Биологические функции белков. Способность к специфическим взаимодействиям с лигандом.

Простые белки построены из остатков аминокислот и при гидролизе распадаются соответственно

только на свободные аминокислоты. Сложные белки – это двухкомпонентные белки, которые состоят из

какого-либо простого белка и небелкового компонента, называемого простетической группой. При гидролизе

сложных белков, помимо свободных аминокислот, освобождается небелковая часть или продукты ее распада.

Простые белки в свою очередь делятся на основании некоторых условно выбранных критериев на ряд подгрупп:

протамины, гистоны, альбумины, глобулины, проламины, глютелины и др. Классификация сложных белков:

фосфопротеины (содержат фосфорную кислоту), хромопротеины (в состав их входят пигменты),

нуклеопротеины (содержат нуклеиновые кислоты), гликопротеины (содержат углеводы), липопротеины

(содержат липиды) и металлопротеины (содержат металлы).Активный центр белковой молекулы. При

функционировании белков может происходить их связывание с лигандами – низкомолекулярными веществами.

Лиганд присоединяется к определенному участку в белковой молекуле – активному центру. Активный центр

формируется на третичном и четвертичном уровнях организации белковой молекулы и образуется благодаря

притяжению боковых радикалов определенных аминокислот (между -ОН группами сер формируются

водородные связи, ароматические радикалы связаны гидрофобными взаимодействиями, -СООН и –NH2 -

ионными связями).

 

 

Пентозофосфатный цикл - совокупность обратимых ферментативных реакций, в результате которых происходит окисление глюкозы до CO₂ с образованием восстановленного никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФН) и H ⁺, а также синтез фосфорилированных сахаров, содержащих от 3 до 7атомов С.

Пентозофосфатный цикл осуществляется в цитозоле (жидкой фазе) клеток животных, растений (особенно в темноте) и микроорганизмов.

Пентозофосфатный цикл начинается с окисления глюкозо-6-фосфата и последующего окислительного декарбоксилирования продукта (в результате от гексозофосфата отщепляется первый атом углерода). Это первая, так называемая окислительная, стадия пентозофосфатного цикла. Вторая стадия включает неокислительные превращения пентозофосфатов с образованием исходного глюкозо-6-фосфата.

Первая реакция – дегидрирование глюкозо-6-фосфата при участии фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы и кофермента НАДФ⁺. Образовавшийся в ходе реакции 6-фосфоглюконо-δ-лактон – соединение нестабильное и с большой скоростью гидролизуется либо спонтанно, либо с помощью фермента 6-фосфоглюконолактоназы с образованием 6-фос-фоглюконовой кислоты (6-фосфоглюконат).

Во второй – окислительной – реакции, катализируемой 6-фосфоглюко-натдегидрогеназой (декарбоксилирующей), 6-фосфоглюконат дегидрируется и декарбоксилируется. В результате образуется фосфорилированная кетопентоза – D-рибулозо-5-фосфат и еще 1 молекула НАДФН.

Под действием соответствующей эпимеразы из рибулозо-5-фосфата может образоваться другая фосфопентоза – ксилулозо-5-фосфат. Кроме того, рибулозо-5-фосфат под влиянием особой изомеразы легко превращается в рибозо-5-фосфат. Между этими формами пентозофосфатов устанавливается состояние подвижного равновесия.

При определенных условиях пентозофосфатный путь на этом этапе может быть завершен. Однако при других условиях наступает так называемый неокислительный этап (стадия)пентозофосфатного цикла. Реакции этого этапа не связаны с использованием кислорода и протекают в анаэробных условиях. При этом образуются вещества, характерные для первой стадии гликолиза (фруктозо-6-фосфат, фруктозо-1,6-бисфосфат, фосфотрио-зы), а другие – специфические для пентозофосфатного пути (седогептуло-зо-7-фосфат, пентозо-5-фосфаты, эритрозо-4-фосфат).

Основными реакциями неокислительной стадии пентозофосфатного цикла являются транскетолазная и трансальдолазная. Эти реакции катализируют превращение изомерных пентозо-5-фосфатов.

