительно сложнее, чем молекула миоглобина. Прежде всего гемоглобин помимо 02 транспортирует Н+ и С02. Во-вторых, связывание кислорода гемоглобином регулируется специфическими компонентами внутренней среды, а именно Н + , С02 и органическими фосфорными соединениями. Эти регуляторы оказывают сильнейшее влияние на способность гемоглобина связывать кислород, несмотря на то что они присоединяются к белку в участках, отстоящих далеко от гема. Вообще так называемое аллостериче-ское взаимодействие, т.е. взаимодействие между пространственно разделенными участками, имеет место во многих белках. Аллостерические эффекты играют важнейшую роль в регуляции и интеграции молекулярных процессов в биологических системах. Гемоглобин является наиболее изученным аллостерическим белком, и потому имеет смысл более подробно рассмотреть его структуру и функцию.

КОНФОРМАЦИОННЫМИ ИЗМЕНЕНИЯМИ В ГЕМОГЛОБИНЕ

Связывание кислорода сопровождается разрывом солевых

связей, образованных концевыми карбоксильными группами

субъединиц (рис.7) Это облегчает связывание следующих молекул

кислорода, поскольку при этом требуется разрыв меньшего числа

солевых связей. Указанные изменения заметно влияют на

вторичную, третичную и особенно четвертичную структуру

гемоглобина. При этом одна А/В-пара субъединиц поворачивается

относительно другой А/В-пары, что приводит к компактизации

тетрамера и повышению сродства гемов к кислороду (рис. 8 и 9).

КОНФОРМАЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В ОКРУЖЕНИЕ ГЕМОГРУППЫ

Оксигенирование гемоглобина сопровождается структурными

изменениями в окружении гемогруппы. При оксигенировании атом

железа, который в дезоксигемоглобине выступал на 0,06 нм из

плоскости гемового кольца, втягивает в эту плоскость (рис.

10). Вслед за атомом железа ближе к гему перемещается

проксимальный гистидин (F8), а также связанные с ним соседние

остатки.

Молекула гемоглобина может находиться в двух формах — напряженной и расслабленной. Расслабленная форма гемоглобина имеет свойство насыщаться кислородом в 70 раз быстрее, чем напряженная. Изменение фракций напряженной и расслабленной формы в общем количестве гемоглобина в крови обусловливает S-образный вид кривой диссоциации оксигемоглобина, а следовательно, так называемое сродство гемоглобина к кислороду. Если вероятность перехода от напряженной формы гемоглобина к расслабленной больше, то возрастает сродство гемоглобина к кислороду, и наоборот. Вероятность образования указанных фракций гемоглобина изменяется в большую или меньшую сторону под влиянием нескольких факторов. Основной фактор — это связывание кислорода с геминовой фуппой молекулы гемоглобина. При этом чем больше геминовых фупп гемоглобина связывают кислород в эритроцитах, тем более легким становится переход молекулы гемоглобина к расслабленной форме и тем выше их сродство к кислороду. Поэтому при низком Р02, что имеет место в метаболически активных тканях, сродство гемоглобина к кислороду ниже, а при высоком Р02 — выше. Как только гемоглобин захватывает кислород, повышается его сродство к кислороду и молекула гемоглобина становится насыщенной при связывании с четырьмя молекулами кислорода. Когда эритроциты, содержащие гемоглобин, достигают тканей, то кислород из эритроцитов диффундирует в клетки. В мышцах он поступает в своеобразного депо кислорода — в молекулы миоглобина, из которого кислород используется в биологическом окислении мышц. Диффузия кислорода из гемоглобина эритроцитов в ткани обусловлена низким Р02 в тканях — 35 мм рт. ст. Внутри клеток тканей напряжение кислорода, необходимое для поддержания нормального метаболизма, составляет еще меньшую величину — не более 1 кПа. Поэтому кислород путем диффузии из капилляров достигает метаболически активных клеток. Некоторые ткани приспособлены к низкому содержанию Р02 в капиллярах крови, что компенсируется высокой плотностью капилляров на единицу объема тканей. Например, в скелетной и сердечной мышцах Р02 в капиллярах может снизиться чрезвычайно быстро во время сокращения. В мышечных клетках содержится белок миоглобин, который имеет более высокое сродство к кислороду, чем гемоглобин. Миоглобин интенсивно насыщается кислородом и способствует его диффузии из крови в скелетную и сердечную мышцы, где он обусловливает процессы биологического окисления. Эти ткани способны экстрагировать до 70 % кислорода из крови, проходящей через них, что обусловлено снижением сродства гемоглобина к кислороду под влиянием температуры тканей и рН. Эффект рН и температуры на сродство гемоглобина к кислороду. Молекулы гемоглобина способны реагировать с ионами водорода, в результате этой реакции происходит снижение сродства гемоглобина к кислороду. При насыщении гемоглобина менее 100 % низкое рН понижает связывание кислорода с гемоглобином — кривая диссоциации оксигемоглобина смещается вправо по оси х. Это изменение свойства гемоглобина под влиянием ионов водорода называется эффектом Бора. Метаболически активные ткани продуцируют кислоты, такую как молочная, и С02. Если рН плазмы крови снижается от 7,4 в норме до 7,2, что имеет место при сокращении мыщц, то концентрация кислорода в ней будет возрастать вследствие эффекта Бора. Например, при постоянном рН 7,4 кровь отдавала бы порядка 45 % кислорода, т. е. насыщение гемоглобина кислородом снижалось до 55 %. Однако когда рН снижается до 7,2, кривая диссоциации смещается по оси х вправо. В результате насыщение гемоглобина кислородом падает до 40 %, т. е. кровь может отдавать в тканях до 60 % кислорода, что на 1/з больше, чем при постоянном рН. Метаболически активные ткани повышают продукцию тепла. Повышение температуры тканей при физической работе изменяет соотношение фракций гемоглобина в эритроцитах и вызывает смещение кривой диссоциации оксигемоглобина вправо вдоль оси х. В результате большее количество кислорода будет освобождаться из гемоглобина эритроцитов и поступать в ткани. Эффект 2,3-дифосфоглицерата (2,3-ДФГ) на сродство гемоглобина к кислороду. При некоторых физиологических состояниях, например при понижении Р02 в крови ниже нормы (гипоксия) в результате пребывания человека на большой высоте над уровнем моря, снабжение тканей кислородом становится недостаточным. При гипоксии может понижаться сродство гемоглобина к кислороду вследствие увеличения содержания в эритроцитах 2,3-ДФГ. В отличие от эффекта Бора, уменьшение сродства гемоглобина к кислороду под влиянием 2,3-ДФГ не является обратимым в капиллярах легких. Однако при движении крови через капилляры легких эффект 2,3-ДФГ на снижение образования оксигемоглобина в эритроцитах (плоская часть кривой диссоциации оксигемоглобина) выражен в меньшей степени, чем отдача кислорода под влиянием 2,3-ДФГ в тканях (наклонная часть кривой), что обусловливает нормальное кислородное снабжение тканей

