БИОХИМИЯ

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ТЕМА 1. ВВЕДЕНИЕ. ПРЕДМЕТ БИОХ...
   1. Отличия живой природы от...
   2. Основные разделы биохими...
   3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗА...
ТЕМА 1А. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ОРГ...
   1. Химический состав живых ...
   2. Виды химических связей
      2.1. Ковалентные связи
      2.2. Дисульфидные связи
      2.3. Ионная связь
      2.4. Водородная связь
      2.5. Гидрофобные взаимод...
      2.6. Ван-дер-ваальсовые ...
   3. Классификация органическ...
      3.1. Функциональная груп...
   4. Структурная иерархия в м...
   5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗА...
ТЕМА 2. УГЛЕВОДЫ
   1. Биологическая роль углев...
   2. Классификация углеводов
      2.1. Моносахариды
         2.1.1. Глюкоза и фрук...
         2.1.2. Циклическая фо...
         2.1.3. Аминосахара
         2.1.4. Рибоза и дезок...
         2.1.5. Глицериновый а...
      2.2. Олигосахариды
         2.2.1. Сахароза
         2.2.2. Мальтоза
         2.2.3. Лактоза
      2.3. Полисахариды
         2.3.1. Гомополисахари...
         2.3.2. Гетерополисаха...
   3. Норма углеводов в питани...
   4. Переваривание углеводов ...
      4.1. Регуляция уровня гл...
   5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗА...
Тема 3. ЛИПИДЫ
   1. Биологическая роль липид...
   2. Классификация жиров
      2.1. Простые жиры
         2.1.1. Глицериды (ней...
         2.1.2. Воска
      2.2. Сложные жиры
         2.2.1. Фосфолипиды
         2.2.2. Кликолипиды
         2.2.3. Стероиды
   3. Переваривание жиров в же...
   4. Основные виды патологии ...
   5. Норма жиров в питании, о...
   6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗА...
ТЕМА 4. БЕЛКИ
   1. СТРОЕНИЕ БЕЛКОВ
   2. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ БЕ...
   3. КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ
      3.1. ПРОСТЫЕ БЕЛКИ
         3.1.1. Глобулярные бе...
         3.1.2. Фибриллярные р...
         3.1.3. Фибриллярные н...
      3.2. СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ
         3.2.1. Фосфопротеиды
         3.2.2. Нуклеопротеиды
         3.2.3. Хромопротеиды
         3.2.4. Гликопротеиды
         3.2.5. Металлопротеид...
         3.2.6. Липопротеиды
   4. СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ АМИНО...
      4.1. Классификация амино...
   5. УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ БЕЛКО...
      5.1. Первичная структура
      5.2. Вторичная структура
      5.3. Третичная структура
      5.4. Четвертичная структ...
   6. ДЕНАТУРАЦИЯ БЕЛКОВ
   7. ПЕРЕВАРИВАНИЕ БЕЛКОВ В Ж...
   8. БЕЛКОВОЕ ПИТАНИЕ
   9. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗА...
ТЕМА 5. БИОКАТАЛИЗ
ТЕМА 5А. ФЕРМЕНТЫ
   1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И БИ...
      1.1. Отличие ферментов о...
   2. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА
   3. СТРОЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ
   4. МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕН...
   5. АКТИВАТОРЫ И ИНГИБИТОРЫ
      5.1. Активаторы
      5.2. Ингибиторы
   6. СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ
      6.1. Термолабильность
      6.2. Зависимость скорост...
      6.3. Зависимость активно...
      6.4. Специфичность
         6.4.1. Абсолютная спе...
         6.4.2. Относительная ...
   7. НОМЕНКЛАТУРА ФЕРМЕНТОВ
   8. КЛАСИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ И...
      I. Оксидоредуктазы
      II. Трансферазы
      III. Гидролазы
      IV. Лиазы
      V. Изомеразы
      VI. Лигазы
   9. ЛОКАЛИЗАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ В ...
   10. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
ТЕМА 5Б. ВИТАМИНЫ
   1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И БИ...
      1.1. Основные признаки в...
      1.2. Причины истощения з...
   2. КЛАССИФИКАЦИЯ ВИТАМИНОВ
      2.1. Водорастворимые вит...
      2.2. Жирорастворимые вит...
   3. БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ
   4. Контрольные вопросы

3. СТРОЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ

Все ферменты по химической природе являются простыми или сложными белками с большой молекулярной массой (каталаза - 248000 Д, пируват- дегидрогеназа - 4500000 Д). При гидролизе образуют аминокислоты и, так же как и белки чувствительны к действию высоких температур, излучению, солям тяжелых металлов, концентрированных кислот и щелочей.

По строению ферменты могут быть однокомпонентными, простыми белками, состоящими только из аминокислот и двухкомпонентными, сложными белками. Во втором случае в составе фермента обнаруживается добавочная группа небелковой природы

В разное время возникли различные наименования белковой части и добавочной группы в двухкомпонентных ферментах.

