Белки со сходными функциями имеют похожие последовательности, однако это совпадение проявляется лишь в малой степени
5) Одинаковые белки, выполняющие одинаковые функции, и выделенные из разных организмов имеют значительное сходство в последовательностях аминокислот.
6)одинаковые белки, выполняющие одинаковые функции и выделенные из организмов одного вида почти всегда обладают совершенно одинаковой последовательностью
2) Вторичная структура –определяется регулярно повторяющейся формой укладки полипептидных цепей в пространстве. Или, можно сказать, что это пространственная ориентация основной полипептидной цепи без учета различной по составу и конформации белковых цепей. Остов любой цепи:
R1 R2 R3
| | |
NH2-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-COOH
Мы уже говорили о том, что атомы углерода и азота в пептидной связи находятся в одной плоскости и поэтому исключают вращение. А вот альфа-углеродный атом и его радикал находятся под углом к основной цепи, да еще альфа-углеродный атом является ассиметричным , что и обуславливает вращение. Специфический тип ориентации (то-есть вторичная структура) является результатом того или иного вида свободного вращения вокруг связей цепи, соединяющих альфа-углеродные атомы. В природных полипептидных полипептидных цепях обнаружены 3 основных вида структуры:
1)Спираль; 2)Складчатая структура; 3)Статистический клубок.
В полипептидных цепях со спиральной структурой, состоящих из альфа-аминокислот, наиболее часто встречается правая альфа-спираль. Шаг спирали (один полный виток) равен 5,4 анстрем (А) (1А=10 в –10 степени метра). В один шаг укладывается 3,6 аминокислотных остатка. Такое построение альфа-спирали максимально соответствует тому, чтобы группы С=О одного витка соответствовали группам N-H другого (соседнего) витка. Это нужно для образования максимально большого количества водородных связей. Чем больше образуется водородных связей, тем меньше уровень свободной энергии, тем система более стабильна. Альфа-спираль в 1951 году математически расчитали Л.Полинг и Ф.Кори. Эксперементально это было доказано в 1957 году. Содержание альфа-спиралей в глобулярных белках сильно варьирует: от 0% до 80-90% (глобулярный белок не может иметь 100% спирализации, в этом случае он будет фибрилярным). Спиральную структуру могут нарушить 2 фактора: 1)Наличие остатков пролина, циклическая структура которого вносит излом в полипептидную цепь; 2)Существование локального электрического отталкивания, когда напротив друг друга оказываются либо положительно заряженные R-группы лизина и аргинина, либо отрицательно заряженные группы аспарагиновой и глбтаминовой кислот. Существуют и другие виды спиралей, например, бетта-спираль, 310 – спираль и т.д. Все они отличаются только параметрами: то-есть имеют различный шаг спирали и в один виток укладывается разное количество аминокислотных остатков. Складчатая структура (ее иногда называют бетта-складчатой) формируется на неспирализованных участках полипептидной цепи. Возникают водородные связи между двумя или большим числом цепей (как правило, в фибриллярных белках) или между различными участками одной цепи ( в глобулярных белках). Есть 2 типа складчатой структуры в зависимости от взаимного положения атомов в различных цепях или участках одной цепи:
1)Параллельная (если обе цепи направлены в одну сторону, то-есть совпадают их N и С концы;
2)Антипараллельная (если С и N концы у двух цепей направлены в разные стороны). Более стабильным считается антипараллельное расположение, так как больше совпадений групп С=О и N-H, соответственно больше возникает и водородных связей.
Вторичная структура формируется путем самосборки, то-есть ее образование полностью зависит от аминокислотной последовательности полипептидной цепи, то-есть от первичной структуры. Изучают вторичную структуру с помощью рентгено-структурного анализа и поляриметрии.
Статистический клубок образуется в полипептидных цепях глобулярных белков на участках, не обладающих спиральной или складчатой структурой, вследствии упорядоченных взаимодействий с участием R-группы и образованием дисульфидных связей.
3) Третичная структура – это специфичная форма ( для каждого белка) укладки полипептидных цепей в пространстве, то-есть она описывает полную трехмерную архитектуру белка, в том числе и ориентацию простетической группы.
