Характеристика простых и сложных белков. Характеристика классов сложных белков: нуклеопротеиды, липопротеиды, гликопротеиды, фосфопротеиды, хромопротеиды, металлопротеиды, флавопротеиды.

Классификация и номенклатура ферментов. Химическая природа ферментов, их функциональные группы. Активный и аллостерический центры.

ФЕРМЕНТЫ (энзимы), белки, выполняющие роль катализаторов в живых организмах. Осн. ф-ции ферментов - ускорять превращение в-в, поступающих в организм и образующихся при метаболизме (для обновления клеточных структур, для обеспечения его энергией и др.), а также регулировать биохим. процессы (напр., реализацию ге-нетич. информации), в т. ч. в ответ на изменяющиеся условия.
Классификация ферментов. По рекомендации Международного биохим. союза, все ферменты в зависимости от типа катализируемой р-ции делят на 6 классов: 1) Оксидоредуктазы (катализаторы окислительно-восстановительных реакций) лактатдегидрогиназа. 2) Трансферазы (реакции переноса групп с одной молекулы на другую) холинацетилтрансфераза. 3) Гидролазы (реакции с участием молекул воды) дипептилаза. 4) Лиазы (Синтазы) (реакции соединения или расщепления молекул, присоединения-отсоединения воды, аммиака, СОг и т.д.) пируватдекарбоксилаза. 5) Изомеразы (изменение строения внутри одной молекулы) мутаза. 6) Лигазы (Синтетазы) (то же, что лиазы, но с участием энергии АТФ) аспартатсинтетаза.. К оксидоредуктазам относятся ферменты, переносящие атомы H или электроны. Многие оксидоредуктазы являются ферментами дыхания и окислительного фосфорилирования. Трансферазы катализируют перенос функц. групп (CH3, COOH, NH2, CHO и др.) от одной молекулы к другой. Гидролазы катализируют гидролитич. расщепление связей (пептидной, гликозидной, эфирной, фосфодиэфирной и др.). Лиазы катализируют негидролитич. отщепление групп от субстрата с образованием двойной связи и обратные р-ции. Эти ферменты могут отщеплять CO2, H2O, NH3 и др. Изомеразы катализируют образование изомеров субстрата, в т. ч. цис-, транс-изомеризацию, перемещение кратных связей, а также групп атомов внутри молекулы. Лигазы - ферменты, катализирующие присоединение двух молекул с образованием новых связей (С — С, С — S, С — О, С — N и др.), как правило, сопряженное с расщеплением пирофос-фатной связи, напр. у АТФ.

Механизм действия ферментов.

1Сближение и «трехточечная» фиксация субстрата на ферменте, образование фермент-субстратного комплекса. При этом происходит изменение конформации фермента, в результате чего резко повышается комплементарность его активного центра к субстрату (индуцированное соответствие). Связывающий и каталитический центры.

2Ферментативная реакция. Если фермент осуществляет нуклеофильную атаку и отдает пару электронов, протекает нуклеофильный катализ. В электрофильном катализе фермент сам является акцептором электронов, в кислотно-основном катализе происходит обмен протоном между ферментом и субстратом.

3Отделение продуктов превращения субстрата от фермента.

Ингибиторы и активаторы ферментов.

Ингибиторы снижают скорость ферментативной реакции:

ü конкурентные ингибиторы обратимо взаимодействуют с активным центром, конкурируя с субстратом

ü неконкурентные ингибиторы взаимодействуют с ферментом на удалении от активного центра, изменяя его конформацию

ü бесконкурентные ингибиторы взаимодействуют с ферментом в момент образования фермент-субстратного комплекса, препятствуя его распаду

ü ингибирование избытком субстрата вследствие связывания последнего с функциональными группировками вне активного центра, либо вследствие взаимодействия с активным центром нескольких молекул субстрата

В качестве активаторов чаще всего выступают ионы металлов, ускоряющие образование фермент-субстратного комплекса.

Никотин.

