Биохимия и ее задачи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Биохимия и ее задачи

биологический гемоглобин ферментативный катализ

Биохимия - это наука о структуре веществ, входящих в состав живого организма, их превращениях и физико-химических процессах, лежащих в основе жизнедеятельности.

Биохимия является одной из фундаментальных дисциплин медицины и биологии. Она занимается познанием живого на уровне макромолекул. Биохимия - это результат интеграции биологии и химии.

Разделы биохимии:

1. статическая (биоорганическая химия);

2. динамическая (изучает превращение веществ);

3. функциональная (изучает физико-химические процессы).

Выделяют разделы биохимии в зависимости от объекта изучения: биохимия животных, микроорганизмов, растений, человека, клиническая биохимия и т.д.

Основные задачи биохимии:

1. изучение процессов биокатализа;

2. изучение строения и функций нуклеиновых кислот;

3. изучение молекулярных механизмов наследственности;

4. изучение строения, обмена белков;

5. изучение превращения углеводов;

6. изучение процессов обмена липидов;

7. изучение роли биорегуляторов (гормоны, нейромедиаторы);

8. изучение роли витаминов и минеральных веществ.

Значение БХ для медицины:

1. необходима для понимания сущности заболевания (патогенеза), его механизма. Пр.: сахарный диабет в результате недостатка инсулина, атеросклероз - нарушение обмена липопротеинов, опухолевый рост - функционирование онкогенов;

2. необходима для диагностики заболеваний. Пр.: биохимический анализ крови, мочи. Определяется:

а) количество субстрата (уровень метаболита);

б) активность фермента;

в) количество биорегуляторов (гормонов и нейропептидов);

В диагностике заболеваний используются различные методы: радио-иммуный анализ, иммуно-ферментный анализ, введение ДНК-зондов для выявления чужеродной ДНК, дефектов ДНК, онкогенов. Также позволяет выявить предрасположенность к заболеваниям;

3. разработка новых лекарственных препаратов;

4. необходима для профилактики заболеваний. Пр.: рахит - в результате недостатка витамина D, цинга - витамина С.

Белки и их биологическая роль

Белок (протеины) - protos - предшествующий всему, первичный, наиглавнейший, определяющий всё остальное.

Белки - это высокомолекулярные азотсодержащие органические вещества, состоящие из аминокислот, соединённых в цепи с помощью пептидных связей и имеющих сложную структурную организацию.

Основные отличительные признаки белков:

1. содержат азота больше, чем другие вещества (16%). Так, 1г азота содержится в 6,25г белка;

2. состоят из альфа-аминокислот L-ряда;

3. наличие пептидных связей;

4. большая молекулярная масса (от 4-5 тыс. дальтон до нескольких млн.);

5. имеют сложную структурную организацию;

6. белки составляют 25% сырой ткани и 45-50% сухой ткани.

Биологическая роль белков:

1. каталитическая (выполняют ферменты);

2. структурная, т.е. белки являются основным компонентом клеточных структур;

3. регуляторная (выполняют белки-гормоны);

4. рецепторная, т.е. рецепторы клеточных мембран имеют белковую природу;

5. транспортная - белки участвуют в транспорте липидов, токсических веществ, кислорода и т.д.;

6. опорная - выполняет белок коллаген;

7. энергетическая. Заключается в том, что при окислении 1г белка выделяется 17,6 кДж (4,1ккал) энергии;

8. сократительная - её выполняют белки актин и миозин;

9. генно-регуляторная - её выполняют белки гистоны, участвуя в регуляции репликации;

10. имуннологическая - её выполняют белки антитела;

11. гемостатическая - участвуют в свёртывании крови, препятствуют кровотечению;

12. антитоксическая, т.е. белки связывают многие токсические вещества (особенно соли тяжёлых металлов) и препятствуют развитию интоксикации в организме.

Физико-химические свойства белков:

Структура белка определяет его свойства. Существует несколько групп свойств.

I. Электрохимические свойства белков:

1. белки - амфотерные полиэлектролиты (амфолиты). Это достигается за счет наличия концевых СОО- и NH3+ групп, а также ионогенных групп боковых радикалов (ГЛУ, АСП, ЛИЗ, АРГ, ГИС)

2. буферность белков (поддержка рН среды). При физиологических значениях рН буферные свойства ограничены и обусловлены наличием кислотных и основных групп. Наибольшим буферным действием обладает гистидин, которого много в гемоглобине, за счет чего последний является мощным буфером крови;

3. наличие заряда в белковой молекуле. Обусловлено соотношением кислых и основных АК, а также ионизацией бокового радикала. Степень ионизации зависит от рН среды. Так, если среда кислая, то ионизация СООН групп заторможена и белок приобретает «+» заряд. В щелочной среде заторможена ионизация NH2 групп и белок заряжается «--».

Изоэлектрическое состояние белка наступает, когда заряд белковой молекулы равен 0, а рН среды, при котором белок находится в изоэлектрическом состоянии, называется изоэлектрической точкой (рI). Она определяется соотношением кислых и основных радикалов. У большей части белков цитоплазмы рI меньше 7, т.е. эти белки кислые; у ядерных белков больше 7, т.е. они основные.

Наличие заряда используется для разделения белков с помощью электрофореза - движения белков в электрическом поле. Наличие заряда обусловливает устойчивость в растворе. В изоэлектрическом состоянии белки наименее устойчивы и выпадают в осадок.

II. Коллоидные свойства.

Растворы белков чаще всего достаточно устойчивы. Хорошая растворимость приближает растворы белков к истинным растворам, но высокая молекулярная масса придает им свойства коллоидных систем:

1. способность рассеивать свет (опалисценция). Наблюдается помутнение при боковом освещении - эффект Тиндаля [рис. рассеивающегося луча]. Используется в световой микроскопии (нефелометрии);

2. малая скорость диффузии;

3. высокая вязкость растворов белков;

4. неспособность белков проникать через полупроницаемые мембраны (явление осмоса). На этом основан диализ - очищение белков;

5. способность белковых растворов образовывать гель. Наиболее выражено у фибриллярных белков.

III. Гидрофильные свойства.

Белки хорошо связываются водой, обусловлено наличием полярных гидрофильных групп. Вода может проникать в белок и связываться с его гидрофильными группами, вызывая его набухание. Также возможно образование гидратной оболочки. 100г белка связывают 30-35г воды.

IV. Растворимость белков.

Чем больше полярных групп содержит белок, тем больше он растворим. Глобулярные белки растворяются лучше. Растворимость белков зависит от 2-х факторов:

- наличия заряда;

- образования гидратной оболочки.

Чтобы осадить белок, необходимо ликвидировать эти 2 фактора. Осаждение белков с помощью нейтральных солей называется высаливание - обратимое осаждение. После удаления высаливающегося фактора белок сохраняет все свои свойства.

