Курс лекций по энзимологии. Энзимология. Лекция 1

Август 8, 2022

Главная
Биология
Курс лекций по энзимологии. Энзимология. Лекция 1

Содержание

2. Энзимология Основная цель исследований в энзимологии - изучение химических основ биологических процессов живых систем, интеграция химии,
3. Ключевое место в развитии современной биомолекулярной химии и технологии занимают ферменты (энзимы) – белковые катализаторы различных
4. Структурная биохимия Белки. Первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура белков Основой биополимерной цепи, формирующей белки и
5. Белки. В соответствии с принципами химической термодинамики процесс протекает самопроизвольно, если свободная энергия ΔGº реакции отрицательно.
6. Строение белков. Ферменты –это белки с каталитическими функциями. Ферменты (энзимы)–это глобулярные белки, содержащие как регулярные участки,
7. Аминокислоты — структурные компоненты белков. Аминокислоты — структурные компоненты белков. В природе известно более 500 различных
8. Аминокислоты — структурные компоненты белков Боковые цепи аминокислот (радикал) могут быть гидрофобными или гидрофильными, У растений
9. Аминокислоты Все аминокислоты, за исключением глицина NH2CH2COOH, имеют хиральный (оптически активный) атом в α-положении NH2 –C*H(R)
10. Аминокислоты Первичная структура белка записана в молекулах ДНК в виде последовательности тринуклеотидных фрагментов – кодонов. При
11. Аминокислоты Лейцин, серин, аргинин имеют 6 кодонов, а триптофан и метионин – один кодон. Наиболее распространенной
12. Пептиды. Пептиды. Аминогруппа одной аминокислоты способна вступать в реакцию с карбоксильной группой другой аминокислоты. Образующаяся при
13. Пептиды. К олигопептидам относятся окситоцин, вазопрессин, тиреотропин, а также брадикинин (пептид боли) и некоторые опиаты («естественные
14. Строение белков. Основой белка является полипептидная цепь (первичная структура), в которой аминокислоты связаны ковалентной амидной (пептидной)
15. Первичная структура Первичная структура — последовательность аминокислот, ковалентно связанных в полипептидную цепь. Важными особенностями первичной структуры
16. Сравнительный размер белков. Слева направо: Антитело (IgG), гемоглобин, инсулин (гормон), аденилаткиназа (фермент) и глютаминсинтетаза (фермент) 14-12
17. Сравнительные размеры белков 14.8nm 12.8nm 9.3 nm 1.7 nm 3.8 nm 2.8 nm антитело Цитохром P450
19. Структурная химия белков Базисным положением структурной химии белка является представление о том, что последовательность аминокислот полипептидной
20. Вторичная структура белков α- Спирали и -структуры (складки или листы) стабилизированы водородными связями. Водородные связи образуется
21. Вторичная структура — локальное упорядочивание фрагмента полипептидной цепи, стабилизированное водородными связями и гидрофобными взаимодействиями
22. α-спирали — плотные витки вокруг длинной оси молекулы, один виток составляют 4 аминокислотных остатка, спираль стабилизирована
23. β-листы (складчатые слои) — несколько зигзагообразных полипептидных цепей, в которых водородные связи образуются между относительно удалёнными
24. α-Спираль
25. Левостороння спираль Правосторонняя спираль
26. β-листы (складчатые слои)
27. Третичная и четвертичная структура белков Третичная структура белка - это расположение его полипептидной цепи в пространстве,
28. Четвертичная структура белков К числу олигомерных белков относится гемоглобин (2 идентичные α- и 2 идентичные β-субъединицы),
29. Внутри- и межмолекулярные связи в белках (по силе взаимодействий) 1. Ковалентные пептидные связи (первичная структура). 2.
30. Третичная и четвертичная структура белков А –третичная Б- четвертичная структура
31. Вторичная структура Третичная структура
33. Структура миоглобина с выделенными α спиралями. гем
34. Большинство белков свернуто в глобулы. Такие глобулы устойчивы в водных системах благодаря тому, что их полярные
35. Классификация белков по элементному составу По составу белки разделяют на 2 основных класса: Простые белки дают
36. Биомедицинская химия, 2011 том 57, вып. 1, с.31-60. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ КОНФОРМАЦИОННОГО РАЗНООБРАЗИЯ БЕЛКОВ ДЛЯ МЕДИКО-БИОЛОГОВ А.С.
37. Методы изучения структуры белков Рентгеноструктурный анализ Спектроскопия ядерного магнитного резонанса. Атомная силовая микроскопия (AFM) Масс-спектрометрия (MS)
38. Химическая модификация аминокислот белков Химическая модификация аминокислот белков используется для идентификации функциональных групп активных центров, а
39. Модификация белков 1. Модификация белков протонированием. Аминогруппы, карбоксильные группы, SH- группа цистеина, имидазольная группа гистидина, фенольная
40. Модификация белков 2. Модификация по аминогруппе. Свободная аминогруппа N-концевой аминокислоты, ε -аминогруппа лизина). Реакции с альдегидами,
41. Модификация белков 4. Фенольная группа тирозина. Реакция электрофильного замещения в ароматическом кольце. 5. Имидазольная группа гистидина.
42. Модификация белков Бифункциональные сшивающие агенты. (Диальдегиды). Реагируют по аминогруппам.
