Материал: bioorganicheskaya-ximiya.-shpargalki

17а 17. Определение хромопротеинов, гемо# и флавопротеины

Хромопротеины — сложные белки, состоящие из простого белка и окрашенного небелкового ком@ понента. Среди них выделяют гемопротеины, магний@ порфирины и флавопротеины.

Гемопротеины — это хромопротеины, содержащие в качестве простетической группы железо. К ним относят@ ся гемоглобин и его производные, миоглобин, ферменты (система цитохромов, каталаза и пероксидаза) и хлоро@ филлсодержащие белки. Гемоглобин — сложный белок, содержащий в качестве белкового компонента глобин, а в качестве простетической группы — гем. Основу гема составляет порфириновое кольцо.

18а 18. Свойства нуклеопротеинов, липопротеинов, фосфопротеинов

и гликопротеинов

Нуклеопротеины — сложные белки, содержа@ щие в качестве простетической группы нуклеиновые кислоты. Существует два типа нуклеопротеинов — ри@ бонуклеопротеины (РНП) и дезоксирибонуклеопро@ теины (ДНП). Преимущественная локализация ДНП — в ядре клетки, РНП — в цитоплазме.

ДНК входит в состав мононуклеосом — составных частей хромосомы. ДНК и белковые молекулы обра@ зуют филаменты (нити), толщина которых определяет@ ся белками, а длина — молекулярной массой ДНК.

Негистоновые белки — кислые белки, в их состав входят сложные белки, ферменты и регуляторные бел@ ки. Важной особенностью нуклеопротеинов является их способность к полному восстановлению структуры

ифункции после разъединения белка и нуклеиновой кислоты.

Липопротеины — сложные белки, простетиче@ ская группа которых представлена каким@либо липи@ дом (нейтральными жирами, жирными кислотами, фосфолипидами или холестеридами).

Липопротеины входят в состав клеточной мемб@ раны, биомембран ядра и митохондрий, микросом, присутствуют в свободном состоянии в плазме крови. Липопротеины синтезируются в печени и в слизистой оболочке кишечника. Они состоят из гидрофобного липидного ядра, покрытого гидрофильными липидами,

ибелковой оболочки, состоящей из апобелков (апо@AI, AII, B, CI, CII, CIII, D и E). В зависимости от плотности при ультрацентрифугировании различают липопротеины

Протеогликаны — сложные белки, состоящие из белка и гликозаминогликанов (мукополисахаридов). Гликозаминогликаны — линейные неразветвленные полимеры, состоящие из дисахаридных единиц. В ор@ ганизме в свободном состоянии не встречаются. Вы@ делим некоторые группы глюкозаминогликанов.

1. Гиалуроновая кислота.

Cодержится в матриксе соединительной ткани.

2. Кератансульфат.

Содержится в роговице глаза и хрящевой ткани.

20а 20. Химический состав нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты — сложные высокомо@ лекулярные соединения, обеспечивающие хранение, передачу наследственной информации и реализа@ цию этой информации. Их структурные компоненты выполняют функции кофакторов, аллостерических эф@ фекторов и др.

Углеводы — рибоза и дезоксирибоза — в молеку@ лах нуклеиновых кислот находятся в β@D@рибофура@ нозной форме:

18б очень низкой плотности (ЛПОНП), низкой плот@ ности (ЛПНП), высокой плотности (ЛПВП) и очень

высокой плотности (ЛПОВП).

Фосфопротеины — сложные белки, содержащие в качестве простетической группы остаток фосфорной кислоты. К ним относятся казеиноген молока, вителлин, втиеллинин и фосвитин желтка куриного яйца, и др.

Фосфопротеины содержат органически связан@ ный фосфат, необходимый для нормальной жизнедея@ тельности клетки.

Гликопротеины — сложные белки, содержа@ щие в качестве простетической группы гетероолиго@ сахариды.

Гликоконъюгат — ковалентно связанные угле@ водный компонент (гликановая фракция) и белковый компонент (агликановая фракция).

Белки с гликановой фракцией соединены по@ средством O@гликозидных N@гликозидных и эфир@ ных гликозидных связей.