Коферментом в транскетолазной реакции служит ТПФ, играющий роль промежуточного переносчика гликольальдегидной группы от ксилулозо-5-фосфата к рибозо-5-фосфату. В результате образуется семиуглеродный моносахарид седогептулозо-7-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат.

Транскетолазная реакция в пентозном цикле встречается дважды, второй раз – при образовании фруктозо-6-фосфата и триозофосфата в результате взаимодействия второй молекулыксилулозо-5-фосфата с эритро-зо-4-фосфатом.

Шесть молекул глюкозо-6-фосфата, вступая в пентозофосфатный цикл, образуют 6 молекул рибулозо-5-фосфата и 6 молекул СО₂, после чего из 6 молекул рибулозо-5-фосфата снова регенерируется 5 молекул глюко-зо-6-фосфата (см. рис. 10.12). Однако это не означает, что молекула глюкозо-6-фосфата, вступающая в цикл, полностью окисляется. Все 6 молекулСО₂ образуются из С-1-атомов 6 молекул глюкозо-6-фосфата.

Значение этого пути в обмене веществ велико. Он поставляет восстановленный НАДФН, необходимый длябиосинтеза жирных кислот, холестерина и т.д. За счет пентозофосфатного цикла примерно на 50% покрывается потребность организма в НАДФН.

Другая функция пентозофосфатного цикла заключается в том, что он поставляет пентозофосфаты для синтеза нуклеиновых кислот и многих коферментов. При ряде патологических состояний удельный вес пенто-зофосфатного пути окисления глюкозы возрастает.

 

 

Белок плазмы крови А) экспресс-метод (метод «висящей» капли)	В основу метода положена зависимость между содержанием белков в плазме и цельной крови и ее удельным весом. Определение удельного веса плазмы и цельной крови осуществляется путем погружения капли в растворы CuSO4 известного веса. Тот раствор CuSO4 , в котором капля сначала повисает, а затем опускается, равен удельному весу исследуемой жидкости.	65-85 г/л 6.5-8.5 мг%	Гиперпротеинемия – увеличение общего содержания белков плазмы крови наблюдается при диарее у детей, рвоте, непроходимости верхнего отдела тонкой кишки, обширных ожогах. Потеря воды организмом приводит к повышению концентрации белка в крови: а) относительная гиперпротеинемия связана с потерей воды организмом (диарея, рвота, ожоговая болезнь, травмы); б) абсолютная гиперпротеинемия обусловлена резким нарастанием глобулинов при инфекциях, а также синтезом патологических белков или белков «острой фазы». Гипопротеинемия – снижение общего содержания белков плазмы может быть обусловлено с несколькими причинами: а) нарушение белок-синтезирующей функции печени (паренхиматозная желтуха, гепатиты, цирроз печени). Происходит снижение белкового коэффициента за счет снижения синтеза альбуминов; б) задержкой воды при заболеваниях сердечно-сосудистой системы; в) потерей белка с мочой при патологии почек; г) кровопотерями при травмах и операциях
Б) биуретовый метод	Метод основан на образовании биуретового комплекса Cu(OН)2 с пептидными связями, имеющего розово-фиолетовое окрашивание. Интенсивность окраски пропорциональна количеству пептидных связей.
В) метод Лоури.	Метод основан на способности белков образовывать окрашенные комплексы синего цвета при осуществлении двух цветных реакций – биуретовой и реакции Фолина (восстановление белками смеси фосфорновольфрамовой и фосфорномолиюденовой кислот – реактив Фолина). Интенсивность окраски зависит от количества белка.

 

На скорость химической реакции влияют различные вещества. Те из них, которые тормозят ферментативные процессы, называются ингибиторами. Те же, которые усиливают реакции – активаторами.

1. Активаторы

1. Активаторами ферментов являются их субстраты.