Нативная трехмерная структура устанавливается в результате действия целого ряда энергетических и энтропийных факторов. Изменение конформационного состояния молекулы белка за счет различных внешних воздействий (рН, температура, ионный состав) отражается и на его функциональной активности. Конформационные перестройки происходят весьма быстро. На первых стадиях они носят локальный микроконформационный характер, вызывая смещения лишь отдельных атомных групп. Распространение таких локальных смещений на остальные области макромолекулярной структуры приведет уже к общему конформационному изменению молекулы биополимера.

Миоглобин — состоит из одной полипептидной цепи, включающей 153 аминокислотных остатка, и одной железопорфириновой группы (гем) на молекулу. Миоглобин относится к гемопротеинам, могущим обратимо связывать кислород; в клетках скелетной мышцы он ответствен за резервирование кислорода, а также за увеличение скорости его диффузии через клетки. Филогенетически миоглобин — предшественник гемоглобина. Молекула не содержит дисульфидиых связей и характеризуется a-спиральностью на 77%. Гем, ответственный за связывание кислорода, находится в «гидрофобном кармане», образованном особыми, для этого предназначенными аминокислотами. Гем представляет собой макроцикл протопорфирина с координационно связанным ионом двухвалентного железа, находящимся в центре молекулы. Такая пространственная фиксация гема делает возможным связывание молекулы кислорода в качестве шестого лиганда.

Гемоглобин — «дыхательный» белок крови. Он осуществляет транспорт кислорода по кровеносной системе легких к другим органам и центрам потребления. Молекула гемоглобина состоит из четырех попарно идентичных полипептидных цепей, каждая из которых несет гем. Полипептидные цепи гемоглобина называют a и b,а симметричное строение молекулы записывают как a2b2.Образование четвертичной структуры осуществляется путем гидрофобных взаимодействий между отдельными полипептидными цепями. При присоединении кислорода к гему образуется оксигемоглобин, четвертичная структура которого лишь незначительно отличается от неоксигенированной формы.

