вуакпу. Аминокислоты. Строение, свойства, классификация. Типы связей между аминокислотами в белках
 Скачать 149.89 Kb.
|
|
Аминокислоты. Строение, свойства, классификация. Типы связей между аминокислотами в белках. Аминокислоты- это карбоновые кислоты, один атомом водорода у которых замещен на аминогрупп и которые являются амфотерными электролитами. Аминокислота состоит из стандартного каркаса (NH2-CH(-R)-COOH), где R- это радикал. Аминокислоты являются амфотерными электролитами, заряд которых зависит от величины рН среды. Таким образом, аминокислотам характерна изоэлектрическая точка- значение рН среды, при которой молекула амфотерного вещества, в данном случае аминокислота, находится в электронейтральном положении. Классифицируют аминокислоты по нескольким аспектам: - по абсолютной конфигурации молекулы (D-\ L-аминокислоты). - в зависимости от положения аминогруппы (а-\в- и др). -по участию аминокислот в синтезе белков (протеиногенные и непротеиногенные). - по строению бокового радикала (неполярные(алифатические и ароматические) и полярные (незаряженные, отрицательно и положительно заряженные)). -электрохимически (нейтральные, кислые (Асп, Глу) и основные (Лиз, Арг, Гис)). - физиологически (незаменимые(ЛЕЙ, ИЛЕ, ВАЛ, ФЕН, ТРИ, ТРЕ, ЛИЗ, МЕТ) и заменимые. Условно незаменимые- Арг, Гис.) Аминокислоты связываются в белки при помощи пептидной связи (-NH-CO-). Для вторичной структуры характерны также водородные связи между Н и О. В третичной структуре присутствуют водородные, дисульфидные (между остатками цистеина), гидрофобные (между остатками алифатических и ароматических АК), ионные и псевдопептидные. Четверичная структура поддерживается при помощи водородных связей, а также ионных и электростатических взаимодействий между остатками АК. Белки. Уровни структурной организации белковой молекулы. Связь структуры и функции. Белки- это полимеры аминокислот с молекулярной массой более 5-6 тысяч атомных единиц. Белки- это высокомолекулярные органические соединения, мономеры которых являются АК, связанные пептидной связью. Существует 4 уровня структурной организации белка. Первичная- последовательное расположение АК в полипептидной цепочке, которая определяет последующие уровни структурной организации, потому что R-АК пептидной связи взаимодействуют так, что белок сворачивается определенным образом при помощи белков-шаперонов. Вторичная- укладка полипептидной цепочки в пространстве в определенные повторяющиеся или неповторяющиеся структуры. / -это укладка первичной структуры в пространстве в определенные повторяющиеся или неповторяющиеся структуры. α- спираль- полипептидная цепь образует «пружинку»/ «спираль», поддерживающаяся при помощи многочисленных водородных связей. β- складка- полипептидная цепь уложена компактно в виде складок, поддерживающаяся при помощи многочисленных водородных связей. Пролиновая спираль- укладка полипептидной цепи определенным образом, каждая третья АК является пролин или гидроксипролин, а также каждая третья АК- глицин. Уникальная нерегулярная структура- укладка полипептидной цепи без повторяющихся участков. Третичная-это определенное расположение различных видов вторичной структуры в пространстве. В третичной структуре присутствуют водородные, дисульфидные (между остатками цистеина), гидрофобные (между остатками алифатических и ароматических АК), ионные и псевдопептидные. Четвертичная- расположение в пространстве нескольких видов или образований третичной структуры. Четверичная структура поддерживается при помощи водородных связей, а также ионных и электростатических взаимодействий между остатками АК. Белки. Физико-химические свойства белков (денатурация, растворимость, электрофоретическая подвижность). Методы разделения и исследования структуры белков. К свойствам белков относят амфотерность, растворимость, способность к денатурации. Амфотерность. Так как белки содержат кислые и основные аминокислоты, то в их составе всегда имеются свободные кислые (СОО–) и основные (NH3+) группы. Заряд белка зависит от соотношения количества кислых и основных аминокислот. По- этому, аналогично аминокислотам, белки заряжаются положительно при уменьшении рН, и отрицательно при его увеличении. Если рН раствора соответствует изоэлектрической точке белка, то заряд белка равен 0. Если в пептиде или белке преобладают кислые аминокислоты (глутамат и аспартат), то при нейтральных рН заряд белка отрицательный и изоэлектрическая точка находится в ки- слой среде. Растворимость. Так как большинство белков несет много заряженных групп, то в целом они водорастворимы. Растворимость объясняется: 1) наличием заряда и взаимоотталкиванием заряженных молекул белка, 2) наличием гидратной оболочки – чем больше полярных и/или заряженных аминокислот в белке, тем больше гидратная оболочка (100 г белка альбумина связывает 30-50 г воды). Денатурация – необратимое осаждение белка из-за разрыва связей, стабилизирующих четвертичную, третичную, вторичную структуры белка, сопровождаемое изменением растворимости, вязкости, химической активности, снижением или полной потерей биологической функции. 1. Физическая денатурация – повышение температуры, ультрафиолетовое и микроволновое излучение, механические воздействия, ионизация заряженными частицами. 2. Химическая: 1) кислоты и щелочи образуют водородные связи с пептидными группами. 2)органические растворители образуют водородные связи и вызывают дегидратацию. 3)алкалоиды образуют связи с полярными группами и разрывают систему водородных и ионных связей. 4)тяжелые металлы взаимодействуют с заряженными радикалами, нейтрализуют отрицательные заряды и разрывают систему водородных и ионных связей. Белки. Четвертичная структура. Гемоглобин. Миоглобин. Строение. Особенности функционирования. Гемоглобинопатия. Ферменты- биокатализаторы. Активный центр ферментов, его формирование у ферментов с различной структурой. Активаторы и ингибиторы. Ферменты- это биокатализаторы белковой и нуклеиновой природы. Активный центр – комбинация аминокислотных остатков (обычно 12-16), обеспечивающая непосредственное связывание с молекулой субстрата и осуществляющая катализ. Аминокислотные радикалы в активном центре могут находиться в любом сочетании, при этом рядом располагаются аминокислоты, значительно удаленные друг от друга в линейной цепи. У ферментов, имеющих в своем составе несколько мономеров, может быть несколько активных центров по числу субъединиц. Также две и более субъединицы могут формировать один активный центр. У сложных ферментов в активном центре обязательно расположены функциональные группы кофактора. В свою очередь в активном центре выделяют два участка: якорный (контактный, связывающий) – отвечает за связывание и ориентацию субстрата в активном центре, каталитический – непосредственно отвечает за осуществление реакции. Активаторы- это вещества, стимулирующие работу ферментов. Ингибиторы- это вещества, которые частично или полноценно тормозят работу ферментов. Ферменты. Классификация (по строению, по типу катализируемой реакции). Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры и рН. Ингибиторы ферментов. Виды ингибирования. Классификация по химическому строению: -простые- белки без примесей -сложные- белки + небелковый компонент. Белковая часть- апофермент, небелковый компонент- кофермент, который непрочно связан с апоферментом нековалентной связью с возможность отделяться (НАД, НАДФ) Кофактор (Ме, К-ты); простетическая группа- небелковый компонент, который прочно связан с апоферментом ковалентной связью (ФАД, Гем, биотин(В8), ФАДФ). По типу катализируемой реакции: 1 класс- оксидоредуктазы- ОВР с переносом электронов с молекулы на другую молекулу (оксидаз, дегидрогеназы, цитохромы). 2 класс- трансферазы- перенос химической группы с молекулы на другую молекулу (амонотрансферазы). 3 класс- гидролазы- гидролиз (пепсин, трепсин). 4 класс- лиазы- отрыв функциональной группы без участия воды с образованием двойной связи (юъдекарбоксилаза). 5 класс- изомеразы- изомеризация 6 класс- лигазы- синтетазы- реакции синтеза 7 класс- транслоказы- перенос ионов или молекул через биомембрану или разделение ионов или молекул внутри биомембраны. Ферметативная активность возрастает при повышении температуры до 400С, с дальнейшим повышением температуры происходит денатурация. Каждому ферменту характерен свой оптиум рН. Ингибирование. Подавление активности ферментов обычно называют ингибированием, однако это не всегда корректно. Ингибитор – это вещество, вызывающее специфичное снижение активности фермента. Таким образом, неорганические кислоты и тяжелые металлы ингибиторами не являются, а являются инактиваторами, т.к. снижают активность любых ферментов, т.е. неспецифично. 1. По прочности связывания фермента с ингибитором ингибирование бывает обратимым и необратимым. 2. По отношению ингибитора к активному центру фермента ингибирование делят на конкурентное и неконкурентное. НЕОБРАТИМОЕ ИНГИБИРОВАНИЕ При необратимом ингибировании происходит связывание или разрушение функциональных групп фермента, необходимых для проявления его активности. Например, вещество диизопропилфторфосфат прочно и необратимо связывается с гидроксигруппой серина в активном центре ацетилхолинэстеразы, гидролизующей ацетилхолин в нервных синапсах. Ингибирование этого фермента предотвращает распад ацетилхолина в синаптической щели, в результате чего отсутствует дальнейшая передача сигнала по нерву. КОНКУРЕНТНОЕ ИНГИБИРОВАНИЕ При таком виде ингибирования ингибитор по своей структуре похож на субстрат фермента. Поэтому он соперничает с субстратом за активный центр, что приводит к уменьшению связывания субстрата с ферментом и нарушению катализа. В этом состоит особенность конкурентного ингибирования – возможность усилить или ослабить ингибирование через изменение концентрации субстрата. Например: 1. Конкурентное взаимодействие этанола и метанола за активный центр алкогольде-гидрогеназы. 2. Ингибирование сукцинатдегидрогеназы малоновой кислотой, структура которой схожа со структурой субстрата этого фермента – янтарной кислоты (сукцината) 3. Также к конкурентным ингибиторам относят антиметаболиты или псевдосубстраты, например, антибактериальные средства сульфаниламиды, схожие по структуре с п-аминобензойной кислотой, компонентом фолиевой кислоты. При лечении сульфанила мидами в бактериальной клетке конкурентно нарушается использование п-аминобензойной кислоты для синтеза дигидрофолиевой кислоты, что и вызывает лечебный эффект. НЕКОНКУРЕНТНОЕ ИНГИБИРОВАНИЕ Данный вид ингибирования связан с присоединением ингибитора не в активном центре, а в другом месте молекулы. Это может быть аллостерическое ингибирование, когда активность фермента снижается естественными модуляторами (см выше), или связывание с ферментом каких-либо токсинов. Например, синильная кислота (цианиды) связывается с гемовым железом ферментов дыхательной цепи и блокирует клеточное дыхание. Строение ферментов. Формирование активного центра у простых и сложных ферментов. Специфичность действия. Специфичность основана на комплементарности структуры субстрата и активного центра фермента. 1. Стереоспецифичность – катализ только одного из стереоизомеров, например: специфичность к L- или D-аминокислотам – например, почти все ферменты человека взаимодействуют с L-аминокислотами, специфичность к цис- и транс-изомерам. Например, аспартаза реагирует только с транс-изомером – фумаровой кислотой, но не с малеатом (цис-изомер), 2. Абсолютная специфичность – фермент производит катализ только одного вещества. Например, расщепление мочевины уреазой. 3. Групповая специфичность – катализ субстратов с общими структурными особенностями, т.е. при наличии определенной связи или химической группы: -наличие пептидной связи, например, • бактериальный фермент субтилизин специфичен к пептидной связи независимо отстроения образующих ее аминокислот, • пепсин катализирует разрыв пептидной свя- зи, образованной карбоксильными группами ароматических аминокислот • тромбин расщепляет пептидную связь только между аргинином и глицином. -наличие ОН-группы, например, алкогольдегидрогеназа окисляет до альдегидов одноатомные спирты (этанол, метанол, пропанол). 4. Относительная групповая специфичность – превращение субстратов с некоторыми общими признаками. Например, цитохром Р450 окисляет только гидрофобные вещества, которых насчитывается около 7000. Механизм действия ферментов. Теории взаимодействия фермента и субстрата. Роль витаминов в функционировании ферментов. Адсорбционная теория- увеличение концентрации на активном центре. Теория искажения- «Рука- перчатка»- Деформации—при взаимодействии с активным центром происходит деформация. Свободнорадикальная теория- при взаимодействии с активным центром образуется свободный радикал. Теория промежуточных комплексов- энергетический максимум- потенциальный барьер- Е, которую сообщить веществу, чтобы произошла реакция. Регуляция активности ферментов: аллостерические механизмы, ограниченный протеолиз, фосфорилирование и дефосфорилирование. Аллостерическим механизмом регуляции активности ферментов называют регуляторный механизм, в котором контроль активности фермента реализуется путем изменения конформации белковой молекулы, индуцируемого связыванием метаболита-регулятора в особом (аллостерическом) центре, пространственно удаленном от активного центра. Ограниченный протеолиз — процесс расщепления одной или нескольких пептидных связей в молекуле белка ферментом-протеазой. Ограниченный протеолиз является одной из регуляторных посттрансляционных модификаций. Фосфорилирование — это химическое присоединение фосфорильной группы (PO3—) к органической молекуле. Удаление фосфорильной группы называется дефосфорилированием. И фосфорилирование, и дефосфорилирование осуществляются ферментами (например, киназами, фосфотрансферазами). Тканеспецифичные ферменты. Изоферменты. Значение определения активности трансаминаз, а также изоферментов лактатдегидрогеназы и креатинфосфокиназы для диагностики заболеваний. Изоферменты – это молекулярные формы одного и того же фермента, возникшие в результате небольших генетических различий в первичной структуре фермента. Различные изоферменты определяют скорость и направление реакции благодаря разному сродству к субстрату.  Роль ферментов в метаболизме. Значение энзимологии для медицины: энзимопатии, энзимодиагностика, энзимотерапия. Энзимопатологии (энзимопатии) – состояния, связанные с патологическим изменением активности ферментов. Наиболее часто встречается снижение активности и нарушение каких-либо метаболических процессов. В результате энзимопатклиническое значение может иметь накопление субстрата реакции (как при фенилкетонурии) или недостаток продукта (при альбинизме) или обе особенности одновременно (гликогенозы). По характеру нарушения выделяют первичные и вторичные энзимопатии. Первичные (наследственные) энзимопатии связаны с генетическим дефектом и наследственным снижением активности. Например, фенилкетонурия связана с дефектом фенилаланин-4-монооксигеназы, которая превращает фенилаланин в тирозин. В результате накапливаются аномальные метаболиты фенилаланина, оказывающие сильный токсический эффект. Заболевание подагра связано с дефектом ферментов метаболизма пуриновых оснований и накоплением мочевой кислоты. Кроме указанных, распространенными первичными энзимопатиями являются галактоземия, недостаточность лактазы и сахаразы, гликогенозы, наследственные гипераммониемии, различные липидозы. Вторичные (приобретенные) энзимопатии возникают как следствие заболеваний органов, вирусных инфекций и т.п., что приводит к нарушению синтеза фермента или условий его работы, например, гипераммониемия при заболеваниях печени, при которых ухудшается синтез мочевины и в крови накапливается аммиак. Другим примером может служить недостаточность ферментов желудочно-кишечного тракта при заболеваниях желудка, поджелудочной железы или желчного пузыря. Недостаток витаминов и их коферментных форм также является причиной приобретенных ферментопатий. Э НЗИМОДИАГНОСТИКА Энзимодиагностика – это исследование активности ферментов плазмы крови, мочи, слюны с целью диагностики тех или иных заболеваний. Примером может служить фермент лактатдегидрогеназа, определение его активности в плазме крови необходимо при заболеваниях сердца, печени, скелетной мускулатуры. Увеличение активности α-амилазы в плазме крови и моче наблюдается при воспалительных процессах в поджелудочной и слюнных железах. Инфаркт миокарда сопровождается увеличением активности лактатдегидрогеназы, креатинкиназы, аспартатаминотрансферазы. ЭНЗИМОТЕРАПИЯ Энзимотерапия – это использование ферментов в качестве лекарственных средств. Самыми распространенными ферментативными препаратами являются комплексы ферментов желудочно-кишечного тракта (Фестал, Панзинорм форте, Мезим форте, Энзистал и т.п.), используемые для заместительной терапии при нарушениях переваривания веществ в желудочно-кишечном тракте. Тканевой фермент гиалуронидаза используется организмом для обратимого изменения проницаемости межклеточного вещества. Лекарственную форму гиалуронидазы – лидазу – вводят для размягчения рубцов, появления подвижности в суставах, рассасывания гематом. Цитохром с – фермент, участвующий в процессах тканевого дыхания. Его используют при асфиксии новорожденных, астматических состояниях, сердечной недостаточности, различных видах гепатита и т.п. Рибонуклеаза и дезоксирибонуклеаза входят в состав глазных капель и используются при вирусных конъюнктивитах. При нанесении на рану они разжижают гной, при ингаляциях уменьшают вязкость слизи, деполимеризуя нуклеиновые кислоты в мокроте. Трипсин используют при бронхолегочных заболеваниях для разжижения густой и вязкой мокроты. Фицин используется в фармацевтической промышленности в качестве добавки к зубным пастам для удаления зубного налета. Коллагеназу применяют для ускорения отторжения некротизированных тканей, для очистки трофических язв. |