Третичная структура фибриллярных белков: полипептидные цепи имеют полностью спирализованную структуру или полностью складчатую структуру. Интактный белок, однако, состоит не из одиночных пептидных цепей, а из агрегатов двух или большего числа полипептидных цепей. Например, белок шелка фиброин состоит из нескольких цепей со складчатой структурой, уложенных стопкой так, что каждая цепь со всех четырех сторон окружена антипараллельными цепями. Белок кератин (волосы, ногти и т.д.) представляет собой скрученные спиральные цепи, связанные в пучки или взаимоперекрученные. Для изучения третичной структуры глобулярных белков большое значение имели работы М.Перутца (1934 – 1959года – работал над третичной структурой гемоглобина) и Д.Кендрью (1947 – 1957года – миоглобин). Для расшифровки третичной структуры использовался метод рентгеноструктурного анализа, практически, единственный метод, пригодный для этих целей (поскольку разрешающая способность приблизительно равна 1,5 Ангстрем). В отличие от фибриллярных белков, конформация глобулярных белков гораздо более компактна из-за наличия сложным образом согнутых, свернутых и скрученных участков полипептидной цепи. Однако, не существует единой для всех глобулярных белков формы. Некоторые из них – почти правильные сферы, другие – вытянутые эллипсоиды, большинство – имеют промежуточную форму между этими крайними случаями. Необходимо помнить:
1)Нативная конформация белка – индивидуальное структурное свойство данного белка, которое, в свою очередь, определяет его индивидуальность. Зависимость биологической активности белка от его третичной структуры впервые показал Кристиан Анфинсен в 1964 году на примере РНКазы.
2)Нативная конформация определяется инструкциями, заложенными в аминокислотной последовательности. Нативная конформация (третичная структура) – это конформация с минимальной энергией, то-есть максимально стабильная конформация.
Стабилизация третичной структуры осуществляется за счет практически всех видов связей (водородные, электростатические, гидрофобные, взаимодействие в простетической группе – например, между ионом металла и различными R-группами). Сейчас третичная структура описана более, чем для 100 белков.
4)Четвертичная структура – определяется числом и пространственным расположением субъединиц белков, то-есть, по сути, четвертичная структура рассматривает нековалентное агрегирование двух и большего числа полипептидных цепей. Субъединица – это часть белковой молекулы, способная выполнять какую-то функцию. Четвертичная структура характерна для белков, существующих в виде агрегатов двух или большего числа полипептидных цепей, соединенных друг с другом посредством лишь нековалентных связей (электростатические и водородные связи). Ковалентные связи, например, дисульфидные мостики – отсутствуют. Белки такого типа называются олигомерными, соответственно есть и мономерные белки – 1 цепь. Причем чаще всего встречаются димеры, тримеры и тетромеры, хотя есть и белки с большим числом компонентов. Каждую отдельную цепь в составе таких белков называют протомером. Выделяют гомогенные олигомеры (у которых все протомеры идентичны) и гетерогенные олигомеры (у которых цепи различны). Иногда число субъединиц равно числу протомеров. Олигомерным белкам свойственны кооперативные изменения конформации протомеров. Это можно рассмотреть на примере миоглобина и гемоглобина. Миоглобин, белок из мышц млекопитающих, переносящий кислород, состоит из 153 аминокислотных остатков, образующих единичную полипептидную цепь. Кислород присоединяется к белку, связываясь с атомом железа в простетической группе – геме. Гемоглобин является гетерогенным тетрамером, он состоит из двух альфа-цепей и двух бетта-цепей. В каждой из цепей есть простетическая группа – гем, в которой происходит связывание кислорода с железом. Альфа-цепь имеет 141 аминокислотный остаток, бетта-цепь – 144. Миоглобин и по отдельности альфа- и бетта- цепи гемоглобина очень похожи по третичной структуре. Но полностью молекула гемоглобина (2альфа- + 2бетта- цепи) очень отличаются от миоглобина по конфигурации, вследствии кооперативных изменений протомеров. Поэтому, в случае гемоглобин первый связанный лиганд кислорода облегчает связывание второй молекулы кислорода со вторым гемом, что в свою очередь облегчает связывание 3й молекуле кислорода с третьим гемом, а это облегчает связывание последней молекулы кислорода. Графики насыщения кислородом выглядят так:
100---- 100----
РО2 рО2
Миоглобин Гемоглобин
По отдельности каждая цепочка гемоглобина имеет график насыщения кислородом идентичный с миоглобином. Суть объяснения сводится к тому, что белок может принимать различные трехмерные конформации, обладающие разной активностью.