Присоединение кислорода индуцирует ряд конформационных изменений в молекуле НЬ. Связывание кислорода с переводом иона Fe2+ в низкоспиновое состояние сопровождается одновременным смещением железа в плоскость гемовой группы. Происходит поэтапный разрыв солевых мостиков между a-субъединицами. Расстояние между гемами a—субъединиц увеличивается, а между гемами b-субъединиц сокращается. В целом оксигенация переводит каждую из субъединиц из дезокси- и оксиконформацию. Разрыв четырех солевых мостиков из шести при оксигенации первых двух a-субъединиц способствует разрыву двух остальных мостиков и, следовательно, облегчает присоединение следующих молекул кислорода к остальным субъединицам, увеличивая сродство их к кислороду в несколько сотен раз. В этом и состоит кооперативный характере присоединения.

5 (1). Первичная и вторичная структуры ДНК. Правила Чаргаффа. Принцип комплементарности. Типы связей в молекуле ДНК. Биологическая роль ДНК. Молекулярные болезни — следствие генных мутаций.

Первичная структура ДНК -порядок чередования дезоксирибонуклеозидмонофосфатов (дНМФ) в полинукпеотидной цепи.

Каждая фосфатная группа в полинукпеотидной цепи, за исключением фосфорного остатка на 5′-конце молекулы, участвует в образовании двух эфирных связей с участием 3′- и 5′-углеродных атомов двух соседних дезоксирибоз, поэтому связь между мономерами обозначают 3′, 5′-фосфодиэфирной.

В каждом мономере нуклеиновой кислоты присутствует остаток фосфорной кислоты. При рН 7 фосфатная группа полностью ионизирована, поэтому in vivo нуклеиновые кислоты существуют в виде полианионов (имеют множественный отрицательный заряд). Остатки пентоз тоже проявляют гидрофильные свойства. Азотистые основания почти нерастворимы в воде, но некоторые атомы пуринового и пиримидинового циклов способны образовывать водородные связи.

Вторичная структура ДНК.В 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком была предложена модель пространственной структуры ДНК. Согласно этой модели, молекула ДНК имеет форму спирали, образованную двумя полинуклеотидными цепями, закрученными относительно друг друга и вокруг общей оси. Двойная спираль правозакрученная,полинуклеотидньхе цепи в ней антипараллельны(рис. 4-6), т.е. если одна из них ориентирована в направлении 3’→5′, то вторая — в направлении 5’→3′. Поэтому на каждом из концов

Рис. 4-6. Двойная спираль ДНК. Молекулы ДНК состоят из двух антипараллельных цепей с комплементарной последовательностью нукпеотидов. Цепи закручены относительно друг друга в правозакрученную спираль так, что на один виток приходится примерно 10 пар нуклеотидов.

молекулы ДНК расположены 5′-конец одной цепи и 3′-конец другой цепи.

Все основания цепей ДНК расположены внутри двойной спирали, а пентозофосфатный остов — снаружи. Полинуклеотидные цепи удерживаются относительно друг друга за счёт водородных связей между комплементарными пуриновыми и пиримидиновыми азотистыми основаниями А и Т (две связи) и между G и С (три связи) (рис. 4-7). При таком сочетании каждая

Рис. 4-7. Пурин-пиримидиновые пары оснований в ДНК.

пара содержит по три кольца, поэтому общий размер этих пар оснований одинаков по всей длине молекулы. Водородные связи при других сочетаниях оснований в паре возможны, но они значительно слабее. Последовательность нуклеотидов одной цепи полностью комплементарна последовательности нуклеотидов второй цепи. Поэтому, согласно правилу Чаргаффа (Эрвин Чаргафф в 1951 г. установил закономерности в соотношении пуриновых и пиримидиновых оснований в молекуле ДНК), число пуриновых оснований (А + G) равно числу пиримидиновых оснований (Т + С).

Комплементарые основания уложены в стопку в сердцевине спирали. Между основаниями двухцепочечной молекулы в стопке возникают гидрофобные взаимодействия,стабилизирующие двойную спираль.

Такая структура исключает контакт азотистых остатков с водой, но стопка оснований не может быть абсолютно вертикальной. Пары оснований слегка смещены относительно друг друга. В образованной структуре различают две бороздки — большую, шириной 2,2 нм, и малую, шириной 1,2 нм. Азотистые основания в области большой и малой бороздок взаимодействуют со специфическими белками, участвующими в организации структуры хроматина.

Пра́вила Ча́ргаффа — система эмпирически выявленных правил, описывающих количественные соотношения между различными типами азотистых оснований в ДНК. Были сформулированы в результате работы группы биохимика Эрвина Чаргаффа в 1949—1951 гг.

До работ группы Чаргаффа господствовала так называемая «тетрануклеотидная» теория, согласно которой ДНК состоит из повторяющихся блоков по четыре разных азотистых основания (аденин, тимин, гуанин и цитозин). Чаргаффу и сотрудникам удалось разделить нуклеотиды ДНК при помощи бумажной хроматографии и определить точные количественные соотношения нуклеотидов разных типов. Они значительно отличались от эквимолярных, которых можно было бы ожидать, если бы все четыре основания были представлены в равных пропорциях. Соотношения, выявленные Чаргаффом для аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г) и цитозина (Ц), оказались следующими:

1. Количество аденина равно количеству тимина, а гуанина — цитозину: А=Т, Г=Ц.