43. Классификация белков по простетическим группам Класс Простетическая группа Нуклеопротеидные системы Рибосомы РНК Вирус табачной мозаики РНК
44. Классификация белков по простетическим группам Гемопротеиды Гемоглобин железопротопорфирин Цитохром с Цитохром Р450 Флавопротеиды флавонуклеотиды (FMN, FAD)
45. Функциональная биохимия. Каталитические реакции Во многих случаях скорость реакции резко изменяется в присутствии специальных веществ -
46. Функциональная биохимия Если катализатор находится в одной фазе с реакционной смесью, то процесс называется гомогенным, в
47. Химия каталитического действия ферментов В обычных химических реакциях концентрация реагентов выше, чем в ферментативных реакциях. Однако,
48. Ферменты – эффективные катализаторы Раствор фермента в концентрации 10-11 М эквивалентен по реакционной способности 10 М
49. Сравнительные значения скоростей реакции гидролиза Реагент катализатор температура,С V (М с-1) мочевина H3O+ 62 7.4 10-7
50. Каталитические константы ферментов Каталитическая константа или число оборотов определяется как максимальная скорость ((М с -1), деленная
51. Единицы ферментативной активности МЕ (IU) международная единица активности – активность фермента, превращающего 1 мкмоль субстрата в
52. Каталитические константы ферментов kcat (с-1) Фермент Субстрат kcat (с-1) Каталаза H2O2 9 ×106 Ацетилхолинэстераза ацетилхолин 1.2
53. Классификация белков в соответствии с выполняемыми функциями 1) каталитически активные белки (ферменты), 2) белки –ингибиторы ферментов,
54. Классификация белков в соответствии с выполняемыми функциями 7) мембранные белки, 8) сократительные белки, 9) рецепторные белки,
55. Классификация ферментов (по механизму действия) Цифровые коды классификации ферментов (КФ или EC – от англ. Enzyme
56. Классификация ферментов (по механизму действия) Класс 1. Оксидоредуктазы. Катализируют окислительно-восстановительные реакции. Пример: алкогольдегидрогеназа, каталаза, пероксидаза. Класс
57. Классификация ферментов Класс 3. Гидролазы. Катализируют реакции гидролиза. Пример: карбоксиэстераза, пепсин, трипсин, химотрипсин, ацетил-СоА-гидролаза Класс 4.
58. Классификация ферментов Класс 6. Лигазы (синтетазы). Катализируют реакции конденсации двух молекул, сопряженные с гидролизом пирофосфатной связи
59. Август 2018 г Класс 7. Транслоказы Катализируют перенос гидрона (H+ )
60. August 2018 Translocases (EC 7): A new EC Class EC 7.1 contains enzymes catalysing the translocation
62. Антитела-катализаторы (каталитически активные антитела, абзимы) Антитела являются белками, синтезируемыми иммунной системой для защиты организма от чужеродных
63. Антитела-катализаторы (каталитически активные антитела, абзимы) Например, при гидролизе карбоксильных эфиров переходным состоянием является тетраэдр. Эго можно
64. Структура переходного состояния при гидролизе эфиров карбоновых кислот
65. Переходное состояние гидролиза эфиров карбоновых кислот
66. РНК-содержащие ферменты (рибозимы) Рибозимы – каталитически активные молекулы РНК Некоторые ферменты являются комплексами белка и РНК,
67. Белок-белковые взаимодействия (интерактомика) При исследовании белок-белковых взаимодействий (взаимодействий различных белков) необходимо выяснить характер взаимодействий. Для этого
68. Белок-белковые комплексы Белок-белковые взаимодействия Взаимодействия белковых молекул (белок-белковые взаимодействия) имеют основополагающее значение для ряда важнейших процессов,
69. Примером функционально-значимых белок-белковых взаимодействий является взаимодействие белков в системе цитохром Р450 (гемопротеин) НАДН-зависимая редуктаза (флавопротеин) цитохром
70. Успехи биологической химии, 49, 2009, с. 429–442, ДИНАМИЧЕСКАЯ ПРОТЕОМИКА В МОДЕЛИРОВАНИИ ЖИВОЙ КЛЕТКИ. БЕЛОК-БЕЛКОВЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. А.
71. Белок–белковые взаимодействия лежат в основе большинства биологических процессов, и роль их наиболее многообразна у многоклеточных организмов.
72. Для исследования природы связей, стабилизирующих белковые комплексы, используют методы исследования структуры белков, а также химические и
73. ТЕХНОЛОГИИ БЕЛКОВОЙ ИНТЕРАКТОМИКИ Существующее разнообразие методических подходов, применяемых для изучения ББВ (белок-белковых взаимодействий), обусловлено тем, что
74. Примеры белок-белковых взаимодействий БЕЛОК-БЕЛКОВЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В КОМПЛЕКСЕ ФЕРМЕНТОВ ФАЗЫ КАРБОКСИЛИРОВАНИЯ, ВЫДЕЛЕННОМ ИЗ ЛИСТЬЕВ Beta vulgaris, образуемых
75. Примеры белок-белковых взаимодействий. Прионы Прио́ны (англ. prion от protein — «белок» и infection — «инфекция». Все
76. Во второй половине 90-х годов, когда была определена аминокислотная последовательность белка приона РrР и выявлен ген
77. К 01 декабря 2020 г. представить рефераты Темы рефератов: Белок-белковые комплексы и их медицинская значимость. Интеактомика.
78. Список литературы по энзимологии www.studmedlib.ru В.Элиот, Д.Элиот, Биохимия и молекулярная биология. НИИ Биомедхимии, М. 2000. Т.
80. Скачать презентацию