Изучают с помощью рентгено структурного анализа.
Олигомерные белки значительно лучше регулируются, что способствует лучшему выполнению функции в меняющихся условиях среды. Четвертичная структура собирается также по принципу самосборки.
Некоторые олигомерные белки существуют в трех и более гибридных формах. Это явление открыто в 1957 году для липоилдегидрогеназы. Гибридные формы называют изоферментами. Клетки и биологические жидкости (например, кровь) обычно содержат изоферменты во вполне определенных, характерных ддя них соотнощениях. Измерение уровни изоферментов используются для диагностики различных патологий.
КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ.
1)Основанная на функциях (ферменты, гормоны, транспортные и так далее)
2) Основанная на различиях в форме белковой молекулы:
а) фибриллярные (в виде нити) – например коллаген.
б) глобулярные (сфера, элипс) – например, все ферменты.
3) Основана на составе белков:
а) простые (состоят только из аминокислот )
б) сложные (состоят из органической и неорганической группировки не пептидной природы, которая называется простетической группой, соединенных с пептидной цепью).
1) Простые белки (протеины):
1) Альбумины.
2) Глобулины.
3) Протамины
4) Гистоны.
5) Проламины.
6) Глютеллины.
7) Протеиноды.
2)Сложные белки (протеиды):
1) Хромопротеиды:
а) гемопротеиды,
б) флавопротеиды
2) Липопротеиды.
3) Гликопротеиды.
4) Нуклеопротеиды.
5) Фосфопротеиды.
6) Металлопротеиды.
ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ ГРУПП ПРОСТЫХ БЕЛКОВ.
1) Альбумины – молекулярная масса составляет 30000 – 40000 Дальтон. Изоэлектрическая точка равна пяти (Pi), так как содержит в составе много глютаминовой кислоты. Трудно осаждается (осаждаются только насыщенными растворами сульфата аммония). Широко распространены в тканях: плазме крови, печени, мышцах и так далее. Их содержание в плазме достигает 40 – 50 г/л. синтезируется в печени. Будучи высокогидрофильными белками, обеспечивают онкотическое давление крови.,осуществляет тарнспорт многих гормонов, витаминов, билирубина и других веществ. При длительном голодании могут играть роль белкового резерва. Участвует в связывании и последующей инактивации многих эндогенных веществ.
2) глобулины – молекулярная масса достигает нескольких сотен тысяч Дальтон. Изоэлектрическая точка Pi = 7.
Не растворимы в воде, но растворимы в слабых солевых растворах 5 – 10 Na%(K) Cl. Осаждается полунасыщенным раствором сульфата аммония. Их содержание в плазме крови составляет 20 – 30 г/л. Синтезируется в печени и некоторые виды – в лимфоцитах. Входят в состав иммунной системы организма, которая отвечает не только за иммунный ответ организма на внедрение антигенов (чужеродный белок, микроорганизмы и так далее), но и участвуют, в сочетании с другими белками, в белковом ответе на острые воспалительные процессы. Методом электрофареза глобулины сыворотки крови делят на фракции: альфа 1,
альфа 2, бэтта, гамма. В клинике часто определяют альбумино-глобулиновый коэффициент (то-есть отношение между альбуминами и глобулинами). В норме этот коэффициент составляет от 1,5 до 2.
3) Протамины – белки с небольшой молекулярной массой (около 5000 Дальтон), то-есть они, в принципе, занимают промежуточное положение между белками и пептидами. Их изоэлектрическая точка лежит в щелочной среде. Потамины обладают основными свойствами, что обусловлено особенностями их аминокислотного состава (в их составе высок процент основных аминокислот: аргинина (до 80 процентов) и лизина ). Входит в состав простетической группы нуклеопротеидов. Являются антогонистом антикоагулянта гепарина.
4) Гистоны – молекуярная масса 10000 – 20000. Основные свойства у гистонов выражены слабее, чем у протаминов поскольку в состав гистонов входит около 20 – 30 процентов основных аминокислот (лизина и аргинина). Выделяют пять видов гистонов (Н1, Н2, Н3, Н4, Н5), которые отличаются друг от друга содержанием лизина и аргинина, (в одних больше аргинина -Н1, в других - лизина – Н2). Входят в состав нуклеопротеидов, участвуют в храненинии и передаче генетической информации. Способны влиять на активность различных генов.