2. Количество пуринов равно количеству пиримидинов: А+Г=Т+Ц.

3. Количество оснований с аминогруппами в положении 6 равно количеству оснований с кетогруппами в положении 6: А+Ц=Г+Т.

Вместе с тем, соотношение (A+Т):(Г+Ц) может быть различным у ДНК разных видов. У одних преобладают пары АТ, в других — ГЦ.

Правила Чаргаффа, наряду с данными рентгеноструктурного анализа, сыграли решающую роль в расшифровке структуры ДНК Дж. Уотсоном и Фрэнсисом Криком.

Комплемента́рность (в химии, молекулярной биологии и генетике) — взаимное соответствие молекул биополимеров или их фрагментов, обеспечивающее образование связей между пространственно взаимодополняющими (комплементарными) фрагментами молекул или их структурных фрагментов вследствие супрамолекулярных взаимодействий (образование водородных связей, гидрофобных взаимодействий, электростатических взаимодействий заряженных функциональных групп и т. п.).

Взаимодействие комплементарных фрагментов или биополимеров не сопровождается образованием ковалентной химической связи между комплементарными фрагментами, однако из-за пространственного взаимного соответствия комплементарных фрагментов приводит к образованию множества относительно слабых связей (водородных и ван-дер-ваальса) с достаточно большой суммарной энергией, что приводит к образованию устойчивых молекулярных комплексов.

Вместе с тем следует отметить, что механизм каталитичекой активности ферментов определяется комплементарностью фермента и переходного состояния либо промежуточного продукта катализируемой реакции — и в этом случае может происходить обратимое образование химической связи.

Комплементарность нуклеиновых кислот

В случае нуклеиновых кислот — как олиго- так и полинуклеотидов азотистые основания нуклеотидов способны вследствие образования водородных связей формировать парные комплексы аденин—тимин (или урацил в РНК) и гуанин—цитозин при взаимодействии цепей нуклеиновых кислот. Такое взаимодействие играет ключевую роль в ряде фундаментальных процессов хранения и передачи генетической информации: репликации ДНК, обеспечивающей передачу генетической информации при делении клетки, транскрипцииДНК в РНК при синтезе белков, кодируемых ДНК гена, хранении генетической информации в двухцепочечной ДНК и процессах репарации ДНК при её повреждении.

ДНК

Принцип комплементарности используется в синтезе ДНК. Это строгое соответствие соединения азотистых оснований, соединёнными водородными связями, в котором: А-Т (Аденинсоединяется с Тимином) Г-Ц (Гуанин соединяется с Цитозином)

Ферментативный катализ

Комплементарное связывание фермент-субстрат является ключевым фактором в механизме ферментативной активности и, в отличие описанных выше ситуаций с образованием химически несвязанных комплексов может приводить к инициированию химической реакции — в случае связи фермента с субстратом комплементарность относительно невысока, однако при высокой комплементарности к переходному реакционному состоянию субстрата происходит стабилизация этого состояния, что приводит к эффекту каталитической активности ферментов: такая стабилизация переходного состояния эквивалентна снижению энергии активации и, соответственно, резкому увеличению скорости реакции.

.

РАЗДЕЛ 1. СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА И ФУНКЦИИ БЕЛКОВ

IV. Функционирование белков

Каждый индивидуальный белок, имеющий уникальную первичную структуру и конформацию, обладает и уникальной функцией, отличающей его от всех 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.

А. Активный центр белков и избирательность связывания его с лигандом

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 (рис. 1-25).

Рис. 1-25. Взаимодействие белка с лигандом. А и Б — некомплементарное взаимодействие и разрушение связей между белком и лигандом; В — комплементарное взаимодействие белка с лигандом.

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.

1. Характеристика активного центра

Активный центр белка — относительно изолированный от окружающей белок среды участок, сформированный аминокислотными остатками. В этом участке каждый остаток благодаря своему индивидуальному размеру и функциональным группам формирует «рельеф» активного центра.

Объединение таких аминокислот в единый функциональный комплекс изменяет реакционную способность их радикалов, подобно тому, как меняется звучание музыкального инструмента в ансамбле. Поэтому аминокислотные остатки, входящие в состав активного центра, часто называют «ансамблем» аминокислот.

Уникальные свойства активного центра зависят не только от химических свойств формирующих его аминокислот, но и от их точной взаимной ориентации в пространстве. Поэтому 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. При денатурации активный центр белков разрушается, и происходит утрата их биологической активности.