Чаще всего добавочную группу, прочно связанную, не отделяемую от белковой части (апофермента), называют простетической группой; в отличие от этого добавочную группу, легко отделяющуюся от апофермента и способную к самостоятельному существованию, обычно именуют коферментом.

Химическая природа важнейших коферментов была выяснена в 30-е годы нашего столетия благодаря трудам О. Варбурга, Р. Куна, П. Каррера и др. Оказалось, что роль коферментов в двухкомпонентных ферментах играют большинство витаминов (Е, К, Q, В1, В2, В6, В12, С, Н и др.) или соединений, построенных с участием витаминов (коэнзим А, НАД+ и т. п.). Кроме того, функцию коферментов выполняют такие соединения, как НS-глутатион, многочисленная группа нуклеотидов и их производных, фосфорные эфиры некоторых моносахаридов и ряд других веществ.

Характерной особенностью двухкомпонентных ферментов является то, что ни белковая часть, ни добавочная группа в отдельности не обладают заметной каталитической активностью. Только их комплекс проявляет ферментативные свойства. При этом белок резко повышает каталитическую активность добавочной группы, присущую ей в свободном состоянии в очень малой степени; добавочная же группа стабилизирует белковую часть и делает ее менее уязвимой к денатурирующим агентам. Таким образом, хотя непосредственным исполнителем каталитической функции является простетическая группа, образующая каталитический центр, ее действие немыслимо без участия полипептидных фрагментов белковой части фермента. Более того, в апоферменте есть участок, характеризующийся специфической структурой, избирательно связывающий кофермент. Это так называемый коферментсвязывающий домен; его структура у различных апоферментов, соединяющихся с одним и тем же коферментом, очень сходна. Таковы, например, пространственные структуры нуклеотидсвязывающих доменов ряда дегидрогеназ.

Иначе обстоит дело у однокомпонентных ферментов, не имеющих добавочной группы, которая могла бы входить в непосредственный контакт с преобразуемым соединением (Рис.2). Эту функцию выполняет часть белковой молекулы, называемая каталитическим центром. Предполагают, что каталитический центр однокомпонентного фермента представляет собой уникальное сочетание нескольких аминокислотных остатков, располагающихся в определенной части белковой молекулы.

Чаще всего в каталитических центрах однокомпонентных ферментов встречаются остатки Сер, Гис, Три ,Арг, Цис, Асп, Глу и Тир (Название аминокислот см. в таблице 'Классификация аминокислот'). Радикалы перечисленных аминокислот выполняют здесь ту же функцию, что и кофермент в составе двухкомпонентного фермента.

Аминокислотные остатки, образующие каталитический центр однокомпонентного фермента, расположены в различных точках единой полипептидной цепи. Поэтому каталитический центр возникает в тот момент, когда белковая молекула приобретает присущую ей третичную структуру. Следовательно, изменение третичной структуры фермента под влиянием тех или иных факторов может привести к деформации каталитического центра и изменению ферментативной активности.

Кроме каталитического центра, образованного сочетанием аминокислотных радикалов или присоединением кофермента, у ферментов различают еще два центра: субстратный и аллостерический.

Под субстратным центром понимают участок молекулы фермента, ответственный за присоединение вещества (субстрата), подвергающегося ферментативному превращению. Часто этот участок называют 'якорной площадкой' фермента, где, как судно на якорь, становится субстрат. Во многих случаях прикрепление субстрата к ферменту идет за счет взаимодействия с ε-аминогруппой радикала лизина (Лиз), расположенного в субстратном центре. Эту же роль может выполнять СООН-группа глутаминовой кислоты (Глу), а также НS-группа цистеина (Цис). Однако работы последних лет показали, что гораздо большее значение здесь имеют силы гидрофобных взаимодействий и водородные связи, возникающие между радикалами аминокислотных остатков субстратного центра фермента и соответствующими группировками в молекуле субстрата.

Понятие о каталитическом и субстратном центре не следует абсолютизировать. В реальных ферментах субстратный центр может совпадать (или перекрываться) с каталитическим центром. Более того, каталитический центр может окончательно формироваться в момент присоединения субстрата. Поэтому часто говорят об активном центре фермента, представляющем сочетание первого и второго. Активный центр у ферментов располагается на две щели при двухъядерной структуре, например у лизоцима и рибонуклеазы, или на дне глубокой впадины, как у химотрипсиногена.

Аллостерический центр представляет собой участок молекулы фермента, в результате присоединения к которому определенного низкомолекулярного (а иногда - и высокомолекулярного) вещества изменяется третичная структура белковой молекулы. Вследствие этого изменяется конфигурация активного центра, сопровождающаяся либо увеличением, либо снижением каталитической активности фермента. Это явление лежит в основе так называемой аллостерической регуляции каталитической активности ферментов.

