Биологическая роль белков

около 10 000 ферментов, которые катализируют около 2 000 реакций.
Известно 1 800 ферментов из них 150 выделены в кристаллическом виде.
Транспортная функция
Гемоглобин – перенос кислорода. Альбумины сыворотки крови - транспорт липидов. Ряд других сывороточных белков образует комплексы с жирами, медью, железом, тироксином, витамином А и другими соединениями, обеспечивая их доставку в соответствующие органы-мишени.
Защитная функция
Защитные белки-антитела синтезируются организмом (иммунной системой) в ответ на поступление в организм бактерий, токсинов, вирусов или чужеродных белков. Тромбин - предохраняет от потери крови при ранениях.

25.02.2013

Биологическая роль белков. Лекция

специфические белки мышечной ткани. Белки цитоскелета обеспечивают тончайшие процессы жизнедеятельности клеток (расхождение хромосом в процессе митоза).
Структурная функция
Фибриллярные белки - коллаген в соединительной ткани, кератин в волосах, ногтях, коже, эластин в сосудистой стенке и др.
Гормональная функция
Инсулин, гормоны гипофиза, поджелудочной железы и др.
Питательная (резервная) функция
Овальбумин - запасное вещество в куриных яйцах.
Казеин – запасное вещество в молоке

Экспрессия генетической информации, генерирование и передача нервных импульсов, способность поддерживать давление в клетках и крови, буферные свойства, поддерживающие физиологическое значение рН внутренней среды.

химических катализаторов (ХК) небелковой природы:
Ф и ХК не входят в состав конечных продуктов реакции и не тратятся в процессе катализа, выходя из реакции в неизменном виде.
Ф и ХК только ускоряют реакции протекающие и без них, не могут возбудить реакций, противоречащих законам термодинамики.
Ф и ХК не смещают положение равновесия, а лишь ускоряют его достижение.

катализа:
Скорость ферментативного катализа намного выше, чем небиологического.
 Ферменты обладают высокой специфичностью, направляя превращение вещества в строгое русло.
Ферментативные процессы не дают побочных реакций, для них характерен 100% выход целевого продукта.
Ферменты катализируют реакции в мягких условиях, то есть при обычном давлении, небольшой температуре и значениях рН, близких к нейтральным.
Ферменты регулируемы.
Скорость ферментативной реакции прямо пропорциональна количеству фермента.

если сравнительно независима от белковой части молекулы Простетическая группа (ПГ) - если сравнительно прочно и постоянно связана с белковой частью
Соединение в холофермент осуществляется любыми типами связей, кроме ковалентных.

в акте катализа 2. Осуществление контакта между ферментом и субстратом 3. Стабилизация апофермента

Апофермент, в свою очередь, усиливает каталитическую активность небелковой части (КФ и ПГ).
Например, одна и та же NAD+ является КФ многих дегидрогеназ, отличие - в апоферментной части.

типа строения
витамины и их производные
металлы и металлосодержащие КФ и ПГ
другие

- класс (один из шести):
1. Оксидоредуктазы (катализаторы окислительно-восстановительных реакций)
2. Трансферазы (реакции переноса групп с одной молекулы на другую)
3. Гидролазы (реакции с участием молекул воды)
4. Лиазы (реакции негидролитического и неокислительного
разрыва различных химических связей)
5. Изомеразы (изменение строения внутри одной молекулы)
6. Лигазы (Синтетазы) (соединение двух молекул с
образованием новой химической связи, с участием энергии
АТФ)

на подподклассы:

25.02.2013

Биологическая роль белков. Лекция

EC 1.1 Действующие на CH-OH группы донора
EC 1.2 Действующие на альдегидные или оксо- группы донора
EC 1.3 Действующие на CH-СH группы донора
EC 1.4 Действующие на CH-NH2 группы донора
EC 1.5 Действующие на CH-NH группы донора
EC 1.6 Действующие на NADH или NADPH

EC 1.1.1 Акцептор NAD или NADP
EC 1.1.2 Акцептор- цитохром
EC 1.1.3 Акцептор- кислород
EC 1.1.4 Акцептор- сульфид
EC 1.1.5 Акцептор- хинон или подобная группировка
EC 1.1.99 Другой акцептор

Классификация ферментов (КФ, EC)