5,6) Глютеллины и проламины – это белки растительного происхождения, много содержится в злаках. В их составе много гидрофобных аминокислотных остатков.
7)Протеиноиды – или, как их называют, белковоподобные вещества, имеют очень бедный аминокислотный состав, очень мало циклических аминокислот, но содержат большое количество гидрофобных аминокислот (аланин, валин, лейцин и другие), например, эластин содержит до 93 процентов таких аминокислот. Протенноиды почти не растворимы в воде и солевых растворах, водно-спиртовых смесях. Трудно расщепляются ферментами желудочно-кишечного тракта. Виды протеноидов: эластин, кератин, коллаген.
а) эластин –белок эластических волокон. Его много содержится в стенках больших кровеносных сосудов, в связках. Основная субъединица фибрилл эластина – тропоэластин имеет молекулярную массу 72000 Дальтон. Волокна эластина построены из относительно небольших, почти сферических молекул, соединенных в волокнистые тяжи с помощью жестких поперечных сшивок. Различают два вида сшивок: десмозин и изодесмозин, обе с участием четырех остатков лизина.
R
|
R__ __R
 |
N +
|
R –
б) Кератин – различают альфа- и бэтта-кератин. Типичный пример бэтта-кератина – фиброин шелка и паутины. Полипетидная цепь у них вытянута вдоль одной оси. Соседние цепи сшиваются водородными связями, они антипараллельны. Альфа-кератины – это нерастворимые и плотные белки, входящие в состав волос, ногтей, рогов, шерсти и так далее. Полипептидные цепи альфа кератинов уложены в альфа-спирали, стабилизация которых осуществляется за счет водородных и дисульфидных связей.
в) Коллаген – наиболее изученный из фибриллярных белков, это основной компонент соединительной ткани, главный структурный белок всех животных клеток. Около 60 процентов массы всего белка и 6 процентов общей массы тела приходится на коллаген. Его количество в нашей биосфере оценивают в 1 миллиард тонн. Каждое макроволокно соединительной ткани представляет собой агрегат молекул коллагена. Длинна молекулы коллагена 300 нанометров, молярная масса 300000. Структура молекулы коллагена – перекрученная спираль (ее называют тропоколлаген) – это три одинаковые левовращающие цепи (содержат примерно 1000 аминокислотлных остатков) скручены вместе с образованием правовращающей тройной спирали. Каждая цепь имеет гораздо более вытянутую структуру, чем альфа-спираль. Структура тройной спирали обусловлены аминокислотным составом и последовательностью аминокислотных остатков в полипептидных цепочках. Почти одну треть аинокислотных остатков составляет глицин, одна четвертая приходится на пролин и гидроксипролин, остальное – небольшое количество остальных аминокислот, включая гидроксилизин. Перекрученнная структура тройной спирали стабилизирована многочисленными межмолекулярными водородными , дисульфидными и другими связями. Важную роль играют ковалентные связи между цепями, содержащими лизин и гидроксилизин. Таким образом структура обладает жесткостью и почностью (нить коллагна толщиной один мм спосбна выдержать нагрузку сто ньютон (10 кг)). По мере старения организма, число поперечных связей увеличивается, что делает фибриллы коллагена более жесткими и хрупкими, а это приводит к изменению механических свойств хрящей и суставов, делает более ломкими кости, понижает прозрачность роговицы глаза. При кипячении в воде коллаген превращается в желатину – растворимую смесь пептидов.
ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ ГРУПП СЛОЖНЫХ БЕЛКОВ.
1) Хромопротеиды – состоят из простого белка, соединенного с окрашенной простетической группой (отсюда и название: chroma - краска). Подразделяются на:
а) гемопротеиды – в качестве простетической группы – гем. К этим белкам относятся: гемоглобин, миоглобин, ряд ферментов (каталаза, пероксидаза, цитохромы). Функции многообразны: участвуют в транспорте газов, окислительно-восстановительных реакциях и так далее.
б) флаворотеиды – простетическую группу составляют ФАД и ФМН (производные изоаллоксазина). Это некоторые фермнты (флавиновые дегидрогеназы), катализирующие окислительно-восстановительные реакции.