Часто активный центр формируется таким образом, что доступ воды к функциональным группам его радикалов ограничен, т. е. создаются условия для связывания лиганда с радикалами аминокислот.

В некоторых случаях лиганд присоединяется только к одному из атомов, обладающему определённой реакционной способностью, например, присоединение O2 к железу миоглобина или гемоглобина. Однако свойства данного атома избирательно взаимодействовать с O2 определяются свойствами радикалов, окружающих атом железа в составе гема. Гем содержится и в других белках, таких как цитохромы. Однако функция атома железа в цитохромах иная, он служит посредником для передачи электронов от одного вещества другому, при этом железо становится то двух-, то трёхвалентным.

Центр связывания белка с лигандом часто располагается между доменами. Например, протеолитический фермент трипсин, участвующий в гидролизе пептидных связей пищевых белков в кишечнике, имеет 2 домена, разделённых бороздкой. Внутренняя поверхность бороздки формируется аминокислотными радикалами этих

доменов, стоящими в полипептидной цепи далеко друг от друга (Сер177, Гис40, Aсп85).

Разные домены в белке могут перемещаться друг относительно друга при взаимодействии с лигандом, что облегчает дальнейшее функционирование белка. В качестве примера можно рассмотреть работу гексокиназы, фермента, катализирующего перенос фосфорного остатка с АТФ на молекулу глюкозы (при её фосфорилировании). Активный центр гексокиназы располагается в расщелине между двумя доменами (рис. 1-26) При связывании гексокиназы с глюкозой окружающие её домены сближаются, и субстрат оказывается в «ловушке», что облегчает его дальнейшее фосфорилирование.

Рис. 1-26. Связывание гексокиназы с глюкозой.

Основное свойство белков, лежащее в основе их функций, — избирательность присоединения к определённым участкам белковой молекулы специфических лигандов.

2. Многообразие лигандов

• Лигандами могут быть неорганические (часто ионы металлов) и органические вещества, низкомолекулярные и высокомолекулярные вещества;

• существуют лиганды, которые изменяют свою химическую структуру при присоединении к активному центру белка (изменения субстрата в активном центре фермента);

• существуют лиганды, присоединяющиеся к белку только в момент функционирования (например, О2, транспортируемый гемоглобином), и лиганды, постоянно связанные с белком, выполняющие вспомогательную роль при функционировании белков (например, железо, входящее в состав гемоглобина).

В тех случаях, когда аминокислотные остатки, формирующие активный центр, не могут обеспечить функционирование данного белка, к определённым участкам активного центра могут присоединяться небелковые молекулы. Так, в активном центре многих ферментов присутствует ион металла (кофактор) или органическая небелковая молекула (кофермент). Небелковую часть, прочно связанную с активным центром белка и необходимую для его функционирования, называют «простетическая группа». Миоглобин, гемоглобин и цитохромы имеют в активном центре простетическую группу — гем, содержащий железо (более подробно гемсодержащие белки описаны в разделе 4, а кофакторы и коферменты — в разделе 2).

Соединение протомеров в олигомерном белке — пример взаимодействия высокомолекулярных лигандов. Каждый протомер, соединённый с другими протомерами, служит для них лигандом, так же как они для него.

Иногда присоединение какого-либо лиганда изменяет конформацию белка, в результате чего формируется центр связывания с другими лигандами. Например, белок кальмодулин после связывания с четырьмя ионами Са2+ в специфических участках приобретает способность взаимодействовать с некоторыми ферментами, меняя их активность.

3. Сродство активного центра лиганду

Скорость взаимодействия белка с лигандом определяется концентрациями белка и лиганда в растворе, а также степенью комплементарности белка и лиганда.

Константа диссоциации — характеристика сродства активного центра лиганду.

Так как взаимодействие белка с лигандом — обратимый процесс, то его можно описать следующим уравнением:

где Р — белок, L — лиганд, РL — комплекс белка с лигандом, К1 — константа скорости связывания белка с лигандом, К-1 — константа скорости распада комплекса РL.

Когда скорости образования и распада комплекса равны, говорят о том, что система находится в состоянии равновесия:

К1 = К-1.

Отсюда:

Соотношение констант распада комплекса и его образования называется константой диссоциации (Кдисс) комплекса . Чем меньше Кдисс, тем больше молекул лиганда связано с белком, тем больше комплементарность между Р и L и тем больше сродство лиганда к белку. То есть между Кдисс и сродством лиганда к белку имеется обратно пропорциональная связь.

Иногда при описании процесса связывания белка с лигандом используют величину, обратную Кдисс, называемую константой связывания (Ксв) или ассоциации.

Между Ксв. и сродством лиганда к белку существует прямо пропорциональная зависимость.