При курении большая часть никотина разрушается или испаряется. Никотин - сильный яд. В малых количествах он стимулирует дыхание, но в больших - подавляет передачу импульса в симпатических и парасимпатических нервных узлах. Смерть наступает от прекращения дыхания. Никотин сильно влияет на сердечно-сосудистую систему, вызывая сужение периферических сосудов, тахикардию и подъем систолического и диастолического кровяного давления.

 

 

Гликолиз

Главный путь утилизации глюкозы, фруктозы и галактозы. Уникальность процесса заключается в том, что он может протекать как в аэробных, так и в анаэробных условиях и является одним из основных путей биосинтеза АТФ. Кроме того, промежуточные метаболиты гликолиза имеют пластическое значение, т.е. используются для биосинтеза соединений других классов: аминокислот, липидов, холестерина и др. Процесс протекает во всех клетках и является единственным источником АТФ для интенсивно работающей мышечной ткани в анаэробных условиях.

Условно выделяют две стадии гликолиза:

1. Активация глюкозы. Начинается с фосфорилирования глюкозы (1), которая затем изомеризуется во фруктозо-6-фосфат, снова фосфорилируется и распадается на две треозы (глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат). Протекает с затратой 2 молекул АТФ.

2. Генерация АТФ. Образовавшиеся треозы последовательно окисляются до пирувата. При этом синтезируется 4 молекулы АТФ (6), (9), и 2 молекулы НАД⁺ восстанавливаются до НАДН₂ (5).

В анаэробных условиях пируват восстанавливается до лактата (10). Процесс сопровождается окислением образовавшихся ранее 2 молекул НАДН₂, и, таким образом, энергетический эффект составляет +2 АТФ на одну молекулу глюкозы.

В аэробных условиях пируват транспортируется через мембрану митохондрии по механизму симпорта с протоном и окисляется в ацетил-КоА, который затем вовлекается в цикл трикарбоновых кислот (11), (12).

Окисление пирувата в ацетил-КоА катализируется несколькими ферментами, составляющими пируватдегидрогеназный комплекс: пируватдегидрогеназа (кофермент – тиаминпирофосфат) декарбоксилирует пируват, который вступает в реакции с окисленным липоамидом с образованием ацетил липоамида; дигидролипоилтрансфераза катализирует взаимодействие ацетиллипоамида с коферментом-А; дигидролипоилдегидрогеназа окисляет липоамид с переносом протона на НАД⁺ (рис.3).

Окисление пирувата сопровождается восстановлением 2 молекул НАД⁺. Поскольку образовалось 2 молекулы ацетил-КоА, ЦТК совершает два «оборота» и суммарный энергетический баланс аэробного гликолиза выглядит следующим образом:

n_АТФ= –2АТФ + 2АТФ + 6АТФ (2НАДН₂) + 2АТФ +

+6АТФ (2НАДН₂) + 24АТФ (2ЦТК)=38 АТФ

Характеристика простых и сложных белков. Характеристика классов сложных белков: нуклеопротеиды, липопротеиды, гликопротеиды, фосфопротеиды, хромопротеиды, металлопротеиды, флавопротеиды.

Из огромного количества природных белков структура и функции расшифрованы для относительно небольшого числа (не более нескольких сотен), и поэтому структура и функции белков пока не могут служить основой для их рациональной классификации.

I По строению:1 Простые (протеины) состоят только из остатков аминокислот. 2 Сложные (протеиды) при гидролизе образуют аминокислоты и другие соединения (простетическая группа): а) нуклеопротеиды: белок + нуклеиновая кислота, растворимы в щелочах, не растворимы в кислотах, обеспечивают компактное хранение ДНК; б) фосфопротеиды: белок + остаток фосфорной кислоты. Денатурируют при действии кислот (казеин молока) Многие фертменты явл-ся фосфопротеинами; в) глюкопротеиды: белок + углевод. Не растворимы в воде, растворимы в щелочах, нейтральны (слизь) большинство белковых гормонов, гликопротеины мембран эритроцитов, предопределяют группу крови у человека., все антитела, интерфероны, компоненты комплемента, белки плазмы крови, молока, рецепторыне белки;г) хромопротеиды: белок + красящее вещество (гемоглобин с гемом); д) металлопротеины: уч-ют в обмене железа, многие ферменты. е) липопротеины: липиды и жирные кислоты. Явл-ся структурными комп-ми мембран клеток, транспортными белками.