Слайд 2

Энзимология
Основная цель исследований в энзимологии - изучение химических основ биологических процессов

живых систем, интеграция химии, биологии, химической кинетики, химической технологии, молекулярных аспектов ферментативного катализа, термодинамики биологических процессов.
Термин «фермент» (fermentum) происходит от латинского fervere - вскипать, пениться, и отражает процесс пенообразования при спиртовом брожении.

Слайд 3

Ключевое место в развитии современной биомолекулярной химии и технологии занимают ферменты

(энзимы) – белковые катализаторы различных процессов.
В курсе энзимологии – науки о ферментах – мы будем изучать молекулярные и кинетические аспекты ферментативного катализа, биотехнологические и нанобиотехнологические процессы на их основе.
Развитие биотехнологии и генетической инженерии сделало возможным получение и производство ферментов с новыми свойствами в неограниченных количествах как для научных исследований, так и для практической медицины.

Слайд 4

Структурная биохимия Белки. Первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура белков
Основой биополимерной цепи,

формирующей белки и ферменты, являются α-аминокислоты. В природе известно более 500 аминокислот, однако белки формируются из 20 α-аминокислот. Реакция синтеза белков является реакцией поликонденсации, при которой образуются амидные (пептидные) связи между карбоксильной группой и аминогруппой аминокислоты. Реакция образования пептидной связи обратима. Константа равновесия К может быть вычислена на основании свободной энергии ΔG реакции образования пептидной связи.
К=exp[ΔGº/(RT)]
Стандартная свободная энергия ΔGº = 18 кДж/моль для образования дипептида глицилглицина.