2) Липопротеиды – состоят из простого белка, связанного с каким-либо липидом, представляющим простетическую группу. Это может быть нейтральный жир, свободная жирная кислота, фосфолипиды, холестерин. Липопротеиды входят в состав биомембран, миелиновых оболочек, присутствуют в свободном состоянии в плазме крови.
3) Гликопротеины – их простетическая группа представлена углеводами и их производными (глюкоза,галактоза, манноза,галактозамин, сиаловые кислоты, гликозаминогликаны). Гликопротеиды входя в состав слюны, хрящевой, костной ткани,биомембран, участвуют в иммунологических реакциях, ионном обмене и так далее.
4) Нуклеопротеиды – состоят из белков (которые, в основном, представлены протаминами и гистонами) и нуклеиновых кислот (простетическая группа). Их основная функция – хранение и передача наследственной информации.
5) Фосфопротеиды – в качестве простетической группы выступает фосфорная кислота. Большое количество этих белков содержится в ткани мозга. К фосфопротеидам относят казеин молока. Функции фосфопротеидов многообразны. Они являются донорами фосфатов в клетке, являются источниками пластического и энергетического материала.
6) Металлопротеиды – простетическая группа представлена металлами (цинк, железо, медь, кобальт и другие). К этой группе белков относятся ферритин (выполняет роль депо железа, содержится в печени, селезенке, костном мозге ), трансферрин (переносчик железа), некоторые ферменты (алкогольдегидрогеназа, карбангидраза, СОД и другие).
ФЕРМЕНТЫ.
Еще в 1878 году Куне с целью унификации терминологии предложил называть каталитически активные соединения энзимами. В последние пятьдесят лет этот термин стал общепризнанным в литературе на всех языках. В переводе с греческого этот термин означает: «из дрожжей». В литературе на русском принят термин «ферменты» (fermentatio (с латинского) - сбраживание), хотя изучение ферментов и процессов с их участием традиционно называют «энзимология» .
По завершении девятилетних исследований в 1926 году Самнер сообщил о выделении из бобов фермента уреаза, и предположил, что она имеет белковую природу, что сочли поначалу нелепым. Последующие исследования Самнера и независимо Нортропа и Стэнли привели к выделению еще нескольких ферментов (например, в 1930 – 31 году Нортроп получил в чистом виде пепсин и трипсин).
Катализаторы – это вещества, ускоряющие химические реакции. Ферменты являются белковыми катализаторами биохимических реакций. В отличие от небелковых катализаторов, каждый фермент способен катализировать лишь очень небольшое число реакций, часто только одну. Таким образом ферменты являются специфическими катализаторами. Практически все биохимические реакции катализируются ферментами.
В 1814 году Киркгофф выделил амилазу из семян проросшего ячменя, которая сбраживала крахмал. В то время господствовало виталистичесое деление ферментов на «организованные» и «неорганизованные». В конце 19 века М. М. Манасеина, А. И. Лебедев (Россия) и братья Бюхнер (Германия) показали, что так делить ферменты нельзя. В начале двадцатого века И. П. Павлов предположил белковую природу ферментов.
И, наконец, в 1935 году белковая природа ферментов стала общепризнанной, Это имело большое значение (достаточно сказать, что за эти открытия в 1946 году Самнеру, Нортропу и Стенли была присуждена Нобелевская премия). За последние пятьдесят лет было выделено из всех типов организмов около 2500 ферментов, часть из них получена в кристаллическом виде, для более пятидесяти ферментов открыта третичная структура. В клетках кишечной палочки содержится около тысячи различных ферментов, а у человека еще больше.
Функции ферментов сводится к ускорению химических реакций, причем ферменты отличаются тремя уникальными свойствами:
1 )Это самые эффективные из всех известных катализаторов, так что даже очень малые (микромолярные) концентрации ферментов способны в очень большой степени ускорять реакции (в миллион и более раз, чем если бы реакция протекла бы без фермента). В самом деле в отсутствие ферментов скорость большинства реакций в биологических системах практически неощутима. Такая простая реакция, как гидратирование углекислого газа. В отсутствие фермента перенос углекислого газа из тканей кровь и затем в воздух легочных альвеол был бы не полон. Карбангидраза, катализирующая этот процесс является одним из самых активных ферментов. Каждая ее молекула способна гидратировать десять в пятой степени молекул углекислого газа в секунду. При этом скорость реакции в присутствии фермента в десять в седьмой степени раз выше, чем в его отсутствие.