В зависимости от характера входящей в состав нуклеопротеида нуклеиновой кислоты различают дезоксирибонуклеопротеиды (ДНП) и рибонуклеопротеиды (РНП). ДНП содержатся в ядрах всех клеток (составляют основу ядерного вещества — хроматина) и в головках сперматозоидов. Белковым компонентом ДНП служат преимущественно белки основного характера — гистоны. Гистоны при нейтральных рН несут большой положительный заряд, что обеспечивает возможность сильного электростатического взаимодействия с отрицательно заряженными нуклеиновыми кислотами (регуляция матричной активности ДНК). Из РНП состоят многие вирусы, информосомы, рибосомы.
Липопротеиды, комплексы белков и липидов. Представлены в растительных и животных организмах в составе всех биологических мембран, пластинчатых структур (в миелиновой оболочке нервов, в хлоропластах растений, в рецепторных клетках сетчатки глаза) и в свободном виде в плазме крови. По скорости оседания при центрифугировании Л. подразделяют на 4 главных класса: 1) Л. высокой плотности (52% белка и 48% липидов, в основном фосфолипидов); 2) Л. низкой плотности (21% белка и 79% липидов, главным образом холестерина); очень низкой плотности (9% белка и 91% липидов, в основном триглицеридов); 4) хиломикроны (1% белка и 99% триглицеридов). Полагают, что структура Л. мицеллярная (белок связан с липид-холестериновым комплексом за счёт гидрофобного взаимодействия) либо аналогична молекулярным соединениям белков с липидами (молекулы фосфолипидов включены в изгибы полипептидных цепей белковых субъединиц).

Гликопротеиды присутствуют почти во всех тканях и жидкостях животных, в тканях растений и в микроорганизмах. К Г. относятся муцины (встречаются в секретах всех слизистых желёз — в слюне, желудочном соке, в спинномозговой и семенной жидкостях) и мукоиды (входят в состав опорных тканей — костей, хряща, связок). К Г. относятся многие белки плазмы крови (протромбин), групповые вещества крови, иммуноглобулины, некоторые ферменты (панкреатическая рибонуклеаза Б, така-амилаза), гормоны (тиреотропин). Содержание углеводов в Г. варьирует от долей процента до 80%; их полисахаридная часть может содержать глюкозамин, галактозамин, галактозу, маннозу и др. углеводы.

Фосфопротеиды входит остаток фосфорной к-ты, присоединённый к аминокислотным остаткам полипептидной цепи белка. Многие ф-ты, фосфорелированием-дефосфорелированием рег-ся их активность (с затратой АТФ). К Ф. относятся: казеин – один из основных белков молока, овальбумин и вителлин – белки куриного яйца.

Хромопротеиды содержащие окрашенные простетические (небелковые) группы. Наиболее обширную группу Х. составляют железосодержащие белки гемопротеиды, к которым относятся цитохромы (переносчики электронов в процессах клеточного дыхания, при фотосинтезе, в системах гидроксилирования), некоторые ферменты (каталаза, пероксидаза), дыхательные пигменты (гемоглобин, миоглобин). К Х. относится и зрительный пурпур (родопсин) сетчатки глаза, содержащий в качестве хромофорной группы 11-цис-ретиналь.

Металлопротеиды, Связь между белком и металлом (Fe, Cu, Zn, Mg, V, Mo…), как правило, непрочна, однако удаление металла приводит к нарушению строения и функциональных свойств. М. Распространены в живой природе и выполняют важные биологические функции: транспорт кислорода у беспозвоночных (гемэритрин, гемоцианин), депо и транспорт железа (ферритин, трансферрин), депо и транспорт меди (церулоплазмин) и др. К М. относятся многие ферменты (некоторые цептидазы, тирозиназа, оксидаза аспарагиновой кислоты и др.).

Флавопротеиды, жёлтые ферменты, простетической группой (небелковым компонентом) которых служат производные рибофлавина (витамина В2) – флавинадениндинуклеотид (ФАД) или флавинмононуклеотид (ФМН).