Синтез гликопротеинов происходит в рибосомах эндоплазматической сети, затем идет постсинтети@ ческое гликозилирование.

Интерфероны — гликопротеины, ингибирующие размножение вирусов.

Различают α@, β@, и γ@интерфероны, образующие@ ся в клетке в ответ на внедрение вирусов. Иммуно@ глобулины — это гликопротеины, выполняющие за@ щитную функцию: они обезвреживают антигены любой химической природы.

17б Железо связано с двумя атомами азота молекулы протопорфирина ковалентно и с дву@

мя — координационными связями.

Гем в виде гем@порфирина является простети@ ческой группой гемоглобина и его производных, ми@ оглобина, каталазы, пероксидазы и цитохромов b, c и c1. В молекуле гемоглобина взрослого человека HbA содержатся четыре полипептидных цепи, составляю@ щих белковую часть молекулы — глобин: две β@цепи по 141 аминокислотному остатку и две α@цепи по 146 аминокислотных остатков.

Существует ряд аномальных гемоглобинов, воз@ никающих вследствие мутаций генов: HbC, HbDα, HbDβ, HbE, HbG, HbGpH, HbI, HbM, HbO и HbS. В ре@ зультате соединения молекулярного кислорода с ге@ моглобином образуется оксигемоглобин. Присоедине@ ние одной молекулы кислорода к гему облегчает присоединение последующей. Гемоглобин также легко связывается с угарным газом с образованием карбокси@ гемоглобина и с оксидами азота с образованием метге@ моглобина, содержащего ионы Fe. Трансферрины (си@ дерофилины) — сложные белки, характеризующиеся способностью специфично, прочно и необратимо связывать ионы Fe и других переходных металлов.

Флавопротеины — сложные белки, простетиче@ ские группы которых представлены изоаллоксазиновы@ ми производными — флавинмононуклеотидом (ФМН) и флавинадениндинуклеотодом (ФАД). Флавопротеи@ ны входят в состав ферментов, катализирующих окис@ лительно@восстановительные реакции в клетке.

Первичная структура нуклеиновых кислот —

это последовательность расположения мононуклео@ тидов в полинуклеотидной цепи.

Структура стабилизируется 3′, 5′@фосфодиэ@ фирными связями. В общем виде структура нуклеи@ новой кислоты выглядит следующим образом:

Большинство клеточных РНК представлены оди@ ночной полинуклеотидной цепочкой: 5′—Г—У—Г—Ц— А—А—…—У—Ц — Г—Ц—Ц—Ц—А—3′. На одном конце РНК обнаруживается свободный монофосфорный эфир, этот конец принято обозначать как 5′@конец. На противоположном конце цепи (3′@конце) распола@ гается нуклеотид со свободными 2′@ и 3′@гидроксиль@ ными группами. тРНК обладает рядом особенностей: 5′@концом ее всегда является гуаниловая или цитиди@ ловая кислота с остатком фосфорной кислоты, на 3′@ конце последовательность остатков мононукеотидов всегда постоянна — ЦЦА.

Вторичная структура нуклеиновых кислот —

первый уровень компактизации нуклеотидной цепи. Установлено, что две цепи молекулы ДНК образуют правовращающуюся спираль, в которой обе цепи вра@ щаются вокруг одной и той же оси. Азотистые основа@ ния в такой структуре находятся внутри, а фосфорные и углеводные компоненты — снаружи.

Азотистые основания в двухспиральной молеку@ ле ДНК уложены парами: пуриновому основанию из одной цепи соответствует пиримидиновое из другой,

Изоферменты (изоэнзимы) — множественные формы фермента, катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающиеся друг от друга физико@хими@ ческими свойствами (сродством к субстрату, мак@ симальной скоростью катализируемой реакции, элект@ рофоретической подвижностью или регуляторными свойствами). Существуют ферменты, состоящие из двух и более субъединиц, обладающих собственной первичной, вторичной и третичной структурой. Субъ@ единицы таких ферментов называют протомером, а всю олигомерную молекулу — мультимером. Процесс оли@ гомеризации способствует повышению стабильности фермента к действию денатурирующих агентов (нагре@ ванию, действию протеиназ и др.). Протомеры соеди@ нены между собой нековалентными связями и легко диссоциируют. Активность всего комплекса зависит от способа упаковки между собой отдельных субъединиц. Если субъединицы могут существовать более чем в од@ ной форме, то и фермент, полученный при объединении этих субъединиц, может существовать в нескольких сходных, но не одинаковых формах. Такие формы фер@ мента называются изоферментами, или изоэнзимами.