Зависимость насыщения белка лигандом от концентрации лиганда при постоянной концентрации белка

При постоянной концентрации белка увеличение концентрации лиганда приводит к росту концентрации комплекса . Эта зависимость носит характер гиперболической кривой (рис. 1-27). Кривая стремится к максимуму, когда при некоторой концентрации лиганда все молекулы белка находятся в связанном с лигандом состоянии (происходит насыщение белка лигандом). Степень насыщения белка лигандом можно выразить следующим уравнением: степень насыщения = / х 100 (где Р0 — концентрация белка до добавления лиганда). При полунасыщении белка лигандом концентрации и равны, и из уравнения Кдисс, приведённого выше, следует, что Кдисс = , т. е. Кдиссчисленно равна концентрации лиганда, при которой 50% белка находится в комплексе с лигандом. Поэтому, по кривой насыщения, можно найти Кдисс и оценить сродство данного белка лиганду.

Рис. 1-27. График насыщения белка лигандом.

Зависимость между образованием комплекса и концентрацией белка при избытке лиганда

Как было сказано выше, при возрастающей концентрации лиганда насыщение белка ограничено его концентрацией. При избытке лиганда все молекулы белка находятся в составе комплекса . Однако, если увеличивать концентрацию белка, то количество начнёт увеличиваться пропорционально концентрации белка. Концентрацию комплекса можно регистрировать, например, с помощью измерения поглощения света. Учитывая, что его количество пропорционально концентрации белка, можно на основании построенного графика определять концентрацию белка в растворе (рис. 1-28).

Рис. 1-28. График зависимости изменения поглощения света, отражающего концентрацию комплекса от концентрации белка Р.

Б. Вещества, влияющие на функционирование белков

Хотя взаимодействие лиганда с активным центром белка высокоспецифично, всегда можно подобрать другое вещество, которое так же будет взаимодействовать с белком. Лиганд, взаимодействующий с белком и нарушающий его функцию, называют «ингибитор белка». Если это вещество по структуре похоже на лиганд, его называют структурным аналогом лиганда; оно также взаимодействует с активным центром белка. Аналог, замещающий естественный лиганд в активном центре белка и снижающий его функцию, называют «конкурентный ингибитор белка».

1. Лекарственные препараты как модуляторы белковых функций

Аналоги естественных лигандов белков используют в медицине в качестве лекарственных средств. Широкое применение такие лекарства нашли в регуляции передачи возбуждения через синапсы.

Передача сигнала от нерва к нерву или от нерва к эффекторному органу осуществляется через синапсы с помощью химических молекул, называемых нейромедиаторами. Нейромедиатор, выделяемый при прохождении импульса нервными окончаниями, должен высокоспецифично взаимодействовать с белками-рецепторами на постсинаптической мембране. Однако, модифицируя химическую структуру нейромедиатора, можно получить вещества, которые также связывались бы с рецептором, но при этом менялся физиологический эффект: уменьшался или усиливался. В фармакологии такие вещества называют «антагонисты» и «агонисты» соответственно.

Ингибиторы белков-рецепторов в холинэргических синапсах

В качестве примера можно рассмотреть лекарства, нарушающие проведение нервного импульса через холинергические синапсы, где в качестве нейромедиатора используется ацетилхолин. Холинергические белки-рецепторы неоднородны по своей структуре и способны связываться с другими, кроме ацетилхолина, лигандами. Их делят на 2 большие группы:

• М-холинорецепторы, названные так из-за их способности избирательно взаимодействовать с мускарином (токсин мухомора);

• Н-холинорецепторы, избирательно связывающие никотин.

В нервно-мышечных синапсах присутствуют Н-холинорецепторы, взаимодействие которых с ацетилхолином вызывает сокращение мышц. Для расслабления мышц в эндоскопических исследованиях, а также при разнообразных хирургических операциях используют структурные аналоги ацетилхолина, служащие ингибиторами данных рецепторов. Пример такого вещества — дитилин, относящийся к группе лекарственных веществ, называемых миорелаксантами (вызывающими мышечное расслабление). Первоначально эти свойства были обнаружены у яда кураре, в связи с чем данные препараты называют также курареподобными (см. схему А на с. 44).

Наиболее известный специфический ингибитор М-холинорецепторов — атропин. Атропин — алкалоид, содержащийся в некоторых растениях: красавке, белене, дурмане. Он присоединяется к М-холинорецепторам, находящимся на мембране эффекторных клеток, в области окончаний парасимпатических нервов. Атропин препятствует их взаимодействию с ацетилхолином (антагонист природного лиганда), тем самым устраняя эффекты раздражения парасимпатических нервов.