В состав простетической группы многие Ф. наряду с флавиннуклеотидами входят комплексно связанные с ними металлы (Fe, Cu, Mo), соединения серы Ф. относятся к классу оксидоредуктаз и катализируют важные окислительно-восстановительные реакции в живых организмах при непосредственном участии ФАД, реже – ФМН. Специфичность (избирательность) и эффективность действия Ф. определяются природой их белковых компонентов (апоферментов. Многие Ф. ассоциированы с клеточными мембранами, образуя прочные комплексы с входящими в их состав липидами. Основная функция Ф. – окисление восстановленного никотинамидадениндинуклеотида (НАДН) в цепи переноса электронов. Ф. способны также непосредственно окислять различные субстраты, отщепляя от них атомы водорода, которые переносятся затем на кислород либо сразу (например, ксантиноксидаза), либо через цепь переноса электронов (например, сукцинатдегидрогеназа).

 

13. Физико-химические свойства белков: молекулярная масса, кислотно-основные свойства белков. Заряд белковой молекулы, изоэлектрическая точка. Буферные свойства белков. БЕЛКИ, высокомол. природные полимеры, построенные из остатков аминокислот, соединенных амидной (пептидной) связью —СО—NH—. Каждый БЕЛКИ характеризуется специфический аминокислотной последовательностью и индивидуальной пространств, структурой (конформацией).

Физ.-хим. свойства Б. Белки образуют коллоидные растворы (размеры частиц - 0,1-0,001 мкм), для которых важны следующие характеристики: * низкое осмотическое давление; * высокая вязкость; * низкая способность к диффузии.

В лабораторной практике свойства коллоидных растворов белков используют при нефелометрическом определении количества белка на основе эффекта Тиндаля и при очистке белковых растворов от шгзкомолскулярных примесей с помощью полупроницаемых мембран методом диализа.

Белки бывают кислыми и основными. Кислые белки содержат много глу и асп, у которых есть дополнительные карбоксильные и меньше аминогрупп. В щелочных белках много лиз и арг. Каждая молекула белка в водном растворе окружена гидратной оболочкой, так как у белков за счет аминокислот есть много гидрофильных группировок (-СООН, -ОН, -NH2, -SH). В водных растворах белковая молекула имеет заряд. Заряд белка в воде может меняться в зависимости от РН.

Белковая молекула в растворе удерживается зарядом и гидратной оболочкой. Снятие заряда осущетевляется путем подведения рН к изоэлектрической точке.

Удаление гидратной оболочки производится водоотнимающими средствами (органические растворители, соли щелочноземельных металлов), изменением температуры и др.

Для белков характерны следующие основные физико-химические свойства: высокая вязкость растворов, незначительная диффузия, способность к набуханию в больших пределах, оптическая активность, подвижность в электрическом поле, низкое осмотическое давление и высокое онкотическое давление, способность к поглощению лучей при 280 нанометрах (10–9 м). Онкотическое давление крови обусловлено присутствием белков и равно 0,02…0,04 атм, т.е. 30 мм рт. ст. Онкотическое давление определяет распределение воды и минеральных веществ между кровью и тканями.
Белки как и аминокислоты амфотерны. Благодаря наличию свободных амино- и карбоксильных групп. В зависимости от содержания функциональных групп они имеют различных заряд в растворах, перемещаясь к катоду или аноду. На этом основана их очистка методом электрофореза. Молекулы белков не в состоянии проходить через полупроницаемые искусственные мембраны (пергамент, коллодий, целлофан), а также через биомембраны.
Белки относят к высокомолекулярным соединениям, их молекулярная масса колеблется от 6000 (нижний предел) до 1 000 000 и выше. При изменении внешних условий белки теряют нативную структуру.
Денатурация – изменение уникальной структуры белковой молекулы, приводящее к потере характерных свойств. Наиболее ярким признаком денатурации является резкое снижение биологической активности, при этом разрушаются в основном невалентные водородные и дисульфидные связи и не затрагиваются пептидные связи. При непродолжительном действии возможен возврат биологической активности, т.е. ренатурация белка с полным восстановлением исходной структуры и нативных свойств.