V. Денатурация.

Под действием внешних факторов нарушается высшие уровни (вторичный, третичный, четвертичный) структурной организации белков с сохранением первичной структуры. При этом белок теряет свои нативные свойства. При денатурации разрываются связи, удерживающие высшие структурные организации. Денатурацию вызывают физические и химические факторы: давление, температура, механическое воздействие, ультразвук, ионизирующее излучение, кислоты, щёлочи, органические растворители, соли тяжёлых металлов. При кратковременном воздействии денатурирующих факторов возможна ренатурация.

Классификация белков

В настоящее время насчитывается ~5 млн. белков. Их пытались классифицировать по физико-химическим свойствам, например по растворимости, плотности, форме молекул (глобулярные и фибриллярные), локализации и происхождению, АК-составу, биологической роли. Однако все эти классификации не соответствуют тем знаниям о белках, которые известны на сегодняшний день.

В основе классификации лежит химический состав белка. По этому признаку все белки делят на простые и сложные.

Простые белки - это белки, образованные только полипептидными цепями, состоящие только из АК-ных остатков.

Сложные белки имеют две части: белковая или пептидная построена из АК-ных остатков, и небелковая (простетическая) часть.

К простым белкам относят: гистоны, протамины, альбумины, глобулины, глютелины, проламины и протеноиды (склеропротеины).

К сложным белкам относят: хромопротеины, нуклеопротеины, фосфопротеины, углевод-белковые и липид-белковые комплексы.

Связь белковой части с небелковой может быть ковалентной, ионной и др.

Характеристика простых белков

В основе классификации (создана в 1908г.) лежит растворимость белков. По этому признаку выделяют:

I. гистоны и протамины, растворимые в солевых растворах. Они относятся к низкомолекулярным белкам (M<5 000 дальтон, Да). В своем составе эти белки содержат большое количество диаминомонокарбоновых кислот (аргинина и лизина). В водной среде они имеют «+» заряд, изоэлектрическая точка (ИЭТ) лежит в области pH 9-12 (щелочная среда).

Основные функции протаминов и гистонов:

1. структурная, т.е. они поддерживают пространственную организацию ДНК и входят в состав ДНП.

2. регуляторная - гистоны регулируют процесс транскрипции.

Протамины имеют меньшую молекулярную массу, чем гистоны; они содержат больше аргинина (до 85%). Происхождение протаминов: сальмин выделен из молок лососевых рыб, скумбрин - скумбрии.

II. Альбумины и глобулины. Это наиболее важные белки плазмы крови (составляют 60%). Содержание альбумина 35-50 г/л, глобулина 20-30 г/л. По форме молекулы это глобулярные белки.

Альбумины растворимы как в воде, так и в солевых растворах, имеют M 40-70 кД (килодальтон, т.е. тысяч дальтон). Особенностью АК-состава является повышенное содержание глутаминовой, аспарагиновой кислот, следовательно в водном растворе эти белки имеют «-» заряд. ИЭТ лежит в пределах pH 4,7 в кислой среде.

В организме альбумины выполняют следующие функции:

1. транспортная - переносят метаболиты, лекарственные вещества, ВЖК (высшие жирные к-ты), холестерины, гормоны, желчные пигменты, ионы Ca2+ и др.

2. поддержание онкотического давления, т.к. осмотическое давление крови на ~75-80% обеспечивается за счет альбуминов.

Глобулины плохо растворимы в воде, но хорошо в солевых растворах. Имеют большую M до 150 кД. Проявляют либо слабовыраженные кислотные, либо нейтральные свойства. ИЭТ лежит в пределах pH 6-7,3.

В норме содержание альбуминов и глобулинов лежит в определенной пропорции - альбумино-глобулиновый или белковый коэффициент: К=А/Г1,5-2,3. Определение АГК имеет диагностическое значение, т.к. при патологиях оно меняется.

Например, при инфекционных заболеваниях увеличивается содержание глобулина, АГК уменьшается; при патологии почек нарушается их фильтрационная способность, количество альбуминов уменьшается, следовательно, АГК также падает. Чтобы определить белковый коэффициент необходимо отнести содержание альбумина к содержанию глобулина.

Методы разделения (фракционирования) белков

1. Высаливание - разделение на основе различной растворимости альбуминов и глобулинов. Осаждение белков обычно производят сульфатом аммония (NH4)2SO4. В насыщенном растворе этого реактива осаждаются альбумины, а в полунасыщенном - глобулины.

2. Электрофорез - разделение белков при движении в электрическом поле за счет разности их заряда.

Основные белки сыворотки крови делятся на несколько фракций. Быстрее всех движутся к аноду альбумины - это гомогенная фракция. Глобулины делятся на 4 фракции: 1, 2, , [рис. альбуминов и 4-х глобулинов и как они движутся к аноду].

В крови определяется общий белок. Нормальное общее содержание белка, но изменено соотношение его фракций - диспротенемия. При инфекционных заболеваниях увеличивается содержание g-глобулиновой фракции. При заболеваниях почек снижается содержание альбуминовой фракции, но увеличивается содержание a2 и b глобулинов. Также наблюдается парапротеинемия - появление патологических белков, например при некоторых онкологических заболеваниях.

III. Проламины и глютелины. Это основные растительные белки. Они не растворяются ни в водных растворах, ни в свободном этаноле, но растворяются в 65% растворе этанола. По АК-составу присутствует глутамин (до 25%), пролин (до 15%). В кукурузе содержится зеин, в ячмене - гордеин, в пшенице - глиадин.

IV. Протеиноиды (склеропротеины). Они не растворяются ни в воде, ни в солевых растворах. Это фибриллярные белки опорных тканей. Входят в состав сухожилий, костной, хрящевой тканей и др. К ним относятся: кератины - белки волос, ногтей; коллагены - белки соединительной ткани; эластины - белки, входящие в состав связок.

Особенностью АК-состава является повышенное содержание аланина, глицина, пролина. Имеется оксипролин. Эти белки составляют 25-33% от всех белков в организме.

Характеристика сложных белков

Они имеют белковую и небелковую (простетическую) части. Белковую часть составляет полипептид, построенный из АК-остатков. В состав небелковой части может входить: гем, металл, остаток фосфорной кислоты, углеводы, липиды и т.д.

Хромопротеины

Для них простетическая часть окрашена (chromos - краска). К хромопротеинам относятся гемоглобин, миоглобин, каталаза, пероксидаза, ряд флавинсодержащих ферментов (сукцинатдегидрогеназа, альдегидоксидаза, ксантиноксидаза), цитохромы (гемсодержащие белки) и т.д. Велика биологическая роль этих белков - участвуют в физиологических процессах: дыхание клетки, транспорте кислорода и углекислого газа, окислительно-восстановительных процессах.