Слайд 5

Белки.
В соответствии с принципами химической термодинамики процесс протекает самопроизвольно, если свободная

энергия ΔGº реакции отрицательно. Поэтому реальный синтез белков в биосистемах идет с одновременным расходованием АТФ.
АТФ+Н2О=АДФ +Н3РО4, ΔGº = -34 кДж/моль
Разнообразие белковых структур колоссально, N=20n, где N – число возможных вариантов структур в белке, n- число аминокислот в белке.
Для белка, состоящего из 100 аминокислот, число возможных структур равно 20 100 = 10 130
Для сравнения: число нуклонов (протонов и нейтронов) во Вселенной составляет 1080 , что в 1050 меньше .

Слайд 6

Строение белков.
Ферменты –это белки с каталитическими функциями.
Ферменты (энзимы)–это глобулярные

белки, содержащие как регулярные участки, (α-спирали и -листы), так и нерегулярные области типа полимерных петель.
Основой белка является полипептидная цепь (первичная структура), в которой аминокислоты связаны ковалентной амидной (пептидной) связью.

Слайд 7

Аминокислоты — структурные компоненты белков.
Аминокислоты — структурные компоненты белков. В природе

известно более 500 различных аминокислот, одноко белки формируются из 20 α-аминокислот. Белки, это биологические гетерополимеры, мономерами которых являются различные аминокислоты.
NH2 –CH(R) -COOH
В зависимости от вида радикала R основные аминокислоты делят на три группы:
1) неполярные (аланин, метионин, валин, пролин, лейцин, изолейцин, триптофан, фенилаланин);
2) полярные незаряженные (аспарагин, глутамин, серии, глицин, тирозин, треонин, цистеин);
3) полярные заряженные (аргинин, гистидин, лизин — положительно; аспарагиновая и глутаминовая кислоты — отрицательно).

Слайд 8

Аминокислоты — структурные компоненты белков
Боковые цепи аминокислот (радикал) могут быть гидрофобными

или гидрофильными,
У растений все необходимые аминокислоты синтезируются из первичных продуктов фотосинтеза. Человек и животные не способны синтезировать ряд протеиногенных аминокислот и должны получать их в готовом виде вместе с пищей. Такие аминокислоты называются незаменимыми (10 аминокислот). К ним относятся
лизин, валин, лейцин, изолейцин, треонин, фенилаланин, триптофан, метионин; аргинин и гистидин.
Для человека абсолютно незаменимыми являются лизин, фенилаланин, триптофан.
В растворе аминокислоты могут выступать в роли как кислот, так и оснований, т. е. они являются амфотерными соединениями (NH2 –CH(R) –COOH)
В нейтральной среде аминокислоты существуют в виде биполярных ионов - цвиттер-ионов т.е.
не NH2 – R – COOH , а NH3+ – R - COO –

Слайд 9

Аминокислоты
Все аминокислоты, за исключением глицина NH2CH2COOH, имеют хиральный (оптически активный) атом

в α-положении NH2 –C*H(R) -COOH
Все природные аминокислоты в белках представлены левовращающим L-стереоизомером.

Слайд 10

Аминокислоты
Первичная структура белка записана в молекулах ДНК в виде последовательности тринуклеотидных

фрагментов – кодонов. При этом из 4 гетероциклических оснований может быть составлено 64 сочетания для 20 аминокислот, т.е. код является вырожденным (одной аминокислоте соответствует несколько кодонов).

Слайд 11

Аминокислоты
Лейцин, серин, аргинин имеют 6 кодонов, а триптофан и метионин –

один кодон.
Наиболее распространенной в природе аминокислотой является
1. лейцин - среднее содержание в биологическом мире 9,5%,
2. аланин – 7,6%,
3. серин - 7,1%.
Наиболее редкая аминокислота – триптофан 1,2 %

Слайд 12

Пептиды.
Пептиды. Аминогруппа одной аминокислоты способна вступать в реакцию с карбоксильной группой

другой аминокислоты.
Образующаяся при этом молекула представляет собой дипептид, а связь -CO-NH- называется пептидной связью:
На одном конце молекулы дипептида находится свободная аминогруппа, а на другом — свободная карбоксильная группа. Благодаря этому дипептид может присоединять к себе другие аминокислоты, образуя олигопептиды. Если таким образом соединяется много аминокислот (более десяти), то получается полипептид.
Пептиды играют важную роль в организме. Многие олиго- и полипептиды являются гормонами, антибиотиками, токсинами.