Рис.2. Схема строения фермента

Значения молекулярных масс ферментов колеблются в широких пределах: от нескольких тысяч до нескольких миллионов. В природе насчитывается несколько десятков ферментов, обладающих сравнительно небольшими молекулами (до 50 тыс.). Однако большинство ферментов представлено белками более высокой молекулярной массы, построенными из субъединиц. Так, каталаза (М=25200) содержит в молекуле шесть протомеров с М=42000 каждый. Молекула фермента, ускоряющего реакцию синтеза рибонуклеиновых кислот (РНК-полимераза, М = 400000), состоит из 6 неравных субъединиц. Полная молекула глутаматдегидрогеназы, ускоряющей процесс окисления глутаминовой кислоты (М=336000), построена из 6 субъединиц с М=56000.

Способы компоновки протомеров в мультимеры разнообразны. Крайне важно, что достроенный из субъединиц фермент проявляет максимальную каталитическую активность именно в виде мультимера: диссоциация на протомеры резко снижает активность фермента. Не все ферменты-мультимеры построены исключительно из каталитически активных протомеров. Наряду с каталитическими в их составе отмечены регуляторные субъединицы, как, например, у аспартат-карбамилтрансферазы.

Среди ферментов-мультимеров безусловно преобладают димеры и тетрамеры (их несколько сотен), в меньшей мере распространены гексамеры и октамеры (несколько десятков) и необыкновенно редко встречаются тримеры и пентамеры.

Молекулы ферментов-мультимеров в ряде случаев составлены из субъединиц двух типов, обозначаемых условно как субъединицы типа А и В. Они сходны друг с другом, но отличаются по некоторым деталям первичной и третичной структур. В зависимости от соотношения протомеров типа А и В в мультимере последний может существовать в виде нескольких изомеров, которые называют изозимами. Так, при четырех субъединицах возможны 5 изозимов:

I AAAA

II AAAB

III AABB

IV ABBB

V BBBB

В настоящее время интерес к изозимам резко повысился. Оказалось, что кроме генетически детерминированных изозимов существует большая группа ферментов, обладающая множественными формами, возникающими в результате их посттрансляционной модификации. Множественные формы ферментов и изозимы в частности используются сейчас для диагностики болезней в медицине, прогнозирования продуктивности животных подбора родительских пар при скрещивании для обеспечения максимального гетерозиса в потомстве и т. п.

Значение пространственной организации ферментов особенно ярко выявляется при изучении строения так называемых мультиэнзимов, т.е. ферментов, обладающих способностью ускорять одновременно несколько химических реакций и осуществлять сложные превращения субстрата. Примером может служить мультиэнзим, ускоряющий реакцию окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты. Этот многоферментный комплекс с М=4500000 состоит из трех видов ферментов. Первый из них (E1) ускоряет реакцию декарбоксилирования пировиноградной кислоты. В состав комплекса входит 12 димерных молекул этого фермента (К=19200). Второй и третий ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные процессы при окислении пировиноградной кислоты, сосредоточены внутри мультиэнзимного комплекса. Один из них (Е3) представлен шестью димерными молекулами (М=112 000), другой (Е2) - 24 протомерами (М=70000).

В тех случаях, когда мультиэнзимный комплекс обслуживает единый, многоступенчатый процесс биохимических превращений, его называют метаболоном (от слова метаболизм - обмен веществ). Таковы метаболоны гликолиза, биосинтеза ряда аминокислот, цикла дикарбоновых и трикарбоновых кислот и др.

В результате слаженного во времени и пространстве действия всех трех видов входящих в его состав ферментов мультиэнзим с огромной скоростью осуществляет превращение пировиноградной кислоты. Именно в кооперативном характере каталитического процесса и кроется главное отличие биокатализаторов от катализаторов неорганической природы, именно поэтому интенсивность биокатализа в десятки, сотни и тысячи раз превосходит мощность действия неорганических катализаторов.

Сравнительно недавно выявлена еще одна своеобразная черта в строении ферментов: некоторые из них являются полифункциональными, т.е. обладают несколькими энзиматическими активностями, но всего лишь одной полипептидной цепью. Дело в том, что эта единая цепь при формировании третичной структуры образует несколько функционально и стерически обособленных глобулярных участков - доменов, каждый из которых характеризуется своей каталитической активностью.

При изучении мультиэнзимных комплексов и полифункциональных ферментов удалось понять наиболее важную особенность ферментативного катализа, а именно - эстафетную передачу промежуточных продуктов реакции от одного компонента каталитической системы к другому без их высвобождения.

Биолого-химический факультет УдГУ
Кафедра анатомии физиологии человека и животных
c 2003 к.б.н. Мадера Е.А.

Powered by swift.engine.edu
c 2003 MITTEC