2) Большинство ферментов отличаются специфичностью действия (практически каждая реакция катализируется специальным ферментом). Специфичность проявляется как в отношении катализируемой реакции, так в и отношении субстратов.
Каждый фермент катализирует какую-либо одну химическую реакцию или несколько очень сходных реакций. Степень специфичности к субстрату очень высока, а иногда практически абсолютна. Рассмотрим в качестве примера протеолитическте ферменты. Они катализируют реакцию гидролиза пептидной связи; многие протеолитические ферменты катализируют еще и иную, но сходную реакцию гидролиза эфирной связи. Протеолитические ферменты сильно различаются по степени субстратной специфичности. Например, субтилизин (он синтезируется определенным видом бактерий) расщепляет практически любые пептидные связи в независимости от того, какими аминокислотами они образованы. Трипсин расщепляет пептидные связи, образованные только карбонильными группами лизина и аргинина. Тромбин (участвующий в свертывание крови) разрывает только те петидные связи, котрые образованы карбонильной группой аргинина и аминогруппой глицина.
3) Действия большинства ферментов регулируется (то-есть они способны переходить из состояния с низкой активностью к состоянию с высокой активностью и обратно). В совокупности эти механизмы регуляции представляют сложную систему, посредством которой организм контролирует все свои функции. Некоторые ферменты синтезируются в форме неактивного предшественника и переходят в активное состояние в физиологически соответствующем месте и времени. Примером регуляции такого типа могут служить пищеварительные ферменты. Так, например, пепсиноген синтезируется в поджелудочной железе, а активируется в тонком кишечнике, где в результате расщепления пептидной связи образуется активная форма – трипсин. Такой же тип регуляции многократно используется в последовательности ферментативных реакций, ведущих к свертыванию крови. Каталитически неактивные предшественники протеолитических ферментов называются проферментами или зимогенами. С помощью ферментов осуществляется трансформация различных видов энергии. Во многих биохимических реакциях энергия реагирующих веществ переходит из одной формы в другую с высокой степенью эффективности. Например, при фотосинтезе энергия света переходит в энергию химических связей. В митохондриях свободная энергия, содержащаяся в низкомолекулярных веществах поступающих с пищей переходит в энергию АТФ, которая затем может использоваться во многих процессах – при мышечном сокращении, при трансмембранном транспорте и так далее. Ферменты не сдвигают равновесие химических реакций, они лишь ускоряют наступление этого равновесия. Отсутствие даже одного фермента или его дефект могут иметь очень серьезные отрицательные последствия для организма. Впервые фермент синтезировал в 1966 году (рибонуклеазу) Меррифилд. Поскольку ферменты – белки, они могут быть мономерными (одна полипептидная цепь) – это пепсин, трипсин, уреаза и так далее; или олигомерными (например, ЛДГ). Олигомеры в определенных условиях могут дисссоциировать на мономеры. Биологическая активность олигомерных ферментов проявляется либо в диссоциированном, либо в не диссоцированном состоянии. Все ферменты относятся к глобулярным белкам. Соответствнно ферменты могут быть простые (рибонуклеаза) и сложные (каталазы). Максимальная активность сложных белков (ферментов) зависит от участия небелковых соединений, называемых ко-факторами. Молекулярный комплекс белка и ко-фактора называется холоферментом и обладает максимальной каталитической активностью. Белковый компонент, лишенный ко-фактора называется апоферментом, он обладает очень низкой активностью, а часто вообще не активен. Некоторые ферменты требуют два или три различных ко-фактора и обычно один из них неорганический ион. Связь между белковым компонентом (апоферментом) и ко-фактором может быть ковалентной или нековалентной. Внекоторых случаях ко-фактор и фермент существуют отдельно и связываются друг с другом только на время протекания реакции. В других случаях ко-фактор и фермент связаны постоянно, иногда очень прочно, ковалентными связями. Вообще говоря, роль ко-фактора сводится:
1) к изменению трехмерной структуры белка и (или) связанного субстрата для улучшения условий взаимодействия фермента с субстратом;
2) к непосредственному участию в реакции в качестве еще одного субстрата.
