Структура белков и аминокислот

Билет

1.Свойства ферментов. Механизм действия. Кинетика ферментативных реакций.

2. Обмен аминокислот

1.Обмен веществ в организме можно определить как совокупность всех химических превращений, которым подвергаются соединения, поступающие извне. Эти превращения включают все известные виды химических реакций: межмолекулярный перенос функциональных групп, гидролитическое и негидролитическое расщепления химических связей, внутримолекулярная перестройка, новообразование химических связей и окислительно - восстановительные реакции. Такие реакции протекают в организме с чрезвычайно большой скоростью только в присутствии катализаторов. Все биологические катализаторы представляют собой вещества белковой природы и носят названия ферменты (далее Ф) или энзимы (Е).

Ферменты не являются компонентами реакций, а лишь ускоряют достижение равновесия увеличивая скорость как прямого, так и обратного превращения. Ускорение реакции происходит за счет снижении энергии активации – того энергетического барьера, который отделяет одно состояние системы (исходное химическое соединение) от другого (продукт реакции).

Ферменты ускоряют самые различные реакции в организме. Так достаточно простая с точки зрения традиционной химии реакция отщепления воды от угольной кислоты с образованием СО₂ требует участия фермента, т.к. без него она протекает слишком медленно для регулирования рН крови. Благодаря каталитическому действию ферментов в организме становится возможным протекание таких реакций, которые без катализатора шли бы в сотни и тысячи раз медленнее.

Свойства ферментов

1. Влияние на скорость химической реакции: ферменты увеличивают скорость химической реакции, но сами при этом не расходуются.

Скорость реакции – это изменение концентрации компонентов реакции в единицу времени. Если она идет в прямом направлении, то пропорциональна концентрации реагирующих веществ, если в обратном – то пропорциональна концентрации продуктов реакции. Отношение скоростей прямой и обратной реакций называется константой равновесия. Ферменты не могут изменять величины константы равновесия, но состояние равновесия в присутствии ферментов наступает быстрее.

2. Специфичность действия ферментов. В клетках организма протекает 2-3 тыс. реакций, каждая из которые катализирутся определенным ферментом. Специфичность действия фермента – это способность ускорять протекание одной определенной реакции, не влияя на скорость остальных, даже очень похожих.

Различают:

Абсолютную – когда Ф катализирует только одну определенную реакцию (аргиназа – расщепление аргинина)

Относительную (групповую спец) – Ф катализирует определенный класс реакций (напр. гидролитическое расщепление) или реакции при участии определенного класса веществ.

Специфичность ферментов обусловлена их уникальной аминокислотной последовательностью, от которой зависит конформация активного центра, взаимодействующего с компонентами реакции.

Вещество, химическое превращение которого катализируется ферментом носит название субстрат (S).

3. Активность ферментов – способность в разной степени ускорять скорость реакции. Активность выражают в:

1) Международных единицах активности – (МЕ) количество фермента, катализирующего превращение 1 мкМ субстрата за 1 мин.

2) Каталах (кат) – количество катализатора (фермента), способное превращать 1 моль субстрата за 1 с.

3) Удельной активности – число единиц активности (любых из вышеперечисленных) в исследуемом образце к общей массе белка в этом образце.

4) Реже используют молярную активность – количество молекул субстрата превращенных одной молекулой фермента за минуту.

Активность зависит в первую очередь от температуры. Наибольшую активность тот или иной фермент проявляет при оптимальной температуре. Для Ф живого организма это значение находится в пределах +37,0 - +39,0 °С, в зависимости от вида животного. При понижении температуры, замедляется броуновское движение, уменьшается скорость диффузии и, следовательно, замедляется процесс образования комплекса между ферментом и компонентами реакции (субстратами). В случае повышения температуры выше +40 - +50 °С молекула фермента, которая является белком, подвергается процессу денатурации. При этом скорость химической реакции заметно падает (рис. 4.3.1.).

Активность ферментов зависит также от рН среды. Для большинства из них существует определенное оптимальное значение рН, при котором их активность максимальна. Поскольку в клетке содержатся сотни ферментов и для каждого из них существуют свои пределы опт рН, то изменение рН это один из важных факторов регуляции ферментативной активности. Так, в результате одной химреакции при участии определенного фермента рН опт которого лежит в перделах 7.0 – 7.2 образуется продукт, который является кислотой. При этом значение рН смещается в область 5,5 – 6.0. Активность фермента резко снижается, скорость образования продукта замедляется, но при этом активизируется другой фермент, для которого эти значения рН оптимальны и продукт первой реакции подвергается дальнейшему химическому превращению. (Еще пример про пепсин и трипсин).

Сложная структурная и функциональная организация ферментов отчасти является ключом к пониманию характерных свойств ферментов – высокой специфичности и скорости катализа, не достижимой для неферментных катализаторов. Одной из первых гипотез, объясняющих действие ферментов, была адсорбционная гипотеза, предложенная в начале ХХ в. английским физиологом Бейлисом и немецким биохимиком Варбургом. При обосновании основных положений этой гипотезы исходили из механизма действия небиологических катализаторов.
Большую роль в развитии представлений о механизме действия ферментов сыграли классические работы Михаэлиса и Ментен, развивших положение о фермент-субстратных комплексах. Согласно представлениям Михаэлиса – Ментен весь процесс ферментативного катализа описывается простым уравнением.