фермента: EC 1.1.1.1 alcohol dehydrogenase EC 1.1.1.2 alcohol dehydrogenase (NADP+) EC 1.1.1.3 homoserine dehydrogenase EC 1.1.1.4 (R,R)-butanediol dehydrogenase EC 1.1.1.5 acetoin dehydrogenase ... и т. д.
http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/

«рабочие» и систематические.
«Рабочие» названия образуются из объединения названия субстрата, типа реакции и окончания "-аза".
ЛАКТАТ + ДЕГИДРОГЕНизация + АЗА = ЛАКТАТДЕГИДРОГЕНАЗА
Систематическое название фермента формируется следующим образом: название субстратов (через дробь), название типа химического превращения + аза
Та же лактатдегидрогеназа будет иметь систематическое название
"L-лактат:NAD+ оксидоредуктаза". EC 1.1.1.27

окисления-восстановления
Лактатдегидрогеназа (LDH, EC 1.1.1.27) катализирует превращение молочной кислоты (лактат) в пировиноградную (пируват):
СН3СН(ОН)СООН + NAD+ CH3COCООH + NADH + H+
2. ТРАНСФЕРАЗЫ - катализируют реакции переноса групп с одного соединения на другое.
Холинацетилтрансфераза (перенос ацетильной группы), ЕС 2.3.1.6, систематическое название: ацетил-КоА: холин О-ацетилтрансфераза.
СH3CO-S-KoA + HO-СН2-СН2-N+(CН3)3 КоА-SH +
СН3СОO-СН2-СН2-N+(CН3)3
3. ГИДРОЛАЗЫ (фосфатазы, эстеразы, фосфолипазы) – катализируют разрыв связей с присоединением воды
Дипептидаза расщепляет дипептид на две аминокислоты при участии воды:
H2N-CH(R)-CO-NH-CH(R')-COOH + H2O H2N-CH(R)-COOH +
NH2-CH(R')-COOH

декарбоксилазы) – катализируют реакции разрыва связей в субстрате без присоединения воды или окисления
пируватдекарбоксилаза (ЕС 4.1.1.1, 2-кетокислоты, карбоксилиаза) катализирует расщепление пировиноградной кислоты до уксусного альдегида с отщеплением СО2:
CH3COCООH CH3COH + СО2
5. ИЗОМЕРАЗЫ (рацемазы, эпимеразы, мутазы) – катализируют внутримолекулярные реакции.
Глюкозо-6-фосфат-изомераза (ЕС 5.3.1.9, D-глюкозо-6-фосфат кето-изомераза), например, превращает глюкозо-6-фосфат во фруктозо-6-фосфат и наоборот:

2 части с использованием энергии АТФ. Реакции ферментов этого класса, как правило, необратимы.
6.1 - ферменты, катализирующие образование связей С-О (в том числе аминоацил-т-РНК-синтетазы),
6.2- образование связей C-S
6.3- связей C-N
6.4- связей С-С
6.5- связей Р-О
Например, к подклассу 6.4 относится фермент пируваткарбоксилаза (ЕС 6.4.1.1, пируват: СО2-лигаза (АДФ-образующая), при участии которой происходит превращение пировиноградной кислоты в щавелевоуксусную:
СО2 + СН3-СО-СООН + АТФ HOOC-CH2-CO-COOH + АДФ + Н3РО4

ES (K = k1/k -1) (быстрая)
2) ES EP (k2)(медленная)
3) EP E + P
Таким образом, в момент равновесия скорости образования и исчезновения ферментсубстратного комплекса (ES) равны:
E + S ES EP E + P

Катализ приводит к ускорению достижения равновесия за счет снижения энергии активации (Еа), часто ступенчато.

роль белков. Лекция

[S]- зависимость гиперболическая, [E]- зависимость линейная

Уравнение Михаэлиса – Ментен: V = Vmax[S]/(Km+[S])

Константа Михаэлиса измеряется в моль/л и бывает от 10-2 до 10-7
Чем меньше Кm, тем активнее фермент.
При V=1/2Vmax, имеем Km = [S].