Слайд 13

Пептиды.
К олигопептидам относятся окситоцин, вазопрессин, тиреотропин, а также брадикинин (пептид боли)

и некоторые опиаты («естественные наркотики» человека), выполняющие функцию обезболивания. К олигопептидам относятся и некоторые антибиотики (например, грамицидин S).
Многие гормоны (инсулин, адренокортикотропный гормон и др.), антибиотики (например, грамицидин А), токсины (например, дифтерийный токсин) являются полипептидами.

Слайд 14

Строение белков.
Основой белка является полипептидная цепь (первичная структура), в которой аминокислоты

связаны ковалентной амидной (пептидной) связью.
Белки представляют собой полипептиды, в молекулу которых входит от пятидесяти до нескольких тысяч аминокислот с относительной молекулярной массой свыше 10 000.
Вторичная структура – укладка полипептидных цепей в регулярные элементы типа α-спиралей и -листов (-складчатая структура), стабилизированных водородными связями. Помимо регулярных вторичных структур типа α-спиралей и -листов белки содержат нерегулярные элементы, такие как петли, связывающие α-спирали и -листы.
Полная классификация белков по вторичной структуре представлена в базах данных Dai/FSSP, CATH, SCOP).

Слайд 15

Первичная структура
Первичная структура — последовательность аминокислот, ковалентно связанных в полипептидную цепь. Важными

особенностями первичной структуры являются консервативные мотивы : сочетания аминокислот, важных для функции белка. Консервативные мотивы сохраняются в процессе эволюции видов, по ним можно предсказать функцию неизвестного белка.

Слайд 16

Сравнительный размер белков. Слева направо: Антитело (IgG), гемоглобин, инсулин (гормон), аденилаткиназа

(фермент) и глютаминсинтетаза (фермент)

14-12 нм
Размеры белков имеют нанометровый диапазон!!!

Слайд 17

Сравнительные размеры белков
14.8nm
12.8nm
9.3 nm
1.7 nm
3.8 nm
2.8 nm
антитело
Цитохром P450

Слайд 18

Слайд 19

Структурная химия белков
Базисным положением структурной химии белка является
представление о том,

что последовательность аминокислот
полипептидной цепи (первичная структура) определяет все
последующие структуры в иерархии, включая структуру активного
центра фермента, а также возможность образования компактной функционально значимой структуры и комплексов с другими
белковыми молекулами или биологической мембраной.
Первичная структура стабилизирована ковалентными пептидными
(амидными) связями.
В настоящее время в Интернете находятся несколько баз данных
и программ.
Поиск гомологичных белков, обладающих близкой первичной
структурой (программа BLAST).
2. База данных SWISS-PROT.
3. База данных HSSP (http:www.san.der.embl-heidelberg.de/hsspl)

Слайд 20

Вторичная структура белков
α- Спирали и -структуры (складки или листы) стабилизированы водородными

связями. Водородные связи образуется между атомом кислорода и одной и атомом азота другой аминокислоты, отстоящей от первой на четыре (3,6) аминокислотных остатка. На один виток спирали приходится 3,6 аминокислотных остатков
-NH-CH(R)-C(O)- NH-CH(R)-C(O)- NH-CH(R)-C(O)- NH-CH(R)-C(O)-NH
1 2 3 4
Для L-аминокислот правосторонняя α- спираль устойчивей левосторонней.
Структура белковой молекулы может быть стабилизирована и дисульфидными связями (-S-S-)
(ДНК спираль правозакрученная, по часовой стрелке)

Слайд 21

Вторичная структура — локальное упорядочивание фрагмента полипептидной цепи, стабилизированное водородными связями и