2. Активаторами могут быть кофакторы, т.к. они важные участники ферментативного процесса. Например, металлы, входящие в состав каталитического центра фермента: амилаза слюны активна в присутствии ионов Са, лактатдегидрогеназа (ЛДГ) – Zn, аргиназа – Mn, пептидаза – Mg и коферменты: витамин С, производные различных витаминов (НАД, НАДФ, ФМН, ФАД, КоАSH и др.). Они обеспечивают связывание активного центра фермента с субстратом.

3. Анионы также могут оказывать активирующее влияние на активность фермента (анионы Сl- активируют слюнную амилазу).

4. Активаторами могут служить также вещества, создающие оптимальную рН для проявления ферментативной активности (НСl для создания оптимальной среды желудочного содержимого для активации пепсиногена в пепсин).

5. Активаторами являются также вещества, переводящие проферменты в активный фермент (энтерокиназа кишечного сока активирует превращение трипсиногена в трипсин),

6. Активаторами могут быть разнообразные метаболиты, которые связываются с аллостерическим центром фермента и способствуют формированию активного центра фермента.

2. Ингибиторы

Ингибиторы это вещества, которые тормозят активность ферментов. Различают два основных типа ингибирования:

1. необратимое,

2. обратимое.

 

1. При необратимом ингибировании ингибитор прочно (необратимо) связывается с активным центром фермента ковалентными связями, изменяет конформацию фермента. Таким образом могут действовать на ферменты соли тяжелых металлов (ртути, свинца, кадмия и др.), соединения мышьяка и другие токсические вещества, способные привести к необратимой денатурации апофермента (неспецифические ингибиторы).

Специфический необратимый ингибитор может связываться с ферментом и инактивировать в его активном центре функциональную группу, которая необходима для проявления его каталитической активности.

 

Обратимое ингибирование - это такой тип ингибирования, когда активность ферментов может восстанавливаться. Обратимое ингибирование бывает 2-х типов:

1. конкурентное

2. неконкурентное

1. При конкурентном ингибировании обычно субстрат и ингибитор очень похожи по химическому

строению. При этом виде ингибирования субстрат (S) и ингибитор (I) одинаково могут связываться с

активным центром фермента. Они конкурируют друг с другом за место в активном центре фермента.

Классический пример, (1) конкурентного ингибирование – торможение действия сукцинатдегидрогеназы

малоновой и щавелевоуксусной кислотами:

Многие лекарственные препараты оказывают свое терапевтическое действие по механизму конкурентного

ингибирования.

Таким образом, конкурентные ингибиторы уменьшают сродство фермента к субстрату. В случае

конкурентного ингибирования судьбу фермента решает концентрация субстрата или ингибитора. При

концентрации субстрата большей, чем концентрация ингибитора, субстрат вытесняет ингибитор из

активного центра фермента и реакция происходит.

2. Неконкурентные ингибиторы, как правило, связываются с аллостерическим центром фермента.

Вследствие этого происходят изменения конформации аллостерического центра, которые приводят к

изменению каталитического центра фермента и снижению ферментативной активности.

Часто аллостерическими неконкурентными ингибиторами выступают продукты метаболизма.

3. Аллостерические ферменты

Аллостерическими ферментами называют ферменты, активность которых регулируется веществами,

называемыми эффекторами. Эффекторами часто являются различные клеточные метаболиты (например,

конечные продукты реакций синтеза и распада).

Аллостерические ферменты обычно олигомерные белки, состоящие из нескольких протомеров; они имеют

аллостерический центр, пространственно удаленный от каталитического активного центра.

Существует 4 класса регуляторных ферментов:

1. ферменты, активность которых регулируются при связывании с ними аллостерических модуляторов

(положительных – активаторов и отрицательных - ингибиторов),

2. ферменты, регулируемые путем обратимой ковалентной модификации.

3. ферменты, регулируемые частичным протеолизом неактивного предшественника (профермента).

4. ферменты, активность которых регулируются ассоциацией/диссоциацией регуляторных и каталитических субъединиц.