Графическое выражение для скорости реакции в координатах Лайнуивера-Бэрка имеет вид прямой линии, отсекающей на оси Х значение -1/Km, а на оси Y- значение 1/V max

(V) от температуры

С повышением температуры ускоряется движение молекул, что приводит к повышению вероятности взаимодействия реагирующих веществ.
Кроме того, температура может повышать энергию реагирующих молекул, что также приводит к ускорению реакции.
Однако скорость химической реакции, катализируемая ферментами, имеет свой температурный оптимум, превышение которого сопровождается понижением ферментативной активности, возникающим из-за термической денатурации белковой молекулы

Для большинства ферментов человека оптимальна температура 37-38 °С. Однако в природе существуют и термостабильные ферменты. Например, Taq-полимераза, выделенная из микроорганизмов, живущих в горячих источниках, не инактивируется при повышении температуры до 95 °С.

(V) от рН среды

Влияние рН на активность ферментов связано с ионизацией функциональных групп аминокислотных остатков данного белка, обеспечивающих оптимальную конформацию активного центра фермента.
При отклонении рН от оптимальных значений происходит изменение ионизации функциональных групп молекулы белка. Это приводит к изменению конформации молекулы фермента и конформации активного центра; следовательно, нарушается присоединение субстрата, кофакторов и коферментов к активному центру.

связывание (адсорбционный центр, центр связывания) и превращение субстрата (каталитический центр), называется активным центром

Показаны части активного центра: каталитического центра, где выделены боковые группы «триады переноса заряда» - Ser195, His57 и Asp102 , и субстрат-связывающего центра - NH-группы, образующие оксианионовую дыру, неспецифическая субстрат-связывающая площадка, и группы, выстилающие специфический субстрат-связывающий карман.

специфичность
- субстратная специфичность
Ферменты типа А - высокоспецифичные ферменты (катализируют расщепление только одного типа связи в субстратах определенной структуры).
Ферменты типа Б обладают ограниченной реакционной специфичностью, но широкой субстратной специфичностью.
Ферменты типа В (с низкой реакционной и низкой субстратной специфичностями) встречаются редко.

Специфичность достигается частичной комплементарностью формы, распределения зарядов и гидрофобных областей на молекуле субстрата и в центре связывания субстрата на ферменте.
Ферменты демонстрируют высокий уровень стереоспецифичности (образуют в качестве продукта только один из возможных стереоизомеров или используют в качестве субстрата только один стереоизомер), региоселективности (образуют или разрывают химическую связь только в одном из возможных положений субстрата) и хемоселективности (катализируют только одну химическую реакцию из нескольких возможных для данных условий).

специфичность ферментов определяется точным соответствием формы фермента и субстрата. Такое предположение называется моделью «ключ-замок».
Фермент соединяется с субстратом с образованием короткоживущего фермент-субстратного комплекса.
Однако, хотя эта модель объясняет высокую специфичность ферментов, она не объясняет явления стабилизации переходного состояния, которое наблюдается на практике.

модификацию модели «ключ-замок». Ферменты, в основном, — не жесткие, а гибкие молекулы. Активный центр фермента может изменить конформацию после связывания субстрата. Боковые группы аминокислот активного центра принимают такое положение, которое позволяет ферменту выполнить свою каталитическую функцию. В некоторых случаях молекула субстрата также меняет конформацию после связывания в активном центре.
В отличие от модели «ключ-замок», модель индуцированного соответствия объясняет не только специфичность ферментов, но и стабилизацию переходного состояния. Эта модель получила название «рука-перчатка».

распространенные фибриллярные белки в организме животных. Они составляют 25% от общего количества белка. Молекулярная масса коллагена около 300 кДа, длина 300 нм, толщина 1,5 нм.

Коллагены образуют нерастворимые нити (фибриллы), которые входят в состав межклеточного матрикса и соединительных тканей.
Он образуется тройной суперспиралью, сложенной из трех полипептидов. При этом внутри каждого полипептида водородных связей нет — они есть только между нитями.
Конформация всех остатков в каждой цепи коллагена близка к конформации полипролиновой спирали (левая спираль, с периодом равным 3).
Для первичной структуры белка характерно высокое содержание глицина, низкое содержание серосодержащих аминокислот и отсутствие триптофана.
Полипептидные цепи построены из часто повторяющихся фрагментов, имеющих характерную последовательность -X-Y-Gly-.
В триадах третья аминокислота всегда Gly, вторая — Pro или Lys, первая — любая другая аминокислота, кроме трёх перечисленных.
Около 21 % от общего числа остатков приходится на 3-гидроксипролин (ЗНур), 4-гидроксипролин (4Нур) и 5-гидроксилизин (5Нуl).
Gly в такой тройке необходим для образования водородных связей.