Фермент лактатдегидрогеназа состоит из четы@ ре субъединиц двух типов: H (heart — «сердце») и M (muscle — «мышца»). Изоферменты ЛДГ обладают почти одинаковой каталитической активностью, но разными физико@химическими свойствами (молекулярной мас@ сой, электрофоретической подвижностью, отношением к активаторам и ингибиторам и др.).

23а 23. Механизм действия ферментов

Вхимической реакции, катализируемой фермен@ том, фермент E соединяется с субстратом S, образуя нестойкий промежуточный фермент@субстратный комплекс E@S, который в результате химической реак@ ции распадается с образованием фермента и продук@ тов реакции P:

Впроцессе реакции выделяют несколько стадий:

1)присоединение молекулы субстрата к ферменту;

2)преобразование промежуточного соединения;

3)отделение конечных продуктов реакции от фер@ мента.

Вреакциях анаболизма (A + B = AB) фермент может взаимодействовать с субстратами по отдель@ ности или вместе:

Реакции катаболизма также протекают с обра@ зованием промежуточного фермент@субстратного комплекса:

Любая химическая реакция характеризуется константой термодинамического равновесия Kр. В реакции:

Константа равновесия:

,

где [A], [B], [C], и [D] — концентрации действующих веществ;

k+1 — константа скорости прямой реакции; k–1 — константа скорости обратной реакции.

Величина, обратная константе равновесия, — константа диссоциации фермент@субстратного комп@ лекса Кs.

Чем ниже Кs, тем выше сродство фермента к субстрату. Скорость реакции в этом случае целиком определяется концентрацией фермента. Общая тео@ рия ферментативной кинетики предполагает, что если ферментативный процесс протекает в виде реакции:

чески активному участку (β@галактозидаза, состоящая из четырех субъединиц), а могут быть неидентичными и проявлять ферментативную активность только в объединенном состоянии (триптофансинтаза).

Множественные формы фермента — белки, ката@ лизирующие одну и ту же реакцию и встречающиеся в организмах одного вида. Изоферменты — множест@ венные формы ферментов, образующиеся вслед@ ствие генетически обусловленных различий в первич@ ной структуре белка.

Мультимолекулярные (надмолекулярные) ферментные системы — комплексы, состоящие из различных по строению ферментов, катализирующих последовательные ступени превращения определен@ ного субстрата. Их особенностями является проч@ ность ассоциации ферментов и определенная после@ довательность прохождения промежуточных стадий во времени, определяемая порядком расположения ферментов в пространстве. Молекулярная масса та@ ких комплексов колеблется от 2,3 × 106 до 10 × 106. Об@ разование подобных систем резко сокращает рас@ стояния, на которые перемещаются молекулы субстратов. Мультимолекулярные ферментные систе@ мы могут быть структурно связанными с какой@либо органеллой (рибосомой, митохондрией) или с биоме@ мбраной. К мультиферментным системам относятся пируватдегидрогеназный и α@кетоглутаратдегидроге@ назный комплексы.

24б где E — фермент; S — субстрат;

P — продукт реакции,

то количественное соотношение между концентрацией субстрата и скоростью ферментативной реакции выра@ жается уравнением:

где ν — наблюдаемая скорость реакции при данной концентрации субстрата [S];

Ks — константа диссоциации фермент@субстрат@ ного комплекса;

Vmax — максимальная скорость реакции при полном насыщении фермента субстратом.