гидрофобными взаимодействиями

Слайд 22

α-спирали — плотные витки вокруг длинной оси молекулы, один виток составляют 4

аминокислотных остатка, спираль стабилизирована водородными связями между H и O пептидных групп, отстоящих друг от друга на 4 звена. Спираль построена исключительно из одного типа стереоизомеров аминокислот (L), хотя она может быть как левозакрученной, так и правозакрученной, в белках преобладает правозакрученная. Спираль нарушают электростатические взаимодействия глутаминовой кислоты, лизина, аргинина, близкорасположенные аспарагин, серин, треонин и лейцин могут стерически мешать образованию спирали, пролин вызывает изгиб цепи и также нарушает α-спирали
Термин «α-спираль» был введен Л. Полингом (1951 г.), открывшим укладку пептидной цепи в виде правосторонней спирали в белке α-кератине.

Слайд 23

β-листы (складчатые слои) — несколько зигзагообразных полипептидных цепей, в которых водородные связи

образуются между относительно удалёнными друг от друга в первичной структуре аминокислотами или разными цепями белка, а не близко расположенными, как имеет место в α-спирали. Эти цепи обычно направлены N-концами в противоположные стороны (антипараллельная ориентация).
Для образования β-листов важны небольшие размеры R-групп (радикалов) аминокислот, преобладают обычно глицин и аланин.

Слайд 24

α-Спираль

Слайд 25

Левостороння спираль
Правосторонняя спираль

Слайд 26

β-листы (складчатые слои)

Слайд 27

Третичная и четвертичная структура белков
Третичная структура белка - это расположение его

полипептидной цепи в пространстве, способ компактизации белковой молекулы. Процесс укладки белковой молекулы называется фолдингом. В фолдинге могут принимать участие белки-шапероны. Шапероны – многокомпонентная система, обеспечивающая правильное сворачивание (фолдинг) полипетидной цепи в белке. Третичная структура стабилизирована ионными, водородными и гидрофобными связями, а также ковалентными дисульфидными связями.
Многие белки образуют комплексы между субъединицами, образуя четвертичную структуру. В образовании комплексов большую роль играют электростатические (кулоновские) взаимодействия противоположно заряженных части (ионные взаимодействия), водородные связи, гидрофобные взаимодействия.

Слайд 28

Четвертичная структура белков
К числу олигомерных белков относится гемоглобин (2 идентичные α-

и 2 идентичные β-субъединицы), аллостерически регулируемые ферменты, цитохромы Р450 2В4 (гексамер).
Приставка «алло» означает другой. Низкомолекулярные соединения, связываемые белком (часто это не субстраты), называют лигандами. Лиганды, связывающиеся с аллостерическими участками, называются аллостерическими регуляторами или эффекторами. Связывание эффектора отражается на сродстве к субстрату.

Слайд 29

Внутри- и межмолекулярные связи в белках (по силе взаимодействий)
1. Ковалентные пептидные

связи (первичная структура).
2. Электростатические взаимодействия (вторичная, третичная и четвертичная структура).
3. Водородные связи (вторичная, третичная и четвертичная структура).
4. Гидрофобные взаимодействия (третичная и четвертичная структура).

Слайд 30

Третичная и четвертичная структура белков
А –третичная
Б- четвертичная структура

Слайд 31

Вторичная структура
Третичная структура

Слайд 32

Слайд 33

Структура миоглобина с выделенными α спиралями.
гем

Слайд 34

Большинство белков свернуто в глобулы. Такие глобулы устойчивы в водных системах

благодаря тому, что их полярные группы находятся на поверхности в контакте с водой, а неполярные обращены вглубь молекуля таким образом, что их соприкосновение с водой сведено к минимуму.

Слайд 35

Классификация белков по элементному составу
По составу белки разделяют на 2 основных

класса:
Простые белки дают при гидролизе только аминокислоты. Они содержат
50% C, 7% H, 23% O, 16% N, 0-3% S.
Сложные белки при гидролизе дают кроме аминокислот и другие продукты. Небелковую часть молекулы сложных белков называют простетической группой.