Область рН, в которой белки являются электронейтральными, называется изоэлектрической точкой. Изоэлектрическая точка большинства белков лежит в пределах 5,5…7,0. В изоэлектрической точке белки наименее устойчивы и легко выпадают в осадок, обладая наименьшей растворимостью. Устойчивость белковой молекулы определяется наличием зарядов в полипептидной цепи, а также образованием гидратной оболочки. Отсутствие заряда и снятие гидратной оболочки приводит к сближению белковых молекул, в результате чего они слипаются, увеличиваются в размерах и выпадают в осадок под действием собственной силы тяжести. Это явление называется коагуляцией.
Коагуляция является обратимой, если после снятия действия реагента белок возвращается в исходное состояние. Примерами обратимой коагуляции является высаливание (хлорида натрия, сульфата аммония). Такие соли нейтрализуют электрический заряд белка, разрушают его гидратную оболочку, и белок выпадает в осадок. При добавлению к такому белку воды он снова переходит в растворенное состояние. Процесс, обратный коагуляции, называется пептизацией.
Необратимую коагуляцию (денатурацию) вызывает температура, соли тяжелых металлов, концентрированные неорганические кислоты. При растворении белков в воде образуются коллоидные растворы, которые обладают низким осмотическим давлением: они непрозрачны, способны рассеивать свет (эффект Тиндаля), опалесцировать (в проходящем свете – розовые, в отраженном – голубые).
Для белков характерен ряд цветных реакций: биуретовая, ксантопротеиновая, Сакагучи и т.п.

 

14. Растворимость, коллоидные свойства, денатурация и оптические свойства белков.
Белки - природные высокомолекулярные органические соединения, построенные из остатков 20 аминокислот, которые соединены пептидными связями в полипептидные цепи.

Растворимость белков в воде зависит от всех свойств белков: формы, молекулярной массы, величины заряда, соотношения полярных и неполярных функциональных групп на поверхности белка. Кроме этого, растворимость белка определяется составом растворителя, т.е. наличием в растворе других растворённых веществ.

По растворимости в воде и солевых р-рах: 1 Альбумины – растворимы в воде и слабо в р-рах соли.(овальбумин) 2 Глобулины – растворимы в водных растворах солей (лактоглобулин молока). 3 Глутемины – растворимы в кислотах и щелочах (ориземин семян риса). 4. Проламины – р-ся в в 60-80% р-ре этилового спирта (глиандин пшеницы).

С другой стороны, увеличение концентрации нейтральных солей может способствовать вьшадению определённых белков в осадок. Денатурирующие агенты, присутствующие в растворе, также снижают растворимость белков. Свойства белковых растворов определяются большими размерами молекул, т.е. белки являются коллоидными частицами и образуют коллоидные растворы. (размеры частиц - 0,1-0,001 мкм)

К свойствам белковых растворов относятся:1. Рассеивание света вследствие дифракции на коллоидных частицах – опалесценция. Особенно это заметно при прохождении луча света через белковый раствор, когда виден светящийся конус (эффект Тиндаля).2. Белковые растворы в отличие от истинных обладают малой скоростью диффузии. 3. Неспособность белковых частиц проникать через мембраны, поры которых меньше диаметра белков (полунепроницаемые мембраны). Это используется в диализе. Очистка белковых препаратов от посторонних примесей лежит в основе работы "искусственной почки". 4. Создание онкотического давления, то есть перемещение воды в сторону более высокой концентрации белка, что проявляется, например, как формирование отеков при повышении проницаемости сосудистой стенки. 5. Высокая вязкость в результате сил сцепления между крупными молекулами, что проявляется, например, при образовании гелей и студней
Денатурация – разрушение нативной конформации белка (разрушение слабых связей, не пептидных) Денатур-ие агенты: высокая темп-ра, интенсивное стряхивание р-ра (взаимод-ие с возд. средой), орг. в-ва (фенол) взаимодей-щие с функ-ми группами белков, к-ты и щелочи, соли тяжелых металлов, детергенты (различные мыла). Ренатурация – возвтращение нативной стр-ры белка, например после удаления соли из р-ра.