Основные свойства ферментов, активирова# ние и ингибирование ферментов

Активаторы — вещества органической и неорга@ нической природы, повышающие скорость реакции. Соляная кислота повышает активности пепсина желу@ дочного сока, желчные кислоты активируют липазу панкреатического сока и т. д. Наиболее часто актива@ торами являются ионы металлов.

Ингибиторы — вещества, вызывающие частич@ ное или полное торможение ферментативных реакций. Они подразделяются на обратимые и необратимые. Антиферменты — белки, действующие как ингибиторы ферментов. Неспецифическое ингибирование фер@ ментов происходит под действием любых денатуриру@ ющих агентов.

21б аденину соответствует тимин, а гуанину — ци@ тозин. Такое избирательное взаимодействие называется комплементарным, а соответствующие азотистые основания — комплементарными. Ста@ бильность пары А — Т обеспечивается двумя водо@ родными связями, а пары Г — Ц — тремя. Длина свя@

зей между основаниями около 0,3 нм.

Третичная структура нуклеиновых кислот —

второй уровень компактизации нуклеиновых кислот. Двойная спираль ДНК на некоторых участках может подвергаться суперспирализации с образованием су@ перспирали или кольцевой формы.

Понятие о ферментах, их химическая приро# да строения

Ферменты (энзимы) — класс высокоспециа@ лизированных веществ белковой природы, катали@ зирующих большое число химических реакций. Фер@ менты обеспечивают реализацию генетической информации, обмен веществ и энергии.

Активный центр фермента — уникальная комби@ нация амино@кислотных остатков в молекуле фермента, которая обеспечивает непосредственное ее связыва@ ние с субстратом и участвует в акте катализа. У сложных ферментов в состав активного центра входят простети@ ческие группы. В активном центре различают каталити@ ческий центр (участок, непосредственно вступающий в химическое взаимодействие с субстратом) и связы@ вающий центр, или контактную площадку (участок, обеспечивающий специфическое сродство к субстрату и образование его комплекса с ферментом).

23б В образовании фермент@субстратных комплексов участвуют нековалентные (водо@ родные, координационные связи, гидрофильно@гид@

рофобные взаимодействия) и ковалентные связи. Большое значение в теории ферментативного

катализа придается динамическим изменениям третичной структуры фермента при взаимодействии его с субстратом. При образовании фермент@ субстратного комплекса субстрат индуцирует изме@ нение конформации молекулы фермента так, чтобы активный центр принял определенную простран@ ственную ориентацию, необходимую для взаимодей@ ствия с субстратом. Существенное значение имеют точное соответствие между ферментом и субстратом, а также каталитические и термодинамические преи@ мущества подобного соответствия. Предполагается наличие не только пространственной или геомет@ рической комплементарности между ферментом и субстратом, но и электростатического соответ@ ствия, обусловленного спариванием полярных групп субстрата и активного центра фермента.

С термодинамической точки зрения ферменты ускоряют химические реакции за счет снижения энер@ гии активации. Энергия активации — энергия, необхо@ димая для перевода всех молекул моля вещества в ак@ тивированное состояние при данной температуре, или энергия, необходимая для запуска химической реакции. Фермент снижает энергию активации путем увеличения активированных молекул, которые на бо@ лее низком энергетическом уровне уже становятся способными вступать в реакцию.

Основными механизмами регуляции синтеза и каталитической активности ферментов являются следующие.

1.В катализируемой ферментом обратимой хи@ мической реакции концентрация компонентов реак@ ции и ее направление регулируются законом действия масс.

2.Существуют ферменты, концентрация которых

вклетке определяется наличием или отсутствием субстрата, который способствует индуцированному син@ тезу этих ферментов. Продукты реакции вызывают тор@ можение синтеза фермента в результате репрессии. Ферменты, концентрация которых не зависит от наличия индуктора в клетке, — это конститутивные ферменты.

3.Ряд ферментов пищеварительного тракта синтезируется в виде проферментов (зимогенов), ре@ гуляция их активности сводится к превращению в ак@ тивные формы ферментов под действием специфи@ ческих агентов или протеиназ.

4.Активность некоторых ферментов определяет@ ся постсинтетической химической модификацией при формировании третичной структуры. Активность ря@ да ключевых ферментов обмена углеводов конт@ ролируется путем фосфорилирования и дефос@ форилирования, осуществляемых ферментами про@ теинкиназой и протеинфосфокиназой. Постсинтети@ ческая модификация включает в себя также процессы ограниченного протеолиза, метилирования, гликози@ лирования, уридилирования, аденилирования, АДФ@ рибозилирования и др.

В основу принятой классификации ферментов положен принцип типа катализируемой реакции. Согласно Международной классификации фермен@ ты делят на шесть главных классов.

1.Оксидоредуктазы — ферменты, катализирую@ щие окислительно@восстановительные реакции. Сис@ тематические названия составляются по схеме: «до@ нор: акцептор оксидоредуктаза» (например, лактат: НАД + оксидоредуктаза). Среди оксидоредуктаз раз@ личают аэробные дегидрогеназы, или оксидазы (ка@ тализируют перенос протонов или электронов на кис@ лород), анаэробные дегидрогеназы (катализируют перенос протонов или электронов на промежуточный субстрат), цитохромы (катализируют перенос только электронов). К оксидоредуктазам относятся гемсо@ держащие ферменты каталаза и пероксидаза.

2.Трансферазы — ферменты, катализирующие реакции межмолекулярного переноса атомов, групп атомов и радикалов. Систематические названия сос@ тавляются по схеме: «донор: транспортируемая груп@ па — трансфераза». Среди трансфераз выделяют ката@ лизирующие перенос одноуглеродных остатков, ацильных, гликозильных, альдегидных или кетонных, нуклеотидных остатков, азотистых групп, остатков кис@ лот и иные трансферазы.

3.Гидролазы — ферменты, катализирующие расщепление внутримолекулярных связей при учас@ тии молекул воды. Систематические названия состав@ ляются по схеме: «субстрат — гидролаза». К гидрола@ зам относятся эстеразы (катализируют реакции

27а 27. Биологическая роль углеводов, моносахаридов и их классификация

Углеводы выполняют важные функции: энергети@ ческую (представляют собой главный вид клеточного топлива), структурную (являются обязательным компо@ нентом большинства внутриклеточных структур) и за@ щитную (углеводные компоненты иммуноглобулинов).

Углеводы рибоза и дезоксирибоза входят в со@ став нуклеиновых кислот.

Углеводы подразделяются на три основные груп@ пы: моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Моносахариды — производные многоатомных спиртов, имеющие карбонильную (альдегидную или ке@ тонную) группу в своем составе.

При положении карбонильной группы в конце цепи углевод называется альдозой, при любом другом поло@ жении — кетозой.

Все моносахариды (кроме диоксиацетона) содер@ жат асимметричные атомы углерода и могут существо@ вать в виде стереоизомеров. Общее число стереоизо@ меров для любого моносахарида выражается формулой N = 2n, где n — число асимметричных атомов.

Изомер глицеральдегида, у которого при проек@ ции на плоскость гидроксильная группа у асимметрич@ ного атома водорода расположена справа, считается D@глицеральдегидом, а его зеркальное отражение — L@глицеральдегидом:

28а 28. Олигосахариды. Их свойства

Олигосахариды — углеводы, содержащие в своей молекуле от двух до десяти остатков моносахаридов, соединенных гликозидными связями. В зависимости от количества моносахаридных остатков в полисахариде различают дисахариды, трисахариды, тетрасахариды и т. д. Дисахариды — сложные сахара, молекулы кото@ рых при гидролизе распадаются на две молекулы моно@ сахаридов. Обязательным компонентом дисахаридов является α@D@глюкоза. Наиболее известные дисахари@ ды — мальтоза, лактоза, сахароза и целлобиоза. Мальто@ за состоит из двух остатков α@D@глюкозы, образуется при действии амилаз на крахмал или гликоген в качестве про@ межуточного продукта.

Лактоза (β@галактопиранозил@(1 → 4)@β@глюко@ пираноза) содержится только в молоке, состоит из D@галактозы и D@глюкозы.