1. Аллостерический центр имеется у сложных ферментов. С аллостерическим центром взаимодействуют различные вещества, чаще всего метаболиты химических реакций клеток (эффекторы или модуляторы). Модуляторы могут быть положительные – активаторы или отрицательные – ингибиторы. Соединение модуляторов с аллостерическим центром приводит к изменению конформации фермента.

Под действием активаторов реакция ускоряется, под действием ингибиторов - тормозится. Поэтому аллостерический центр называют центром регуляции активности фермента. Часто аллостерическими ингибиторами выступают конечные продукты процесса – это ингибирование по принципу обратной связи или ретроингибирование:

2. Регуляция путем обратимой ковалентной модификации осуществляется через процесс фосфорилирования и дефосфорилирования за счет изменения конформации активного центра фермента. При фосфорилировании фермента образуются ковалентные эфирные связи между –ОН группой сер и фосфорной кислотой.

3. Регуляция частичным протеолизом характерна для ферментов желудочно-кишечного тракта (например, пепсина, трипсина). Неактивная форма фермента (профермент) превращается в активную форму за счет гидролиза одной или нескольких пептидных связей в молекуле профермента. В результате этого происходит конформационная перестройка и формируется активный центр фермента. Например, в результате гидролитического отщепления гексапептида с N-конца трипсиногена формируется активный центр в оставшейся части молекулы.

4. Регуляция каталитической активности ассоциацией/диссоциацией протомеров.

Например, протеинкиназа А состоит из 4 субединиц 2 типов: 2 регуляторных и 2 каталитических. Такой тетрамер не обладает каталитической активностью. Регуляторные субъединицы имеют участки связывания для циклического циклического аденозинмонофосфата (цАМФ), по 2 на каждую субъединицу. Присоединение 4 молекул цАМФ к 2 регуляторным субъединицам приводит к изменению конформации регуляторных протомеров и к диссоциации тетрамерного комплекса, при этом высвобождаются 2 активные каталитические субъединицы. Такой механизм регуляции обратим. Отщепление молекул цАМФ от регуляторных субъединиц приведет к ассоциации регуляторных и каталитических субъединиц протеинкиназы А с образованием неактивного комплекса.

 

Биосинтез глюкозы (глюконеогенез) из молочной кислоты. Глюконеогенез – обращение реакций гликолиза. Из

11 реакций гликолиза 3 необратимы (1-ая, 3-я и 10-я):

1. глюкоза → глюкозо-6 фосфат

2. фруктозо-6-фосфат → фруктозо-1,6-дифосфат

3. фосфоенолпируват → пируват

Для этих реакций существуют обходные пути.

Первый обходной путь начинается в матриксе митохондрий. Пируват проникает сквозь мембрану митохондрий

в матрикс митохондрии, затем пируват подвергается карбоксилированию под действием фермента

пируваткарбоксилаза (с использованием биотина и энергии АТФ). В результате этой реакции образуется

оксалоацетат. Затем оксалоацетат превращается в малат, чтобы выйти из митохондрий в цитозоль клетки для

дальнейшего превращения. В цитозоле малат обратимо превращается в оксалоацетат (под действием

цитозольной малатдегидрогеназы). Образовавшийся оксалоацетат под действием фермента

фосфоенолпируваткарбоксикиназы (при участии биотина и энергии ГТФ) превращается в фосфоенолпируват. В

дальнейшем реакции глюконеогенеза идут до образования фруктозо-1,6-дифосфата (обратимые реакции

гликолиза).

Второй обходной путь: Фруктозо-1,6-дифосфат + Н2О → фруктозо-6-фосфат + Фн (реакцию катализирует

фруктозо-1,6-бифосфатаза)

Третий обходной путь: Глюкозо-6-фосфат + Н2О → глюкоза + Фн (реакцию катализирует глюкозо-6-фосфатаза)

В процессе глюконеогенеза 7-я реакция гликолиза (1,3-дифосфоглицерат + АДФ ↔ 3- фосфоглицерат + АТФ)

расходуется 2 АТФ. В ходе синтеза глюкозы используются макроэргические соединения: 4 АТФ и 2 ГТФ.