Процесс ферментативного катализа можно условно разделить на три стадии, каждая из которых имеет свои особенности:

E + S Û ES ® ES^* ® ES^** ® EP ® E + P

1 2 3

1. 
   Диффузия субстрата к ферменту и стерическое связывание его с активным центром фермента (образование фермент-субстратного комплекса ЕS).
2. 
   Преобразование первичного фермент-субстратного комплекса в один или несколько активированных фермент-субстратных комплексов (ES^*и ES^**).
3. 
   Отделение продуктов реакции от активного центра фермента и диффузия их в окружающую среду (комплекс ЕР диссоцирует на Е и Р).

Первая стадия, обычно непродолжительная по времени, зависит от концентрации субстрата в среде и скорости его диффузии к активному центру фермента. Образование комплекса ЕS происходит практически мгновенно. Ориентация субстратов в активном центре фермента благоприятствует их сближению и прохождению реакции.
Вторая стадия наиболее медленная, и длительность ее зависит от энергии активации данной химической реакции. На этой стадии происходит расшатывание связей субстрата, их разрыв или образование новых связей в результате взаимодействия каталитических групп фермента. Именно благодаря образованию активированных переходных комплексов снижается энергия активации субстрата. Вторая стадия лимитирует скорость всего катализа.
Третья стадия непродолжительна, как и первая. Она определяется скоростью диффузии продуктов реакции в окружающую среду.
Молекулярные механизмы действия ферментов еще во многом неясны. Среди изученных механизмов действия ферментов можно отметить следующие:

1. 
   эффект ориентации реагентов (сближения);
2. 
   эффект деформации субстрата (напряжения, изгиба, натяжения);
3. 
   кислотно-основной катализ;
4. 
   ковалентный катализ.

Эффект ориентации реагентов – очень характерное свойство ферментов позволяющее ускорить превращения в тысячи или десятки тысяч раз. Контактные участки активного центра фермента специфически связывают субстраты и обеспечивают их взаимную ориентацию и сближение так, чтобы это было выгодно для действия каталитических групп.
Эффект деформации субстрата (или так называемая теория «дыбы») хорошо объясняет действие гидролаз, лиаз и некоторых трапефераз. До присоединения к ферменту субстрат имеет «расслабленную» конфигурацию. После связывания с активным центром молекула субстрата как бы растягивается.
Кислотно-основной катализ. Особенность активного центра фермента в отличие от других катализаторов состоит в том, что в нем имеются функциональные группы аминокислотных остатков, которые проявляют свойства как кислоты, так и основания. Поэтому фермент проявляет в ходе каталитического акта кислотно-основные свойства, т.е. играет роль и акцептора, и донора протонов, что невозможно для обычных катализаторов.
При закреплении субстрата в активном центре на его молекулу влияют электрофильные и нуклеофильные группы каталитического участка, что вызывает перераспределение электронной плотности на участках субстрата, атакуемого кислотно-основными группами. Это облегчает перестройку и разрыв связей в молекуле субстрата.
Ковалентный катализ наблюдается у ферментов, которые образуют ковалентные связи между каталитическими группами активного центра и субстратом. Ковалентные фермент-субстратные промежуточные продукты очень неустойчивы и легко распадаются, освобождая продукты реакции.
Для большинства ферментов характерно сочетание описанных механизмов, что обеспечивает их высокую каталитическую активность.

Кинетика ферментативных реакций.
Кинетика действия ферментов – это раздел ферментологии, изучающий зависимость скорости реакции, катализируемой ферментами, химической природы и условий взаимодействия субстрата с ферментом, а также от факторов среды. Иначе говоря, кинетика ферментов позволяет понять природу молекулярных механизмов действия факторов, влияющих на скорость ферментативного катализа.
Скорость ферментативной реакции определяется количеством вещества, которое превращается в единицу времени. Скорость этих реакций зависит от влияния внешних условий (температуры, рН среды, влияния природных и чужеродных соединений и т.д.).
Основы кинетики ферментативных реакций были заложены в работах Михаэлиса и Ментен. Скорость ферментативной реакции является мерой каталитической активности фермента и обозначается просто активность фермента. Измерить активность фермента можно только косвенно: по количеству превращаемого субстрата или нарастанию концентрации продукта в единицу времени.

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата и фермента. Ферментативная реакция схематически описывается уравнением

k+1 k+2 k+3

E + S Û ES Û EP Û E + P.

k-1 k-2 k-3

где k – константы скорости прямых (+) и обратных реакций (-).

Используя это уравнение, Бриггс и Холдейн вывели математическое выражение зависимости скорости реакции от концентрации субстрата:

V = V_max [S] / (K_m + [S]),

где V – наблюдаемая скорость реакции; V_max – максимальная скорость реакции; K_m – константа Михаэлиса. Это уравнение называется уравнением Михаэлиса – Ментен. При V=1/2 V_max после соответствующих преобразований уравнения Михаэлиса - Ментен K_m становится равной концентрации субстрата, т.е. K_m = [S]. Следовательно, константа Михаэлиса имеет размерность концентрации. Она равна концентрации субстрата, при которой скорость реакции равна половине максимальной, и выражается в молях на литр.
Графически зависимость скорости реакции от концентрации субстрата описывается гиперболой, называемой кривой Михаэлиса. Форма кривой показывает, что с увеличением концентрации субстрата все активные центры молекул фермента насыщаются.
Зависимость скорости реакции от количества фермента носит линейный характер, что, как уже говорилось, отличает фермент от небиологических катализаторов. Чем больше число молекул данного фермента в клетке организма по сравнению с остальными, тем выше в ней скорость химических превращений, катализируемых этим ферментом. Если же какого-либо фермента недостаточно (нарушен синтез), то скорость реакции, катализируемая им, ограничивает ход связанных биохимических процессов.
Зависимость скорости реакции от рН среды. Обычно кривая зависимости скорости ферментативной реакции от рН среды имеет колоколообразную форму, поскольку для каждого фермента существует свой оптимум рН, при котором скорость катализируемой им реакции максимальна. Отклонение рН в ту или другую сторону ведет к снижению скорости ферментативной реакции.
Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры. С повышением температуры среды скорость ферментативной реакции увеличивается, достигая максимума при какой-то оптимальной температуре, а затем падает до нуля. Для химических реакций существует правило, что при повышении температуры на 10⁰С скорость реакции увеличивается в два – три раза. Для ферментативных реакций этот температурный коэффициент ниже: на каждые 10⁰С скорость реакции увеличивается в 2 раза и даже меньше. Наступающее вслед за этим снижение скорости реакции до нуля свидетельствует о денатурации ферментного блока. Оптимальные значения температуры для большинства ферментов находятся в пределах 20-40⁰С. Термолабильность ферментов связана с их белковым строением. Некоторые ферменты денатурируют уже при температуре около 40⁰С, но основная часть их инактивируется при температурах выше 40-50⁰С. Отдельные ферменты инактевирует холод, т.е. при температурах близких к 0⁰С, наступает денатурация.
Однако некоторые ферменты не подчиняются этим закономерностям. Так фермент каталаза наиболее активен при температурах приближающихся к 0⁰С. Имеются и термостабильные ферменты. Например, аденилаткиназа выдерживает кратковременно температуру 100⁰С без инактивации.

Обмен аминокислот

Аминокислоты являются «строительными блоками» белков. Белки, что в переводе с греческого означает «первостепенного значения», в свою очередь, являются строительными элементами целого ряда структур. К ним, например, относятся гормоны, энзимы и мышцы.

Основной функцией белка является рост и обновление тканей организма (анаболизм). Белки также могут быть использованы в качестве энергии при катаболических реакциях (распад тканей), к которым относится, например, глюконеогенез — процесс образования глюкозы из аминокислот, молочной кислоты, глицерина или пирувата в печени или почках.

В проводимом нами изучении белков и аминокислот мы расскажем о метаболизме потребляемого нами белка, диетическом белке и катаболических процессах в организме. Общее понимание молекулярной структуры белков и аминокислот необходимо для понимания их метаболизма.

Структура белков и аминокислот

В состав белков входят углерод, водород, кислород и, самое главное, азот. Также они могут содержать серу, кобальт, железо и фосфор. Эти элементы являются «строительными блоками» белков, аминокислотами. Молекула белка состоит из длинных цепочек аминокислот, связанных амидными или пептидными связями.

Белок, потребляемый нами с пищей, содержит самые разные аминокислоты. Существует почти бесконечное сочетание аминокислотных цепочек. Комбинация аминокислот определяет свойства белков.

Как сочетание аминокислот влияет на определенные свойства белков, так и структура отдельных аминокислот определяет их функцию в организме. Аминокислота состоит из центрального атома углерода, положительно заряженной аминогруппы (NH₂) на одном конце и отрицательно заряженной карбоксильной группы на другом (COOH). Функция аминокислоты обусловлена боковой группой (R-). У различных аминокислот боковая цепь отличается.

Нашему организму необходимы 20 различных аминокислот. Эти аминокислоты могут быть разделены на несколько групп в зависимости от их физических свойств. Исходя из цели нашего обсуждения, мы выделим две существенные группы:

1. Незаменимые аминокислоты.
2. Заменимые аминокислоты.

Незаменимые аминокислоты должны поступать с пищей, поскольку они не могут синтезироваться в организме с необходимой скоростью. Заменимые кислоты могут синтезироваться в организме из других белков и небелковых веществ, и они так же важны, как и незаменимые кислоты.

Белки, содержащие все незаменимые аминокислоты, называются полноценными. Те, которые содержат не все незаменимые аминокислоты, являются неполноценными. Два или более неполноценных белка могут образовать полноценный, если в сочетании они дают организму все незаменимые аминокислоты.