Гемоглобин. Его белковая часть представлена глобином, небелковая - гемом. Это олигомерный белок, т.е. имеет четвертичную структуру, состоящую из 4 субъединиц.

цепи построены из 141 АК-остатка.

цепи из 146 АК-остатков [рис. 4-х субъединиц, в каждой нарисована точка - гем].

Каждая из субъединиц связана с гемом:

[гем]

Основная функция гемоглобина - транспортная (кислород, углекислый газ). Также он представляет собой основную буферную систему крови (75% от всей буферной емкости крови).

Различают:

- HbO2 - оксигемоглобин (связан с молекулой O2);

- HbCO - карбоксигемоглобин;

- HbCO2 - карбгемоглобин;

- HbOH - метгемоглобин (образуется при соединении с нитросоединениями, не способен связывать кислород).

Типы гемоглобина. Всего известно более 100 типов, но их все делят на 2 группы:

1) Физиологические гемоглобины;

2) Патологические (аномальные).

К физиологическим гемоглобинам относятся:

- Hb P - примитивный гемоглобин, имеет место быть у 1-2 недельного эмбриона;

- Hb F - фетальный или гемоглобин плода, к моменту рождения составляет около 70% всего гемоглобина в крови;

- Hb A, Hb A2, Hb A3 - это гемоглобины взрослого организма. На Hb A приходится около 90-96%.

Физиологические типы гемоглобинов отличаются глобулиновой частью (АК-составом). Например Hb A содержит 2 и 2b субъединицы, а Hb F - 2 и 2 субъединицы.

К аномальным (возникающих при наследственных заболеваниях) гемоглобинам относятся:

- HbS - гемоглобин, сопутствующий серповидно-клеточной анемии. Отличается от нормального тем, что с N-конца в 6 положении b-цепи глутамин заменен на валин.

Миоглобин по сравнению с гемоглобином имеет третичную структуру, одну полипептидную цепь, один гем и может связывать одну молекулу кислорода. Гемоглобин и миоглобин функционируют вместе. Гемоглобин доставляет кислород из легких к тканям, а миоглобин перераспределяет его внутри клетки (доставляет к митохондриям).

Оба белка - гемопротеины, т.е. гемсодержащие белки.

Липид-белковые комплексы

Липид-белковые комплексы - сложные белки, простетическую часть которых составляют различные липидные компоненты. К таким компонентам относятся:

1. предельные и непредельные ВЖК. К предельным относятся стеариновая С17Н35СООН и пальмитиновая С15Н31СООН; к непредельным - олеиновая С17Н33СООН, линолевая С17Н31СООН, линоленовая С17Н29СООН и др.;

2. простые и смешанные триацилглицериды. К простым относится трипальмитин, а к смешанным - олеодистеарин :

СН2 - О - СО - С15Н31 СН2 - О - СО - С17Н33

| |

СН - О - СО - С15Н31 СН - О - СО - С17Н35

| |

СН2 - О - СО - С15Н31 СН2 - О - СО - С17Н35

3. фосфолипиды - сложные эфиры глицерина, ВЖК, остатка фосфорной кислоты и гидроксилсодержащего компонента (холин, серин, этаноламин, инозит и др.).

СН2 - О - СО - О - РО2Н - О - С2Н4 - NH2

|

СН - О - СО - С17Н35

|

СН2 - О - СО - С17Н35 [фосфатидилэтаноламин]

4. холестерин (холестерол), его эфиры. В основе холестерина лежит циклопентанпергидрофенантрен.



Связывание белковой и простетической части может осуществляется за счет:

- ионных связей, что характерно для связи фосфолипидов с белковой частью;

- гидрофобных взаимодействий между гидрофобным участком белковой молекулы и более гидрофобным участком простетической части.

Липопротеины

Делятся на:

- свободные липопротеины (ЛП) - хорошо растворимые в воде вещества, транспортные формы (доминируют белки);

- структурные протеолипиды - хорошо растворимые в органических растворителях.

К свободным ЛП относят транспортные ЛП крови. В составе этих частиц могут быть ВЖК, триацилглицерины, фосфолипиды, холестерин, холестериды и др. Наружная часть - -полярные соединения (гидрофильные): белки, фосфолипиды, холестерин. В центре частицы локализованы холестериды, эфиры ВЖК, триацилглицириды, фосфолипиды [рис. этого]. Все их можно разделить по плотности и по электрофоретической подвижности:

1. хиломикроны (ХМ) - самые крупные и наименее плотные (<10,95 кг/л) частицы. Состоят из 2% белка и 98% липидных компонентов (триглицериды). Образуются в кишечнике. Их количество резко возрастает после приема богатой липидами пищи;

2. ЛП очень низкой плотности (ЛПОНП) - по электрофоретической подвижности эта фракция предшествует -ЛП (пре--ЛП). Их плотность =0,94 - 1,006 кг/л. Содержат повышенное количество белка. Образуются в печени, осуществляют транспорт триглицеридов из нее;

3. ЛП низкой плотности (ЛПНП) - по электрофоретической подвижности -ЛП. Плотность от 1,006 до 1,06 кг/л;

4. ЛП высокой плотности (ЛПВП) - по электрофоретической подвижности -ЛП. Плотность от 1,06 до 1,2 кг/л. Содержат примерно 60% белка.

По составу липидов, ЛП низкой и высокой плотности богаты холестерином и фосфолипидами.

Биологическая роль свободных ЛП сводится к транспортным функциям. За счет их гидрофильной оболочки происходит перенос различных веществ в клетки. Также они играют важную роль в диагностике патогенеза.

ЛПНП и ЛПОНП относятся к атерогенным ЛП, т.к. они богаты холестерином и являются крупными частицами, поэтому они застревают в сосудах и вызывают разрастание соединительной ткани.

ЛПВП - это антиатерогены, т.к. транспорт холестерина ими происходит из клеток в ткани.

Структурные липопротеины. Они плохо растворяются в воде, но хорошо в других растворителях. Участвуют в построении биомембран. Содержат 65-85% белка, находящийся в центре частицы и окружен липидами - поэтому их называют протеолипиды. В составе структурных ЛП важную роль играют фосфолипиды. Биологическая роль структурных ЛП заключается в транспорте веществ через клеточные мембраны, передаче нервного импульса и выполнении ими ферментативной функции.

Нуклеопротеины

Нуклеопротеины - это сложные белки, содержащие в качестве небольшой части нуклеиновые кислоты (до 65%).