Так как ацетилхолин, связываясь с М-холинорецепторами, вызывает сокращение многих гладких мышц, атропин (как лекарственный препарат) снимает мышечные спазмы (спазмолитик). Кроме того, он снижает стимулируемую ацетилхолином секрецию желёз (бронхиальных, пищеварительных, потовых).

М-холинорецепторы присутствуют в разных отделах ЦНС. Передозировка атропина может вызвать двигательное и речевое возбуждение.

Лекарственные вещества — стимуляторы белковых функций

Однако некоторые структурные аналоги лигандов рецепторных белков не являются ингибиторами, а вызывают такие же или более сильные физиологические эффекты, чем природные лиганды. Их более сильный и длительный эффект часто связан с тем, что модифицированные лиганды медленнее инактивируются и разрушаются в организме. Например, мезатон по структуре похож на нейромедиаторы симпатической нервной системы (норадреналин и адреналин). Мезатон повышает тонус сосудов и АД, поэтому его используют при гипотонии и коллапсе. Он менее подвержен действию инактивирующих его ферментов, поэтому оказывает более длительный и сильный эффект, чем его природные аналоги (см. схему Б).

2. Яды — специфические лиганды определённых белков

Некоторые яды, попадая в организм человека, прочно связываются с определёнными белками, ингибируют их и тем самым вызывают нарушения биологических функций.

Например, α-нейротоксины кобры и крайта специфически взаимодействуют с холинергическими рецепторами постсинаптических мембран, блокируя их работу, и оказывают курареподобное действие. α-Нейротоксины — небольшие белки с молекулярной массой около 7000 Д (65 — 70 аминокислотных остатков). Их третичную структуру стабилизируют 4 или 5 специфических дисульфидных связей (в зависимости от вида токсина). Сродство нейротоксинов к холинергическим рецепторам очень высоко (Кдисс = 10-11). Очевидно, между токсином и рецептором образуется множество связей, что и приводит к их практически необратимому соединению.

Необходимо помнить, что между лекарствами и ядами часто существует прозрачная граница, и эффект их действия зависит от дозы вводимого вещества. Так, лекарства, назначаемые в дозах, больших чем терапевтические, могут действовать как яды, т. е. вызывать серьёзные нарушения обмена веществ и функций организма, а яды в микродозах часто используют как лекарственные препараты. Например, атропин, широко применяемый для снятия спазмов гладких мышц, в больших дозах вызывает возбуждение ЦНС, а в ещё больших дозах — сон, переходящий в кому. Известное гипотензивное средство клофелин при передозировке вызывает коллапс.

ТЕМА 1.2. ОСНОВЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БЕЛКОВ. ЛЕКАРСТВА КАК ЛИГАНДЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ФУНКЦИЮ БЕЛКОВ

1. Активный центр белка и его взаимодействие с лигандом.В процессе формирования третичной структуры на поверхности функционально активного белка, обычно в углублении, образуется участок, сформированный радикалами аминокислот, далеко стоящими друг от друга в первичной структуре. Этот участок, имеющий уникальное строение для данного белка и способный специфично взаимодействовать с определенной молекулой или группой похожих молекул, называется центром связывания белка с лигандом или активным центром. Лигандами называются молекулы, взаимодействующие с белками.

Высокая специфичностьвзаимодействия белка с лигандом обеспечивается комплементарностью структуры активного центра структуре лиганда.

Комплементарность- это пространственное и химическое соответствие взаимодействующих поверхностей. Активный центр должен не только пространственно соответствовать входящему в него лиганду, но и между функциональными группами радикалов, входящих в активный центр, и лигандом должны образоваться связи (ионные, водородные, а также гидрофобные взаимодействия), которые удерживают лиганд в активном центре (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Комплементарное взаимодействие белка с лигандом

Некоторые лиганды, присоединяясь к активному центру белка, выполняют вспомогательную роль в функционировании белков. Такие лиганды называются кофакторами, а белки, имеющие в своем составе небелковую часть, — сложными белками(в отличие от простых белков, состоящих только из белковой части). Небелковая часть, прочно соединенная с белком, носит название простетической группы.Например, в составе миоглобина, гемоглобина и цитохромов содержится прочно прикрепленная к активному центру простетическая группа — гем, содержащий ион железа. Сложные белки, содержащие гем, называются гемопротеинами.

При присоединении к белкам специфических лигандов проявляется функция этих белков. Так, альбумин — важнейший белок плазмы крови — проявляет свою транспортную функцию, присоединяя к активному центру гидрофобные лиганды, такие как жирные кислоты, билирубин, некоторые лекарства и др. (рис. 1.14)

Лигандами, взаимодействующими с трехмерной структурой пептидной цепи, могут быть не только низкомолекулярные органические и неорганические молекулы, но и макромолекулы:

• ДНК (рассмотренные выше примеры с ДНК-связывающими белками);

• РНК;

• полисахариды;

• белки.