каждой) в пропорции 2:1. (Gly-X-Y)n
Шаг 2. Гидроксилирование некоторых остатков Pro и Lys.
Шаг 3. Присоединение сахаров (Glc-Gal) к гидроксилированным остаткам.
Шаг 4. Образование тримера и S-S связей на его концах.
Шаг 5. Образование тройной спирали в середине проколлагена.
Шаг 6. Секреция проколлагена во внеклеточное пространство.
Шаг 7. Отщепление глобулярных частей.
Шаги 8-10. Спонтанное образование фибрилл из тройных суперспиралей, окончательная модификация аминокислотных остатков и образование ковалентных сшивок модифицированных остатков коллагеновых цепей.

25.02.2013

Биологическая роль белков. Лекция

– Lys или
Arg – самые консервативные из всех
известных белков (замена 1 АК на
100 а.о. проходила 1 раз в 600 млн. лет)
Гистоны – половина массы хромосом
Хроматин = Гистоны + ДНК + др. белки
Нуклеосомы – структурные единицы
хроматина (гистоны с ДНК)

Гистоны — основной класс нуклеопротеинов, ядерных белков, необходимых для сборки и упаковки нитей ДНК в хромосомы.

Гистоны нейтрализуют за счет положительных зарядов аминокислотных остатков отрицательно заряженные фосфатные группы ДНК, что делает возможной плотную упаковку ДНК в ядре. Благодаря этому 46 молекул ДНК диплоидного генома человека общей длиной около 2 м, содержащих в сумме 6·109 пар оснований, могут поместиться в клеточном ядре диаметром всего 10 мкм.

Молекулы гистонов объединяются в олигомерные комплексы, содержащие 8 мономеров с по­мощью «лейциновых застежек», несмотря на сильный положительный заряд молекул.

(домены), которые однократно или многократно пересекают липидный бислой. Такие белки прочно связаны с липидным окружением.
Периферические мембранные белки удерживаются на мембране с помощью липидного «якоря» и связаны с другими компонентами мембраны; например, они часто бывают ассоциированы с интегральными мембранными белками.
У интегральных мембранных белков фрагмент пептидной цепи, пересекающий липидный бислой, обычно состоит из 21-25 преимущественно гидрофобных аминокислот, которые образуют правую α-спираль с 6 или 7 витками (трансмембранная спираль).

β-клетках поджелудочной железы (островки Лангернганса).

Физиологическое действие:
- секретируется клетками в ответ на повышение концентрации глюкозы в крови;
-регулирует концентрацию глюкозы, облегчая проникновение в клетки и превращение в гликоген
Сахарный диабет—заболевание, которое наблюдается при абсолютном или относительном дефиците инсулина.
- инсулинзависимый сахарный диабет (диабет I типа)
- инсулиннезависимый сахарный диабет (диабет II типа)
Гипергликемия и глюкозурия – нарушения синтеза углеводов и жиров

Видовая специфичность инсулинов:
(A) 8Thr-Ser-Ile10 – у человека
(A) 8Ala-Ser-Val10 – у быка
(A) 8Ala-Gly-Val10 – у барана
(A) 8Thr-Gly-Ile10 – у лошади

в него некоторых чужеродных веществ — антигенов — и обладают способностью избирательно соединяться с теми же антигенами или (в меньшей степени) со сходными с ними по строению веществами, вызывая тем самым иммунный ответ организма.

Строение иммуноглобулина G:
1 - легкая цепь; 2 - тяжелая цепь; 3 - гипервариабельные участки; 4 - шарнирная область; 5 - остаток олигосахарида; 6 - N-концы; 7 - С-концы; VL и VH - соотв. вариабельные домены легкой и тяжелой цепей; CH1, CH2 и СH3 - постоянные домены тяжелой цепи

n HPO42-

белок сократительных волокон мышц. Его содержание в мышцах около 40% от массы всех белков (в др. тканях и клетках 1-2%).
Молекула миозина представляет собой длинный фибриллярный стержень (хвост), несущий на одном конце две глобулярные головки. Длина хвоста около 160 нм, диаметр 3 нм.
N-Концевые части тяжелых цепей миозина располагаются в головках.

Особенность аминокислотного состава тяжелых цепей - наличие остатков метилированных аминокислот: 3-метилгистидина, N6-моно- и N6-триметиллизина.
Содержание a-спиралей в головках и хвосте молекулы составляет соответственно 33 и 94%.