НП состоят из 2-х частей: белковой (содержит гистоны и протамины, которые являясь основными белками, придают основные свойства) и простетической, представленной НК, сообщающими кислотные свойства. Взаимодействие между этими частями по ион-ионному механизму. Все НП по составу НК можно разделить на 2 группы: рибонуклеопротеины (РНП) и дезоксирибонуклеопротеины (ДНП).

Состав НК

НК - высокомолекулярные органические вещества, полинуклеотиды. Мономерами являются мононуклеотиды. Каждый мононуклеотид состоит из: углевода, азотистого основания и фосфорной кислоты. Так, РНК содержит -D-рибофуранозу (рибозу), одно из 4-х возможных азотистых оснований (А, Г, Ц или У) и остаток фосфорной кислоты. ДНК содержит -D-дезоксирибофуранозу (дезоксирибозу), одно из 4-х возможных азотистых оснований (А, Г, Ц или Т) и остаток фосфорной кислоты.

Строение азотистых оснований:

К группе пуриновых относятся аденин (6-аминопурин) и гуанин (2-амино-6-оксипурин). К группе пиримидиновых - урацил (2,4-диоксипиримидин), тимин (5-метилурацил) и цитозин (2-окси-4-аминопиримидин).

Схема образования нуклеотидов: [рис. схемы: аденин присоединяет рибозу и фосфорную к-ту, при этом выделяются 2 молекулы воды и образуется АМФ]. В клетке имеются нуклеотидфосфаты, дезоксинуклеотидфосфаты, трифосфаты (АТФ).

Структура нуклеиновых кислот:

Имеют несколько уровней структурной организации.

1. первичная структура. РНК и ДНК построены однотипно - представлены полинуклеотидной цепью, состоящей из отдельных мононуклеотодов, соединённых между собой 3'>5'-фосфодиэфирными связями. Эта связь образуется между фосфорным остатком одного мононуклеотида и 3'-ОН-группой пентозного остатка другого мононуклеотида. [рис. образования такой связи] Разные НК отличаются числом, порядком чередования и составом НК.

2. вторичная структура. По рентгеноструктурному анализу ДНК в 1953г Уотсон и Крик предложили модель строения ДНК, которая объясняла самовоспроизведение организмов, наследственную изменчивость. Вторичная структура представляет собой двойную спираль, состоящую из 2 полинуклеотидных цепей, закрученных вокруг одной общей оси. Эти цепи антипараллельны, т.е. одна идет в направлении 5'>3', а другая 3'>5'. Пуриновому основанию одной цепи соответствует пиримидиновое основание другой цепи - эти основания комплиментарны друг другу, т.е. дополняют одно другое до целого. Между А и Т две водородные связи (А=Т), а между Г и Ц - 3 (ГЦ).

Молекула спирализована на всем протяжении, гидрофобные участки внутри спирали, их плоскости перпендикулярны основаниям и параллельны друг другу. В вертикальном направлении возникают гидрофобные взаимодействия. Вторичная структура стабилизируется водородными связями и гидрофобными взаимодействиями.

Вторичная структура РНК более простая, представляет собой одну полинуклеотидную цепь, в которой спирализованы лишь некоторые участки. Вторичная структура РНК представлена в виде клеверного листа. Для тРНК известна третичная структура в форме буквы Г. [рис. РНК в виде клеверного листа]

Биологическая роль НК:

ДНК - основная часть её локализуется в ядре в виде ДНП в составе хроматина или хромосом делящихся клеток. Главная роль - хранение генетической информации, участие в процессе транскрипции в качестве матрицы для построения молекулы РНК.

Все РНК по функции делятся на:

- рРНК (рибосомальные), составляют до 80% в составе рибосом. Играют роль каркаса для объединения рибосом белков;

- мРНК (иРНК) - образуется в ядре (ядрышке). Переносит информацию из ядра в цитоплазму, является матрицей в процессе трансляции белка. последний кодон иРНК соответствует последней АК в белке;

- тРНК по своей форме напоминает форму клеверного листа и представляет собой полинуклеотидную цепь, которая составляет 3 петли и отдельные участки могут быть спирализованы. тРНК активирует аминокислоты и транспортирует их к месту биосинтеза белков, также участвует в трансляции. Имеет антикодоновый триплет - место, с помощью которого тРНК связывается с комплиментарным кодоном мРНК.

Углевод-белковые комплексы

В качестве простетической группы выступают углеводы. Все углевод-белковые комплексы делятся на гликопротеины и протеогликаны.

Гликопротеины (ГП)- комплекс белков с углеводными комплексами, где на долю углеводов приходится 2-20%. Углеводы представлены гетерополисахаридами, не имеющих системного строения (не происходит повторения углеводного фрагмента). До 15 видов моносахаридов могут присутствовать в этих гетерополисахаридах: глюкоза, галактоза, глюкозамин, галактозамин, глюкуроновая кислота, нейраминовая кислота (ПВК+маннозамин).

В качестве исключения к группе ГП относят ГП крови, которые определяют группу крови. В них на углеводную часть приходится до 80%, т.к. углеводный компонент не имеет регулярного строения. В этих белках между белковой и небелковой частями ковалентная связь, которая может быть разной по природе:

- гликозил-амидная: моносахариды связаны с амидной группой аспарагина (АСП). Такая связь в белках - иммуноглобулинах, гормонах и т.д.

- О-гликозидная: моносахарид образует гликозидную связь с гидроксилсодержащей АК - СЕР, ТРЕ. Такая связь характерна для муцина слюны, групповых веществ крови. Также этот тип связи может образовываться при взаимодействии моносахарида с ОН-группой окси-ПРО - в коллагеновых белках.

Свойства ГП:

1. термостабильность, т.е. при увеличении и уменьшении температуры белки не денатурируют;

2. плохо перевариваются трипсином и пепсином в ЖКТ;

3. специфичность молекулы - из них построены «узнающие участки» (узнают макромолекулы или участки поверхности клеток);

4. быстро выводятся из клеток и находятся в межклеточной жидкости или на поверхности клеточных мембран.

Биологическая роль ГП:

1. транспортная роль - связываются с различными веществами и переносят их. Пр.: ГП трансферин переносит ионы железа, церулоплазмин - переносит ионы меди, транскортин - гормоны.

2. каталитическая. ГП-ми являются многие ферменты. Пр.: пероксидаза, рибонуклеаза, энтерокиназа, холинэстераза.

3. защитная - входят в состав различных слизей, например муцин слюны.

4. свёртывающая. Пр.: фибриноген, протромбин участвуют в системе свертывания крови.

5. определяют группу крови. От строения нуклеотидных цепей ГП зависит специфичность ГП, определяющего группу крови.

6. ГП клеточной мембраны выделяются рецепторами и участвуют в механизмах межклеточного взаимодействия и узнавания.