Рис. 1.14. Взаимосвязь генотипа и фенотипа

Уникальная первичная структура белков человека, закодированная в молекуле ДНК, в клетках реализуется в виде уникальной конформации, структуры активного центра и функций белков

В этих случаях белок узнает определенный участок лиганда, соразмерный и комплементарный центру связывания. Так на поверхности гепатоцитов имеются белки-рецепторы к гормону инсулину, имеющему также белковое строение. Взаимодействие инсулина с рецептором вызывает изменение его конформации и активации сигнальных систем, приводящих к запасанию в гепатоцитах питательных веществ после еды.

Таким образом, в основе функционирования белков лежит специфическое взаимодействие активного центра белка с лигандом.

2. Доменная структура и ее роль в функционировании белков.Длинные полипептидные цепи глобулярных белков часто складываются в несколько компактных, относительно независимых областей. Они имеют самостоятельную третичную структуру, напоминающую таковую у глобулярных белков, и называются доменами.Благодаря доменной структуре белков легче формируется их третичная структура.

В доменных белках центры связывания с лигандом часто располагаются между доменами. Так, трипсин — протеолитический фермент, который вырабатывается экзокринной частью поджелудочной железы и необходим для переваривания белков пищи. Он имеет двухдоменное строение, а центр связывания трипсина с его лигандом — пищевым белком — располагается в бороздке между двумя доменами. В активном центре создаются условия, необходимые для эффективного связывания специфического участка пищевого белка и гидролиза его пептидных связей.

Разные домены в белке при взаимодействии активного центра с лигандом могут перемещаться друг относительно друга (рис. 1.15).

Гексокиназа- фермент, катализирующий фосфорилирование глюкозы с помощью АТФ. Активный центр фермента располагается в расщелине между двумя доменами. При связывании гексокиназы с глюкозой окружающие ее домены смыкаются и субстрат оказывается в «ловушке», где и происходит фосфорилирование (см. рис. 1.15).

Рис. 1.15. Связывание доменов гексокиназы с глюкозой

В некоторых белках домены выполняют самостоятельные функции, связываясь с различными лигандами. Такие белки называются многофункциональными.

3. Лекарства — лиганды, влияющие на функцию белков.Взаимодействие белков с лигандами специфично. Однако благодаря конформационной лабильности белка и его активного центра можно подобрать другое вещество, которое также могло бы взаимодействовать с белком в активном центре или ином участке молекулы.

Вещество, по структуре похожее на природный лиганд, называют структурным аналогом лигандаили неприродным лигандом. Оно также взаимодействует с белком в активном центре. Структурный аналог лиганда может как усиливать функцию белка (агонист),так и снижать ее(антагонист).Лиганд и его структурные аналоги конкурируют друг с другом за связывание с белком в одном центре. Такие вещества называютсяконкурентными модуляторами(регуляторами) белковых функций. Многие лекарственные препараты действуют как ингибиторы белков. Некоторые из них получают химической модификацией природных лигандов. Ингибиторы белковых функций могут быть лекарствами и ядами.

Атропин — конкурентный ингибитор М-холинорецепторов.Ацетилхолин — нейромедиатор передачи нервного импульса через холинэргические синапсы. Для проведения возбуждения выделившийся в синаптическую щель ацетилхолин должен взаимодействовать с белком — рецептором постсинаптической мембраны. Обнаружены два типа холинорецепторов:

• М-рецептор,кроме ацетилхолина избирательно взаимодействующий с мускарином (токсином мухомора). М — холинорецепторы имеются на гладких мышцах и при взаимодействии с ацетилхолином вызывают их сокращение;

• Н-рецептор,специфично связывающийся с никотином. Н-холинорецепторы обнаружены в синапсах поперечнополосатых скелетных мышц.

Специфическим ингибитором М-холинорецепторовявляется атропин. Он содержится в растениях красавке и белене.

Атропин имеет в структуре схожие с ацетилхолином функциональные группы и их пространственное расположение, поэтому относится к конкурентным ингибиторам М-холинорецепторов. Учитывая, что связывание ацетилхолина с М-холинорецепторами вызывает сокращение гладких мышц, атропин используют как лекарство, снимающее их спазм(спазмолитик).Так, известно применение атропина для расслабления глазных мышц при просмотре глазного дна, а также для снятия спазмов при желудочнокишечных коликах. М-холинорецепторы имеются и в центральной нервной системе (ЦНС), поэтому большие дозы атропина могут вызвать нежелательную реакцию со стороны ЦНС: двигательное и психическое возбуждение, галлюцинации, судороги.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *