вопросы к семинару. вопросы к семинару 1. Семинару Биохимия белков и ферментов
 Скачать 24.64 Kb.
|
|
Вопросы к семинару «Биохимия белков и ферментов» 1.Специфичность первичной структуры белка. Определяющая роль первичной структуры в формировании более высоких уровней организации белковой молекулы. Первичная структура белка(определяющая) – это последовательность аминокислот в полипептидной цепи, связанных друг с другом пептидными связями Первичная структура белка является основной для формирования последующих структур белка за счет взаимодействия радикалов аминокислотных остатков полипептидной цепи. 2. Вторичная структура белка, особенности конформационного строения. Вторичная структура белка – это конфигурация полипептидной цепи, то есть способ упаковки полипептидной цепи в определенную конформацию. Наиболее вероятным типом строения глобулярных белков считают альфа-спираль. Закручивание полипептидной цепи происходит по часовой стрелке. Для каждого белка характерна определенная степень спирализации: например, цепи гемоглобина спирализованы на 75 %, а пепсина - на 30 %. Тип конфигурации полипептидных цепей, обнаруженных в белках волос, шелка, мышц, получил название бета-структуры. В бета-структуре сегменты пептидной цепи располагаются в один слой, образуя фигуру, подобную листу, сложенному в гармошку. Слой может быть образован двумя и более пептидными цепями 3. Третичная структура белка. Связи, стабилизирующие третичную структуру (ковалентные, ионные, гидрофобные, водородные, Ван-дер-Ваальса). Третичная структура белка – это пространственная ориентация полипептидной спирали или способ укладки полипептидной цепи в определенном объеме. Связи, стабилизирующие третичную структуру образуются между боковыми радикалами аминокислот и их функциональными группами. Связи могут быть сильными (ковалентными) и слабыми (полярными и ван-дер-ваальсовыми). Гидрофобные (ван-дер-ваальсовы), ионные и водородные связи слабые, но так как они многократно повторяются в белке, то играют важную роль в формировании третичной структуры. 4. Четвертичная структура белка. Понятие о мономерах и олигомерах. Четвертичная структура белка – это способ укладки в пространстве отдельных полипептидных цепей, обладающих одинаковой или разной первичной, вторичной или третичной структурой, и формирование единого в структурном и функциональном отношениях макромолекулярного образования. Белковую молекулу, состоящую из нескольких полипептидных цепей, называют олигомером. Мономер представляет собой соединение одной повторяющейся химической единицы. 5. Понятие «нативный белок». Понятие об аллостерических белках. Нативный белок - белок, обладающий определенной биологической активностью. Аллостерический белок определяется как белок, содержащий два или больше топологически различающихся центра связывания лигандов (субстраты, ингибиторы и т.д), которые функционально взаимодействуют друг с другом. 6. Доменная структура белка. Методами рентгеноструктурного анализа доказано существование уровней структурной организации белковой молекулы, промежуточных между вторичной и третичной структурами. Этот промежуточный уровень организации получил название домен. Домен - это компактная глобулярная структурная единица внутри полипептидной цепи. Открыто много белков (например, иммуноглобулины), состоящих из разных по структуре и функциям доменов, кодируемых разными генами. 7. Сходство и различие строения и свойств гемоглобина и миоглобина. Миоглобин и гемоглобин относят к гемопротеинам, они содержат порфириновое производное - гем, который обеспечивает их красный цвет и способность взаимодействовать с О2. Гемоглобин ответственен за транспорт кислорода, а миоглобин – за его депонирование. 8. Аллостерические формы гемоглобина. Гемоглобин-наиболее изученный аллостерический белок. У гемоглобина проявляются три аллостерических эффекта. Во- первых, кривая связывания кислорода гемоглобином имеет сигмоидную форму, что свидетельствует о кооперативности связывания кислорода. Присоединение кислорода к одному гему облегчает присоединение О2 к остальным гемам той же молекулы белка. Эта кооперативность увеличивает количество транспортируемого кислорода. Во- вторых, Н+ и СО2 способствуют отщеплению кислорода от гемоглобина-эффект, имеющий большое физиологическое значение, поскольку таким путем увеличивается высвобождение кислорода в тканях с активным метаболизмом, например, в работающих мышцах. Имеет место и обратный эффект: О2 способствует высвобождению Н+ и СО2 в капиллярах легочных альвеол. Аллостерическая связь между присоединением Н+, СО2 и О2 известна как «эффект Бора». В-третьих, сродство гемоглобина к О2 регулируется также 2,3-бисфосфоглицератом (БФГ)-соединением небольшой молекулярной массы, имеющим отрицательный заряд высокой плотности. БФГ способен присоединяться к дезоксигемоглобину, но не к оксигемоглобину. Отсюда следует, что БФГ снижает сродство гемоглобина к кислороду. БФГ играет важную роль в адаптации организма к высоте и к гипоксии. Гемоглобин плода обладает более высоким сродством к кислороду, чем гемоглобин взрослого организма, потому что он связывает меньше БФГ. Аллостерические свойства гемоглобина обусловлены взаимодействием его α- и β- субъединиц. Жесткость Т-формы (напряженной) четвертичной структуры определяется образованием солевых связей между субъединицами, что обусловливает низкое сродство к кислороду. В R-форме эти межсубъединичные связи отсутствуют и сродство к кислороду высокое. При оксигенировании атом железа перемещается в плоскость гема и подтягивает за собой проксимальный гистидин. При этом перемещении начинают расщепляться солевые связи и происходит сдвиг равновесия от Т-формы к R-форме. Присоединение к гемоглобину четвертой молекулы O2 происходит значительно легче, чем присоединение первой, так как требует разрыва меньшего числа солевых связей. БФГ связывается с положительно заряженными группами двух β-цепей, окружающими центральную полость гемоглобина. Связывание БФГ стабилизирует Т-форму и потому снижает сродство гемоглобина к кислороду. Другой аллостерический эффектор-диоксид углерода- присоединяется к концевым аминогруппам всех четырех цепей, образуя легко расщепляемую карбаматную связь. Для ионов водорода, также участвующих в возникновении эффекта Бора, имеются три пары участков связывания. Ближайшее окружение двух концевых аминогрупп и двух пар гистидиновых боковых цепей в дезоксигемо- глобине обладает большим отрицательным зарядом, чем в оксигемоглобине, и потому после отщепления O2 к этим участкам присоединяется Н+. СO2 и Н+, подобно БФГ, снижают сродство к кислороду путем стабилизации Т-формы гемоглобина. 9. Серповидно-клеточная анемия. Наследственное изменение структуры какой-либо цепи нормального гемоглобина – это гемоглобинопатия. В крови человека открыто около 150 типов мутантных гемоглобинов. Пример гемоглобинопатии - серповидно-клеточная анемия, распространенная в странах Южной Америки, Африки и Юго-Восточной Азии. При этом заболевании глутаминовая кислота в шестом положении с N-конца заменена на валин в бета-цепях молекулы гемоглобина. Это результат мутации в молекуле ДНК. У такого гемоглобина снижены растворимость и сродство к кислороду. Эритроциты в условиях низкого парциального давления кислорода принимают форму серпа. Гемоглобин при серповидно-клеточной анемии после отдачи кислорода превращается в плохо растворимую дезоксиформу и выпадает в осадок в виде веретенообразных кристаллов. Кристаллы деформируют эритроцит и приводят к гемолизу. У гомозиготных особей с первых месяцев жизни развивается тяжелая форма серповидно-клеточной анемии. Болезнь протекает остро, дети часто умирают в раннем возрасте. 10. Диагностическое значение белкового числа крови. Увеличение или уменьшение содержания общего белка плазмы крови и отдельных фракций может быть обусловлено многими причинами, причем это касается как количественного, так и качественного состава белков. Эти изменения не являются специфичными, а отражают общий патологический процесс (воспаление, некроз, новообразования), динамику, тяжесть заболевания. С их помощью можно оценить эффективность лечения. Поэтому определение общего белка и отдельных фракций, при правильной их трактовке, имеет важное клинико-диагностическое значение. 11. Химическая природа, структура и функции ферментов, характеристика кофакторов и коферментов, их роль в катализе. По своей природе ферменты относятся к белкам, предназначенным для ускорения различных биохимических реакций в организме. По химическому строению ферменты могут быть протеинами( .е. простыми белками) и протеидами (сложными белками). Если активность ферментов-протеинов зависит только от структуры самого белка, то активность ферментов-протеидов связана с присутствием определенных групп небелковой природы – так называемых кофакторов. В роли кофакторов могут выступать или ионы металлов или сложные органические соединения, входящие как добавочная группа небелковой природы в состав фермента-протеида. Они выступают катализаторами свыше чем в 4 тысячах биохимических жизненно важных реакций. Функции ферментов заключаются в направлении и регуляции метаболических процессов. Кофакторы, как правило, термостабильны, тогда как большинство ферментов при нагревании инактивируется. Под коферментом подразумевают добавочную группу, легко отделяющуюся от апофермента, обслуживающую два или несколько ферментов и способную к самостоятельному существованию 12. Понятие об активных центрах ферментов. Аллостерический центр. Аллостерические ферменты. Активный центр – это уникальная комбинация аминокислотных остатков в молекуле фермента, обеспечивающая непосредственное связывание с молекулой субстрата и прямое участие в акте катализа Аллостерический центр – это участок молекулы фермента, в результате присоединения к которому определенного низкомолекулярного (а иногда и высокомолекулярного) вещества изменяется третичная структура белковой молекулы фермента. Аллостерические ферменты – это ферменты, активность которых регулируется не только концентрацией субстрата, но и другими веществами (аллостерическими регуляторами 13. Изоферменты Мультимолекулярные ферментные системы. Единицы ферментативной активности. Изоферменты-Это различные молекулярные формы одного и того же фермента, катализирующие одну и ту же реакцию, отличающиеся вследствие генетических различий особенностями строения и физико- химическими свойствами (первичной структурой, электрофоретической подвижностью, Кm, локализацией в клетке). Мультимолекулярные (надмолекулярные) ферментные системы -- комплексы, состоящие из различных по строению ферментов, катализирующих последовательные ступени превращения определенного субстрата. Их особенностями является прочность ассоциации ферментов и определенная последовательность прохождения промежуточных стадий во времени, определяемая порядком расположения Ферменты в клетках находятся в ничтожно малых концентрациях. Поэтому определяют не концентрацию фермента, а его активность. Об активности фермента судят по скорости убыли субстрата или скорости образования продуктов реакции. За единицу активности фермента (Е) принято такое его количество, которое катализирует превращение 1 микромоля вещества за одну минуту при оптимальных условиях pH и температуры. Часто определяют удельную активность фермента: она равна числу единиц фермента в образце, делённому на массу белка (в мг) в этом образце. Молярная активность (число оборотов) определяется как число молекул субстрата, которое превращается молекулой фермента за 1 минуту. В системе СИ за единицу активности фермента принят катал (кат) – это такое количество фермента, которое катализирует превращение одного моля субстрата за 1 секунду. 14. Механизм действия ферментов. Под механизмом действия фермента понимают последовательность превращений молекул в его активном центре. Акт катализа начинается со связывания субстрата, затем происходит с десяток изменений, и, наконец, появляется продукт. Акт катализа складывается из трех последовательных этапов. 1.Образование фермент-субстратного комплекса при взаимодействии через активный центр. 2.Связывание субстрата происходит в нескольких точках активного центра, что приводит к изменению структуры субстрата, его деформации за счет изменения энергии связей в молекуле. Это вторая стадия и называется она активацией субстрата. При этом происходит определенная химическая модификация субстрата и превращение его в новый продукт или продукты. 3.В результате такого превращения новое вещество (продукт) утрачивает способность удерживаться в активном центре фермента и фермент-субстратный, вернее уже фермент-продуктный комплекс диссоциирует (распадается). 15. Классификация ферментов. Примеры. Оксидоредуктазы. Катализируют окислительно-восстановительные реакции- каталаза, алкогольдегидрогеназа, лактатдегидрогеназа Трансферазы. Катализируют реакции переноса группировок от одного соединения на другое- киназы (фосфотрансферазы), переносящие фосфатную группу, используя в качестве субстрата АТР, а также ДНК- и РНК-полимеразы, осуществляющие синтез ДНК и РНК. Гидролизы. Ускоряют гидролитическое расщепление веществ- пепсин, трипсин, химотрипсин, амилаза. Лиазы. Катализируют реакции негидролитического расщепления с образованием двойных связей или реакции присоединения групп к двойным связям- альдолаза, декарбоксилаза Изомеразы. Катализируют реакции изомеризации соединений- рацемазы, цис-транс-изомеразы. Лигазы (синтетазы). Ускоряют реакции синтеза с использованием энергии макроэргических соединений- аминоацил-тРНК-синтетазы. 16. Кинетика ферментативных реакций. Сродство между субстратом и ферментом. Понятие о константе Михаэлиса. Кинетика ферментативных реакций – раздел энзимологии, изучающий зависимость скорости химических реакций, катализируемых ферментами, от химической природы реагирующих веществ, а также от факторов окружающей среды. Сродство фермента к субстрату, мера. К-рые по экспериментальным данным позволяют определять V и К Константа Михаэлиса, Км (Michaelis constant, Km) [лат. constans — постоянный; по имени Л. Михаэлиса] — кинетический параметр ферментативной реакции, численно равный концентрации субстрата, при которой скорость реакции составляет половину максимальной; К.М. характеризует сродство фермента к субстрату: чем меньше значение К.М., тем сильнее связывание фермента с субстратом. 17. Регуляция активности ферментов. Активаторы и ингибиторы ферментов. Типы ингибирования ферментов: обратимое и необратимое; конкурентное и неконкурентное. Регуляция активности ферментов может осуществляться путём взаимодействия ферментов с различными биологическими компонентами или чужеродными соединениями, которые называются регуляторами ферментов. Они могут либо ускорять, либо замедлять ферментативную реакцию Вещества, которые оказывают влияние на активность ферментов, называют эффекторами. Это могут быть ингибиторы – соединения, тормозящие каталитический процесс, или активаторы – вещества, которые этот процесс ускоряют. Обратимое ингибирование Обратимые ингибиторы связываются с ферментом слабыми нековалентными связями и при определённых условиях легко отделяются от фермента. Обратимые ингибиторы бывают конкурентными и неконкурентными. Конкурентное ингибирование-К конкурентному ингибированию относят обратимое снижение скорости ферментативной реакции, вызванное ингибитором, связывающимся с активным центром фермента и препятствующим образованию фермент-субстратного комплекса. Такой тип ингибирования наблюдают, когда ингибитор - структурный аналог субстрата, в результате возникает конкуренция молекул субстрата и ингибитора за место в активном центре фермента. В этом случае с ферментом взаимодействует либо субстрат, либо ингибитор, образуя комплексы фермент-субстрат (ES) или фермент-ингибитор (EI). При формировании комплекса фермента и ингибитора (EI) продукт реакции не образуется. Неконкурентное ингибирование Неконкурентным называют такое ингибирование ферментативной реакции, при котором ингибитор взаимодействует с ферментом в участке, отличном от активного центра. Неконкурентные ингибиторы не являются структурными аналогами субстрата. Неконкурентный ингибитор может связываться либо с ферментом, либо с фермент-субстратным комплексом, образуя неактивный комплекс. Присоединение неконкурентного ингибитора вызывает изменение конформации молекулы фермента таким образом, что нарушается взаимодействие субстрата с активным центром фермента, что приводит к снижению скорости ферментативной реакции. Необратимое ингибирование наблюдают в случае образования ковалентных стабильных связей между молекулой ингибитора и фермента. Чаще всего модификации подвергается активный центр фермента, В результате фермент не может выполнять каталитическую функцию. К необратимым ингибиторам относят ионы тяжёлых металлов, например ртути (Hg2+), серебра (Ag+) и мышьяка (As3+), которые в малых концентрациях блокируют сульфгидрильные группы активного центра. Субстрат при этом не может подвергаться химическому превращению. При наличии реактиваторов ферментативная функция восстанавливается. В больших концентрациях ионы тяжёлых металлов вызывают денатурацию белковой молекулы фермента, т.е. приводят к полной инактивации фермента. 18. Влияние рН и температуры на скорость ферментативных реакций. Специфичность действия ферментов. Влияние рН на скорость ферментативной реакции Изменение концентрации H+ меняет химический состав фермента, его строение и каталитическую активность. Изменение концентрации H+ меняет химический состав субстрата, его строение и способность вступать в ферментативную реакцию. Денатурацией фермента при очень высоких или очень низких рН. Влияние температуры на скорость ферментативной реакции Повышение температуры на 10 градусов повышает скорость химической реакции в 2-4 раза. При повышение температуры фермент подвергается денатурации и теряет свою активность. 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 (- расщепление аргинина). Относительную (групповую спец) - Ф катализирует определенный класс реакций (напр. гидролитическое расщепление) или реакции при участии определенного класса веществ. 19. Значение ферментов в регуляции обмена веществ. Применение ферментов в медицине. Основная роль ферментов в организме человека – преобразование одних веществ в другие, то есть субстратов в продукты. Они выступают катализаторами свыше чем в 4 тысячах биохимических жизненно важных реакций. Функции ферментов заключаются в направлении и регуляции метаболических процессов. Как неорганические катализаторы, энзимы могут в разы ускорять прямую и обратную биореакцию. 1.Изучение изменений активности ферментов при заболеваниях - энзимопатиях(Энзимопатии - заболевания, вызванные нарушением синтеза ферментов) 2.Использование ферментных тестов для диагностики заболеваний - энзимодиагностика(определение активности ферментов для диагностики заболеваний) 3.Использование ферментов для лечения заболеваний - энзимотерапия(применение ферментов в качестве лекарственных препаратов) 4.Кроме того, ферменты используют в качестве специфических реактивов для определения ряда веществ. |