7. регуляторная - некоторые гормоны являются ГП. Пр.: гонадотропный гормон, фолликулостимулирующий гормон.

Протеогликаны (ПГ). Углеводный компонент приходится 95%. Углеводные компоненты представлены линейными гетерополисахаридами системного строения. Их строение однотипно. Структурная единица - димер, состоящий из моносахаридов 2-х видов, которые, соединяясь, образуют структурную единицу полисахаридов. [рис. МС 1 и МС 2 соеденены между собой -1,3-гликозидной связью, а сами эти фрагменты - собой -1,4-гликозидной связью] МС1 - глюкуроновая кислота, МС2 - N-ацетилгексозамин.

Среди гетероплисахаридов, входящих в состав ПГ, основными являются: гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты, гепарин и др.

Гиалуроновая кислота. Полимер, структурная единица - димер, состоящий из глюкуроновой кислоты и N-ацетилглюкозамина.



Хондроитинсульфаты (ХС). Это полимеры, структурной единицей которых является димер, состоящий из глюкуроновой кислоты и N-ацетилгалактозамина (сульфатирован по 4 или 6 положению).

ХС-ты входят в состав опорной, костной ткани, хрящей, сухожилий. Наличие сульфатной группировки и ОН-группы глюкуроновой кислоты придаёт этим соединениям дополнительные отрицательные заряды в растворе, и эти полимеры являются полианионами. Поэтому они легко притягивают Са2+ и таким образом в процессах минерализации играют определённую роль в связывании Са. В межклеточном матриксе протеогликаны организованы в своеобразные комплексы («ерш из ершиков»). Такой комплекс содержит до 160 протеогликанных единиц.

Гепарин. Полимер, структурной единицей является димер, состоящий из глюкуроновой кислоты, связанной с N-ацетилглюкозамином, сульфатированым 4 или по 6 положению серной кислотой.

Гепарин не является структурным компонентом межклеточного матрикса. Он вырабатывается тучными клетками соединительной ткани и после их цитолиза выделяется в межклеточное пространство и кровеносное русло. В крови может соединяться с неспецифическими белками. Гепарин - естественный природный коагулянт, препятствует свёртыванию крови.

ПГ выполняют следующую роль:

1. роль «рессор» - смягчают нагрузки на суставные поверхности (в хрящах, суставных поверхностях);

2. ограничивают диффузию и проницаемость межклеточного вещества для различных молекул и крупных частиц. Гиалуроновая кислота подвергается гидролизу под действием фермента - гиалуронидазы. В норме, в здоровой ткани, фермент и субстрат находятся в равновесии. при патологических процессах количество фермента может увеличится, что приводит к гидролизу гиалуроновой кислоты и нарушению проницаемости. При этом разрываются -1,4-гликозидные связи;

3. являются поливалентными анионами. Способны связывать большие количества ионов Na+ и др. катионов и участвуют в регуляции водно-солевого обмена;

4. Гиалуроновая кислота может присутствовать в свободном виде, например в хрусталике глаза, суставной жидкости. Она имеет консистенцию геля и выполняет различные функции.

Фосфопротеины

Белки, где в качестве простетической группы - фосфорная кислота. Присоединение фосфорной кислоты к полипептидной цепи идет с образованием сложноэфирной связи с АК СЕР или ТРЕ.

Типичными фосфопротеинами являются: казеин молока (1% фосфорной кислоты), желток куриного яйца (вителлин), икра рыб (ихтулин). Большое количество ФП содержится в нервных клетках. Для ФП характерен широкий диапазон функций в метаболизме. За счет фосфорилирования и дефосфорилирования ферментов происходит регуляция их активности.

Ферменты

Ферменты - это биологические катализаторы белковой природы. В одной клетке до 10 тыс. молекул фермента, которые катализируют 2000 ферментативных реакций. 1800 тыс. ферментов выделены, но их строение не расшифровано. Старое название ферментов - энзимы, а наука, их изучающая - энзимология.

По своей химической природе ферменты - это белки, они имеют несколько уровней структурной организации и обладают всеми другими свойствами белков. Очень большое количество ферментов не имеют 4-ую структуру, т.е. являются олигомерами.

Ферменты могут быть простыми и сложными. Простые состоят только из полипептидной цепи, а сложные имеют пептидную (апофермент) и небелковую части (кофермент). Далее идёт рис. [апофермент+кофермент=холофермент - обладает полноценной функциональной активностью]. По отдельности ни апофермент, ни кофермент, не выполняют функции так, как холофермент.

Строение ферментов. В пространственной структуре фермента условно выделяют ряд участков, которые выполняют соответствующие им функции. Активный центр (АЦ) - участок в молекуле фермента, где происходит связывание и химическое превращение субстрата (S). Субстрат - вещество, подвергающееся химическому превращению (например, для фермента лактатдегидрогеназы (ЛДГ) субстратом будет молочная кислота). В активном центре выделяется контактный участок и каталитический участок. Контактный участок - это место активного центра, в котором происходит связывание фермента с субстратом по принципу комплементарности, т.е. именно контактный участок обеспечивает специфическое сродство субстрата ферменту. Образовавшийся комплекс носит название фермент-субстратный комплекс. Каталитический участок (центр) - это место в активном центре фермента, где происходит химическое превращение субстрата [рис. изображён фермент-субстратный комплекс, а именно контактный участок, каталитический участок, активный центр и субстрат].

Если фермент - сложный белок, то обычно простетическая часть находится тоже в активном центре и участвует в формировании активного центра. Активный центр занимает небольшую часть молекулы фермента, обычно располагается в углублении, и в его образовании участвует небольшое число аминокислотных остатков (до 20). Аминокислотные остатки могут быть удалены друг от друга, но при формировании пространственной структуры фермента они располагаются в области активного центра.

В формировании активного центра могут участвовать остатки, несущие следующие функциональные группы: NH2 (ЛИЗ, АРГ), COOH (ГЛУ, АСП), OH (СЕР, ТРЕ), SH (ЦИС), имидазольное кольцо (ГИС). В качестве единиц, участвующих в формировании активного центра, могут выступать кофакторы - ионы металлов (Cu2+, Fe2+ и т.д.), а также коферменты. В сложном ферменте АК-остатки активного центра создают условия для правильной его конформации и помогают кофакторам в связывании, ориентации, а, следовательно, и в превращении субстрата.

Боковые группы остальных аминокислот не участвуют в образовании активного центра, но обеспечивают правильную пространственную конформацию активного центра и влияют на его реакционную способность.

Ряд ферментов могут содержать аллостерический центр. [рис. фермента с аллостерическим и активным центрами] Эти ферменты относят к аллостерическим ферментам. К аллостерическому центру присоединяются различные вещества, отличные по строению от субстрата. Эти вещества могут изменять конформацию активного центра, т.е. влиять на связывание и превращение субстрата, они называются аллостерическими эффекторами. Все аллостерические эффекторы делятся на положительные - активаторы, и отрицательные - ингибиторы.

Строение коферментов

Коферменты в каталитических реакциях осуществляют транспорт различных групп атомов, электронов или протонов. Коферменты связываются с ферментами:

- ковалентными связями;

- ионными связями;

- гидрофобными взаимодействиями и т.д.

Один кофермент может быть коферментом для нескольких ферментов. Многие коферменты являются полифункциональными (например, НАД, ПФ). В зависимости от апофермента зависит специфичность холофермента.

Все коферменты делят на две большие группы: витаминные и невитаминные.

Коферменты витаминной природы - производные витаминов или химические модификации витаминов.

1 группа: тиаминовые - производные витамина В1. Сюда относят:

- тиаминмонофосфат (ТМФ);

- тиаминдифосфат (ТДФ) или тиаминпирофосфат (ТПФ) или кокарбоксилаза;

- тиаминтрифосфат (ТТФ).

ТПФ имеет наибольшее биологическое значение. Входит в состав декарбоксилазы кетокислот: ПВК, -кетоглутаровая кислота. Этот фермент катализирует отщепление СО.

Кокарбоксилаза участвует в транскетолазной реакции из пентозофосфатного цикла.

2 группа: флавиновые коферменты, производные витамина В2. Сюда относят:

- флавинмононуклеотид (ФМН);

- флавинадениндинуклеотид (ФАД).

Ребитол и изоалоксазин образуют витамин В2. Витамин В2 и остаток фосфорной к-ты образуют ФМН. ФМН в соединении с АМФ образуют ФАД.

[рис. изоалоксазиновое кольцо соединено с ребитолом, ребитол с фосфорной к-той, а фосфорная к-та - с АМФ]

ФАД и ФМН являются коферментами дегидрогеназ. Эти ферменты катализируют отщепление от субстрата водорода, т.е. участвуют в реакциях окисления-восстановления. Например СДГ - сукцинатдегидрогеназа - катализирует превращение янтарной к-ты в фумаровую. Это ФАД-зависимый фермент. [рис. COOH-CH2-CH2-COOH (над стрелкой - СДГ, под - ФАД и ФАДН2) COOH-CH=CH-COOH]. Флавиновые ферменты (флавинзависимые ДГ) содержат ФАД, который в них является первоисточником протонов и электронов. В процессе хим. реакций ФАД превращается в ФАДН2. Рабочей частью ФАД является 2 кольцо изоалоксазина; в процессе хим. реакции идет присоединение двух атомов водорода к азотам и перегруппировка двойных связей в кольцах.

3 группа: пантотеновые коферменты, производные витамина В3 - пантотеновой кислоты. Входят в состав кофермента А, НS-КоА. Этот кофермент А является коферментом ацилтрансфераз, вместе с которой переносит различные группировки с одной молекулы на другую.

4 группа: никотинамидные, производные витамина РР - никотинамида:

Представители:

- никотинамидадениндинуклеотид (НАД);

- никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ).

Коферменты НАД и НАДФ являются коферментами дегидрогеназ (НАДФ-зависимых ферментов), например малатДГ, изоцитратДГ, лактатДГ. Участвуют в процессах дегидрирования и в окислительно-восстановительных реакциях. При этом НАД присоединяет два протона и два электрона, и образуется НАДН2.

Рис. рабочей группы НАД и НАДФ: рисунок витамина РР, к которому присоединяется один атом Н и в результате происходит перегруппировка двойных связей. Рисуется новая конфигурация витамина РР + Н+]

5 группа: пиридоксиновые, производные витамина В6. [рис. пиридоксаля. Пиридоксаль+ фосфорная к-та= пиридоксальфосфат]



- пиридоксин;

- пиридоксаль;

- пиридоксамин.

Эти формы взаимопревращаются в процессе реакций. При взаимодействии пиридоксаля с фосфорной кислотой получается пиридоксальфосфат (ПФ).

ПФ является коферментом аминотрансфераз, осуществляет перенос аминогруппы от АК на кетокислоту - реакция переаминирования. Также производные витамина В6 входят как коферменты в состав декарбоксилаз АК.

Коферменты невитаминной природы - вещества, которые образуются в процессе метаболизма.

1) Нуклеотиды - УТФ, УДФ, ТТФ и т.д. УДФ-глюкоза вступает в синтез гликогена. УДФ-гиалуроновая к-та используется для обезвреживания различных веществ в трансверных реакциях (глюкоуронил трансфераза).

2) Производные порфирина (гем): каталаза, пероксидаза, цитохромы и т.д.

3) Пептиды. Глутатион - это трипептид (ГЛУ-ЦИС-ГЛИ), он участвует в о-в реакциях, является коферментом оксидоредуктаз (глутатионпероксидаза, глутатионредуктаза). 2GSH(над стрелкой 2Н) G-S-S-G. GSH является восстановленной формой глутатиона, а G-S-S-G - окисленной.

4) Ионы металлов, например Zn2+ входит в состав фермента АлДГ (алкогольдегидрогеназы), Cu2+ - амилазы, Mg2+ - АТФ-азы (например, миозиновой АТФ-азы).

Могут участвовать в:

- присоединении субстратного комплекса фермента;

- в катализе;

- стабилизация оптимальной конформации активного центра фермента;

- стабилизация четвертичной структуры.

Изоферменты

Изоферменты - это изофункциональные белки. Они катализируют одну и ту же реакцию, но отличаются по некоторым функциональным свойствам в силу отличий по:

- аминокислотному составу;

- электрофоретической подвижности;

- молекулярной массе;

- кинетике ферментативных реакций;

- способу регуляции;

- стабильности и др.

Изоферменты - это молекулярные формы фермента, различия в аминокислотном составе обусловлены генетическими факторами.

Примеры изоферментов: глюкокиназа и гексокиназа.

+АДФ

Гексокиназа может фосфорилировать любой шестичленный цикл, гексокиназа - только превращение глюкозы. После приёма пищи, богатой глюкозой, глюкокиназа начинает работать. Гексокиназа - стационарный фермент. Он катализирует реакцию расщепления глюкозы при низких её концентрациях, поступающих в организм. Отличаются по локализации (глюкокиназа - в печени, гексокиназа - в мышцах и печени), физиологическому значению, константе Михаэльса.

Если фермент - олигомерный белок, то изоформы могут получаться в результате различной комбинации протомеров. Например, лактатдегидрогеназа состоит из 4-х субъединиц. Н - субъединицы сердечного типа, М - мышечного. Может быть 5 комбинаций этих субъединиц, а, следовательно, и 5 изоферментов: НННН (ЛДГ1 - в сердечной мышце), НННМ (ЛДГ2), ННММ (ЛДГ3), НМММ (ЛДГ4), ММММ (ЛДГ5 - в печени и мышцах). [рис. эти 4 буквы в кружочки.

Надо отличать изоферменты от множественных форм ферментов. Множественные формы ферментов - это ферменты, которые модифицированы после своего синтеза, например фосфорилаза A и B.

Свойства ферментов

Общие черты ферментов и небиологических катализаторов:

1) и те, и другие катализируют только энергетически возможные реакции;

2) увеличивают скорость реакции;

3) не меняют направления реакции;

4) в ходе реакции не расходуются;

5) для обратимых процессов катализируют как прямую, так и обратную реакции, не смещая равновесия, а лишь ускоряя время его наступления.

Особые свойства ферментов:

1) высокая каталитическая активность. Металлы увеличивают скорость реакции в тысячи раз, а ферменты в миллионы раз. Например, уреаза ускоряет скорость реакции в 1014 раз. Каталаза ускоряет распад H2O2 в 1 млдр. раз! 2H2O2 2H2O +O2. Без катализатора выделения кислорода не видно. Металлический катализатор увеличивает скорость реакции в 1000 раз, а при добавлении каталазы - бурное вспенивание.

2) специфичность действия - наиболее характерная черта. Строение активного центра фермента, катализирующего реакции, различна. Структура активного центра фермента комплементарна структуре его субстрата, поэтому фермент из множества веществ присоединяет только свой субстрат - субстратная специфичность фермента.

Каждый фермент катализирует не любое превращение субстрата, а какое либо одно - специфичность пути превращения. Например, на АК ГИС действуют 2 фермента: гистидаза (отщепляет NH3) и гистидиндекарбоксилаза (отщепляет CO2).

Выделяют несколько видов специфичности:

а) абсолютная специфичность. Фермент действует только на один единственный субстрат. Пр.: уреаза разрушает мочевину: NH2-CO-NH2 (над стрелкой уреаза, под - вода) 2NH3+ CO2. Аргиназа катализирует распад аргинина.

б) групповая специфичность. Фермент действует на определённую связь в разных субстратах. Пр.: пептидазы разрывают пептидные связи [-NH-CH(R)-CO--NH-CH(R)-CO-]. Пепсин действует только на связи, образованные карбоксильной группой ароматических АК (ФЕН, ТИР, ТРИ). Эстеразы разрывают сложно-эфирную связь [-CO-NH-] в различных липидах. Гликозидазы действуют на гликозидную связь. Действие ферментов, обладающих групповой специфичностью, позволяет организму содержать небольшое количество ферментов.

в) стереоспецифичность. Фермент действует на определённый стереоизомер (D- и L-, цис- и транс-). Пр.: бутен-2-диовая кислота имеет 2 стереоизомера: транс-изомер или фумаровая к-та, и цис-изомер или малеиновая кислота.

Фумараза действует на фумаровую к-ту с превращением последней в яблочную.



В стереоспецифичности выделяют оптическую специфичность - избирательное действие ферментов на оптические изомеры. Например, под действием ЛДГ разрушается только L-форма молочной к-ты.

3) Влияние температуры (правило Вант-Гоффа). При увеличении температуры на 10 градусов скорость реакции увеличивается в 1,5-2 раза. Но для фермента это правило действует только до 40 градусов, т.к. дальше наступает тепловая денатурация фермента. Большинство ферментов в организме человека имеет оптимальную температуру 25-40 градусов [рис. графика: по оси х - температура, по у - процент активности. Рисуем горочку, оптимум - на 37-40°С].

Повышение активности фермента при увеличении температуры объясняется увеличением кинетической энергии реагирующих молекул, что приводит к увеличению числа столкновений между молекулами. При дальнейшем повышении температуры энергия становится чрезмерной, и внутри молекулы разрываются слабые связи - водородные, гидрофильные взаимодействия; происходит нарушение вторичной, третичной, четвертичной структуры фермента.

Ряд ферментов термостабильны, например, гликопротеины.

4) Влияние рН. Для поддержания третичной или четвертичной структуры фермента часто может быть необходимо наличие заряда на группе, удаленной от области связывания субстрата. Если же заряд этой группы меняется, то может происходить частичное развертывание белковой цепи, или компактизация, или диссоциация (олигомерные белки). Поэтому при отклонении рН от оптимального значения, фермент может потерять свою нативную структуру, в результате чего не происходит полноценного связывания активного центра с субстратом. Также при изменении рН может происходить изменение заряда на субстрате.

[рис. график. По х - рН, по у - процент активности. Рисуем горочку.]

Пепсин - 1.5-2, амилаза слюны - 6.8-7.2, трипсин - 7.5-8.6. Для большинства ферментов оптимум рН лежит в среде, близкой к нейтральной.

5) Скорость ферментативной реакции прямо пропорциональна кол-ву фермента (для небиологических катализаторов такой зависимости нет). Недостаток фермента в живом организме, например при неполноценном питании, генетических нарушениях, приводит к уменьшению скорости превращения веществ и наоборот.

6) Ферменты являются регулируемыми катализаторами. Так под действием различных веществ (активаторов и ингибиторов) меняется скорость ферментативной реакции.

Классификация и номенклатура ферментов

Согласно международной классификации, принятой в 1961 году, все ферменты делятся на 6 классов по типу катализируемой реакции. Каждый класс делится на несколько подклассов. Классы:

1. оксидоредуктазы;

2. трансферазы;

3. гидралазы;

4. лиазы;

5. изомеразы;

6. лигазы (синтетазы).

1. Оксидредуктазы - ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. Известно 480 этих ферментов, которые делятся на 17 подклассов.

а) аэробные дегидрогеназы (оксидазы). Отщепляют водород от субстрата и переносят его на молекулу кислорода. Пр.: НАДФН2+О2= Н2О2+НАДФ.

Если кислород непосредственно внедряется в субстрат, то ферменты - оксигеназы. Наибольшее значение имеют оксидазы аминокислот.

б) анаэробные дегидрогеназы - катализируют перенос водорода от субстрата на любой другой акцептор, кроме кислорода.

CH3CH2OH > СН3СН=О

[над стрелочкой алкоголь-ДГ; под стрелочкой НАД > НАДН2 ; этанол превращается в этаналь]

в) цитохромы - это ферменты, переносящие электроны.

г) пероксидазы - гемсодержащие оксидоредуктазы. Они отщепляют водород от субстрата и переносят его на Н2О2.

Пр.: каталазная реакция

2Н2О2 > 2Н2О+О2 [над стрелочкой - каталаза].

2. Трансферазы - ферменты, переносящие группы атомов от одного субстрата к другому. При этом один субстрат донор, а другой - акцептор. В зависимости от природы переносимых групп трансферазы делят на 8 подклассов:

- аминотрансферазы, переносят NH2;

- метилтрансферазы, переносят CH3;

- фосфотрансферазы, переносят PO3H2;

- ацилтрнсферазы.

Пр. переаминирование. [рис. Аланин + альфакетоглутаровая кислота под действием АлАТ и перидоксальфосфата получается ПВК и глутаминовая к-та].



3. Гидролазы - ферменты, катализирующие разрыв одинарных связей с участием воды, присоединяемой по месту разрыва связи. Т.е. они принимают участие в реакциях гидролиза. Все ферменты пищеварительного тракта относятся к гидролазам. Всего выделяют 460 гидролаз. В зависимости от типа разрываемых связей выделяют 11 подклассов:

- эстеразы - разрывают сложно-эфирную связь. Пр.: триацилглицерид+ 3H2O=(липаза) глицерин+ 3С17H35COOH [рис. этого. Стрелочкой показать сложноэфирные связи]

- пептидазы - разрывают пептидную связь. Пр.: АЛА-ГЛИ+ H2O = (дипептидаза) АЛА+ГЛИ [рис. этого. Стрелочкой показать пептидную связь]

- гликозидазы - разрывают гликозидные связи. Пр.: мальтоза+ H2O=(мальтаза) 2глюкозы [рис. этого. Стрелочкой показать гликозидную связь]

4) Лиазы. Эти ферменты осуществляют разрыв углеродных связей без участия воды. Выделяют:

- декарбоксилазы - катализируют отщепление CO2. Пр.:

- альдолазы - катализируют расщепление связи между атомами углерода. Пр.: фруктозо-1,6-дифосфат (6 атомов С)= (альдолаза) фосфоглицериновый альдегид (3 атома С)+ дигидроксиацетонфосфат (3 атома С).

- гидратазы - разрыв двойной связи с присоединением воды по месту разрыва двойной связи.

- ферменты, отщепляющие воду - реакция дегидратации. При этом образуется двойная связь.

5) Изомеразы - ферменты, катализирующие реакции изомеризации и обеспечивающие внутримолекулярную перестройку.

6) Лигазы (синтетазы) - катализируют образование более сложных веществ из более простых. При этом требуется энергия из вне. Обязательно участие АТФ или других трифосфатов (УТФ, ЦТФ и т.д.). [Пр. Аспарагиновая к-та + аммиак + АТФ под действием аспарагинсинтетазы превращается в аспарагин + АМФ + неорганический фосфат +энергия].

Номенклатура ферментов

1) Существует тривиальная номенклатура - названия случайные, без системы и основания, например трипсин, пепсин, химотрипсин.

2) Рабочая номенклатура - название фермента составляется из названия субстрата или продукта реакции, типа катализируемой реакции и окончание -аза, например лактатдегирогеназа.

3) Систематическая, научная - L-лактат-НАД-оксидредуктаза.

4) Все ферменты имеют цифровой шифр, например ЛДГ - 1.1.1.27.

Первая цифра говорит о типе катализируемой реакции, указывая на номер класса.

Вторая уточняет действие фермента - номер подкласса.

Третья указывает природу разрываемой связи в молекуле субстрата - подподкласс.

Четвёртая - порядковый номер фермента.

Современные представления о ферментативном катализе

Первая теория ферментативного катализа была выдвинута в начале 20 века Варбургом и Бейлисом. Эта теория предлагала считать, что фермент адсорбирует на себе субстрат, и называлась адсорбционной, но развития она не получила.

В основу современной теории положена теория Михаэлеса и Ментена. Ведущую роль в механизме ферментативного катализа играет образование фермент-субстратного комплекса. По этой теории весь процесс катализа можно разделить на 3 этапа:

[рис. E+SESES*ES**EPE+P]

1 этап: образование фермент-субстратного комплекса (на рис. до ES включительно). Происходит диффузия субстрата к ферменту и субстрат, в соответствии с принципом комплиментарности, связывается с активным центром фермента - образуется фермент-субстратный комплекс. Реагенты связаны слабыми связями, т.е. водородными, ионными, гидрофобными, в некоторых случаях и ковалентными. Эта стадия непродолжительна, зависит от концентрации субстрата и от скорости диффузии его к активному центру. Энергия активации исходных веществ при этом изменяется незначительно. На этой стадии проявляется эффект концентрирования субстрата на поверхности фермента - эффект ориентации.

2 этап: (на рис. от ES до EP включительно) происходит последовательное преобразование первичного фермент-субстратного комплекса в 1 или несколько активированных. Эта стадия наиболее медленна, ее длительность зависит от величины энергии активации данной реакции. В эту стадию происходит разрыв старых связей и образование новых, при этом энергия активации значительно снижается. По продолжительности эта стадия является лимитирующей для всего процесса.

На этой стадии проявляется эффект вынужденного соответствия - эффект «дыбы»: субстрат под действием фермента претерпевает изменения, делающие его более доступным для воздействия каталитического участка активного центра фермента. Одновременно с этим происходит изменение конформации фермента в большей степени в активном центре.

3 этап: отделение продуктов от активного центра фермента и диффузия их в окружающую среду. Эта стадия непродолжительна, ее скорость определяется скоростью диффузии продуктов в окружающую среду.

[график: по оси х - ход реакции, по у - энергия активации; рисуем горизонтальную прямую от середины оси у, затем горочку и окускаемся ниже прямой, пририсовываем меньшую горочку пунктиром]

Молекулярные эффекты действия ферментов

1) Эффект концентрирования - это адсорбирование на поверхности молекулы фермента молекул реагирующих веществ, т.е. субстрата, что приводит к их лучшему взаимодействию. Пр.: электростатическое притяжение - скорость реакции может возрасти в 103 раз.

2) Эффект ориентации - это специфическое связывание субстрата с контактными участками активного центра фермента, которое обеспечивает взаимную ориентацию молекул субстрата и их сближение для более выгодного воздействия каталитических групп в активном центре. За счет эффекта ориентации скорость реакции возрастает в 103-104 раз. [рис. эффекта ориентации: поворот двух кругов вырезами друг к другу]

3) Эффект натяжения (теория «дыбы»). Субстрат до присоединения к ферменту находится в расслабленной конформации, а после связывания с ферментом деформируется или растягивается. Места деформации легче атакуются каталитическим центром фермента. [рис. эффекта дыбы: субстрат растягивается над ферментом]

4) Эффект вынужденного соответствия (прилегания). Не только субстрат претерпевает изменение конформации, но и фермент, особенно в активном центре, после связывания субстрата меняет свою конформацию, которая становится более комплементарной субстрату.

...