Различают неорганические ко-факторы (например, ионы цинка, магния, марганца, железа, меди, калия и натрия) и органические (их обычно называют ко-ферменты – это около десятка соединений различной структуры). Как правило, связь между ко-фактором неорганической природы и апоферментом прочная и, если ее разорвать, то ни ко-фактор, ни белковая часть фермента не проявляют активности. Большая часть ко-ферментов либо образуется из витаминов, либо представляют собой витамины, либо витамины являются частью ко-фермента. Поэтому, неорганические ионы, перечисленные выше, и витамины должны обязательно входить в рацион для любого организма. В качестве примера витаминов, входящих в неизменном виде в состав фермента, можно привести биотин, липоевую кислоту и так далее. Так, биотин связывает углекислоый газ, а липоевая кислота переносит ацильную групу. Такие же витамины, как рибофлавин (витамин В2) превращаются в ФАД или ФМН, то-есть в качестве ко-фермента выступают их производные, которые участвуют в окислительно-востановительных реакциях. Органические ко-ферменты обычно выступают в качестве дополнительных субстратов. Участие ко-ферментов в процессе обычно сводится к донорным или акцепторным функциям (по отношению к другим субстратам или субстрату) определенной химической группировки. Может происходить, например, перенос метильной группы – СН3, аминогруппы – NH2, электролитов. В соответстви с этим ко-фермент называют «переносчиком групп». Например, в присутствии передоксальфосфатзависимого фермента перенос аминогруппы осуществляется за одну реакцию, а для другого случая – электрон вместе с протоном – в результате двух реакций, катализируемых разными ферментами, но с участием одного ко-фермента (НАД):
НАД + НАДН НАД+
ко-фермент участвует в обеих реакциях, причем в одной НАД – это продукт, а в другой – реагент. Такие реакции называются сопряженными.
Мы уже упоминали, что ферменты могут быть мономерные и олигомерные. В свою очередь, олигомерные могут иметь в своем составе одинаковые субъединицы (например, каталаза имеет 6 субъединиц и все одинаковые) или разные, что предопределяет возникновение изомерных форм ферментов (например, ЛДГ – тетрамер, но имеет два типа субъединиц). Чем больше разных субъединиц входит в состав фермента, тем больше появляется его изомерных форм. Таким образом, мы можем сказать, что изоферменты – это ферменты, катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающиеся по каталитической активности., физико-химическим свойством и составу. Например, ЛДГ имеет два вида субъединиц: Н (hart) и М (muscle). Соответственно образуется пять различных изоферментов (тетрамеров). Варианты: НННН, НННМ, ННММ, НМММ, ММММ, или их называют, соответствнно ЛДГ1, ЛДГ2, ЛДГ3, ЛДГ4, ЛДГ5. Соотношение изоферментных фракций в разных органах различно (например, в сердце преобладает ЛДГ1, в мышцах и в печени ЛДГ5). Изучая изоферментный спектр, можно судить о локализации патологическго процесса и о степени тяжести. Биологическое значение изоферментов заключается в том, что они обеспечивают протекание химических реакций в различных тканях, в зависимости от условий обмена в данной ткани. Например ЛДГ1 и ЛДГ2 наиболее активны в тканях с высокой скоростью окисления и высоким содержанием кислорода. Эти изоферменты обладают высоким сродством к кислороду и наиболее активны в эритроцитах и миокарде. ЛДГ5 наиболее активна в тканях с меньшим содержанием кислорода, например в печени и скелетных мышцах – где высокая концентрация молочной кислоты. С возрастом происходит изменение активности изоферментов в тканях (у детей).
Изоферментные формы характерны для тех ферментов которые в тканях выполняют особо важные функции то-есть стоят на перекрестке особо важных каталитических процессов (например ЛДГ – на границе аэробного и анаэробного процессов).
НОМЕНКЛАТУРА ФЕРМЕНТОВ.
1)Тривиальная, исторически сложившаяся (пепсин – от pepsis – пищеварение; трипсин – от tripsis - расжижение). Цитохромы (cytos – клетка, chromos - цвет) – окрашивающие клетку.
2) Рабочая: а) название субстрата плюс окончание «аза». Например , сахараза, мальтаза, липаза. Иногда берется греческое или латинское название, например amylos (крахмал) – фермент называется амилаза.
б) По названию типа катализируемой реакции (гидролаза, синтетаза, дегидрогеназа, и так далее).
в) По типу расщепляемой связи (пептидаза, эстераза, гликозидаза и так далее).
3) Систематическая (международная): необходимо дать точное название субстрата (химическое название), указать характар процесса и прибавить окончание «-аза». Например, попросту уреаза, а по международной номенклатуре: карбамидамидогидролаза (то-есть карбамид-мочевина и разрыв-гидролиз амидной связи). Если в реакции участвует ко-фермент, то это тоже должно быть отражено в названии. Например, попросту ЛДГ, а по международной номенклатуре – альфа-лактат-НАД-оксидоредуктаза.
КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ.
Принята международным союзом биохимиков в 1961 году в Москве. По этой системе ферменты делятся на шесть основных классов, согласно общему типу реакций, которые они катализируют. Классы делятся на подклассы и подподклассы, чтобы можно было описать специфичность каждого индивидуального фермента. Каждому ферменту приписывают код или шифр, например: 2.1.3.4., где первая цифра – номер класса, вторая цифра – номер подкласса, третья цифра – номер подподкласса, четвертая – порядковый номер в подподклассе. Например: 1,1,1,1 – алкоголь-НАД-оксидоредуктаза (алкогольдегидрогеназа); 3,5,1,5 – карбамидамидогидролаза (уреаза).
Различают следующие классы:
1) Оксидоредуктаза (катализирует окислительно-восстановительные реакции всех типов). Деление на подклассы: дегидрогеназы, оксигеназы и так далее (то-есть по типу окисления или восстановления):
а) аэробные дегидрогеназы (оксидазы);
б) анаэробные дегидрогеназы (RН2 + Х = ХН2 + R);
в) цитохромы (переносят электроны);
г) пероксидазы (окисляют с помощью перекисей);
д) каталаза (2 Н2О2 = 2 Н2О + О2);
е) гидроксилазы и оксигеназы (катализируют окисление субстрата путем внедрения в субстрат одного или двух атомов кислорода)
2) Трансферазы (катализируют перенос отдельных групп атомов от донорной молекулы к акцепторной). Деление на подклассы происходит в зависимости от характера переносимых групп: аинотрансферазы (NН2), метилтрансферазы (СН3) формилтрансфераза, ацилтрансфераза и так далее.
3) Гидролазы (катализируют разрыв химических связей с присоединением молекул воды по месту разрыва, то-есть реакции гидролиза). Деление на подклассы зависит от характера разрываемой связи: пептидазы (пепсин, трипсин), эстеразы (сульфоэстеразы, фосфоэстеразы), гликозидазы (амилаза, сахараза, лактаза), фосфотазы , амидазы и так далее.
4) Лиазы (катализируют разрыв химической связи без присоединения воды по месту разрыва, при этом в субстратах образуются двойные связи). На подклассы делят от характера разрываемой связи: - C – C - ; - C – N -;
- C – O - и т. д. Например альдолаза разрывает – С – С - связь в сахарах. Декарбоксилоза отщепляет карбоксильную группу, дегидротазы (отщипляют воду).
5) Изомеразы (катализируют взаимопревращение различных изомеров). Деление на подклассы зависит от формы: L – D , цис-, транс-, альфа – бета, лактим-лактам (эпимеразы, таутомеразы, рацимазы) и т.д.
6) Лигазы (синтетазы) – катализируют образование нового вещества из двух других веществ. При этом используется молекула АТФ или другого макроэрга для обеспечения энергией. Деление на подкласы осуществляется в зависмости от того какие вещества вступают в реакцию конденсации (например, глутаминсинтетаза).
ПРИРОДА КАТАЛИЗА.
Известно, что результатом любой химической реакции является образование продуктов реакции. Согласно теории «переходного состояния» продукты реакции образуются лишь после того, как реагирующие частицы: 1) – встречаются в определенной пространственной ориентации, и 2) - обладают достаточной энергией, чтобы достичь «переходного состояния» для которого возможны одновременное образование новых и разрыв старых химических связей. Очевидно, что чем легче достигается «переходное состояние», тем выше скорость реакции. Разность между общей энергией исходных реагирующих частиц и энергии возбужденного переходного состояния называется энергией активации, которая характеризует данную химическую реакцию и определяет условия, при которых она происходит.