Слайд 36

Биомедицинская химия, 2011 том 57, вып. 1, с.31-60.
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ КОНФОРМАЦИОННОГО РАЗНООБРАЗИЯ
БЕЛКОВ

ДЛЯ МЕДИКО-БИОЛОГОВ
А.С. Иванов

Слайд 37

Методы изучения структуры белков
Рентгеноструктурный анализ
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса.
Атомная силовая микроскопия (AFM)
Масс-спектрометрия

(MS)
Поверхностный плазмонный резонанс (SPR)
Спектроскопия, флуоресценция, поляризационная флуоресценция
Биоинформационные методы (молекулярная динамика)
Электрохимия
(методы, используемые в ИБМХ)

Слайд 38

Химическая модификация аминокислот белков
Химическая модификация аминокислот белков используется для идентификации функциональных

групп активных центров, а также для «сшивания» с различными носителями, для получения конъюгатов белков, получения биочипов и биосенсоров, для проведения инструментальных исследований и т.п.

Слайд 39

Модификация белков
1. Модификация белков протонированием. Аминогруппы, карбоксильные группы, SH- группа цистеина,

имидазольная группа гистидина, фенольная группа тирозина, гуанидиновая группа аргинина могут присоединять протон (ион водорода Н+) и менять знак заряда молекулы белка.
-COO- + Н+ = -COOH
-SH = -S- + Н+

Слайд 40

Модификация белков
2. Модификация по аминогруппе. Свободная аминогруппа N-концевой аминокислоты, ε -аминогруппа

лизина).
Реакции с альдегидами, с динитрофторбензолом, с ангидридами кислот.
3. Карбоксильные группы аспарагиновой и глутаминовой кислот, Карбоксильная группа С-концевой аминокислоы.
Реакция этерификации, амидирования

Слайд 41

Модификация белков
4. Фенольная группа тирозина.
Реакция электрофильного замещения в ароматическом кольце.
5.

Имидазольная группа гистидина.
Алкилирование, фотоокисление
6. Гуанидиновая группа аргинина.
Реакция с дионами (бутадион)
7. Сульфгидрильные группы.
Алкилирование, реакция с реактивом Эллмана (5,5,’ –дитио-бис-(2-нитробензойная кислота)

Слайд 42

Модификация белков
Бифункциональные сшивающие агенты.
(Диальдегиды). Реагируют по аминогруппам.

Слайд 43

Классификация белков по простетическим группам
Класс Простетическая группа
Нуклеопротеидные системы
Рибосомы РНК
Вирус табачной мозаики РНК
Липопротеиды фосфолипиды, холестерин
Гликлпротеиды
-глобулин гексозамин, галактоза,

манноза,
Фосфопротеиды
Казеин (белок молока)
фосфатная группа, связанная сложноэфирной связью с серином

Слайд 44

Классификация белков по простетическим группам
Гемопротеиды
Гемоглобин железопротопорфирин
Цитохром с
Цитохром Р450
Флавопротеиды флавонуклеотиды (FMN, FAD)

Сукцинатдегидрогеназа
Оксидаза D-аминокислот
редуктазы

Слайд 45

Функциональная биохимия. Каталитические реакции
Во многих случаях скорость реакции резко изменяется в присутствии

специальных веществ - катализаторов. Катализаторы участвуют в реакции, но в результате ее не расходуются. Катализаторы биологических процессов, протекающих в живых организмах, представляют собой белковые молекулы, которые называют ферментами, или энзимами.

Слайд 46

Функциональная биохимия
Если катализатор находится в одной фазе с реакционной смесью, то

процесс называется гомогенным, в разных фазах – гетерогенным.
Растворы низкомолекулярных субстратов –это истинные растворы с размерами частиц менее 1 нм
Растворы ферментов являются коллоидными растворами с размером частиц 1-100 нм

Слайд 47

Химия каталитического действия ферментов
В обычных химических реакциях концентрация реагентов выше, чем

в ферментативных реакциях. Однако, ферментативные реакции протекают в 1011-13 раз быстрее некаталитических. Это связано
1) с эффектом сближения (он наблюдается и в неферментативных реакциях), который приводит к селективному увеличению локальной концентрации реагентов,
2) с эффектом ориентации, так как связывание субстратов на поверхности фермента осуществляется таким образом, что они принимают ориентацию, оптимальную для облегчения взаимодействия,
3) с эффектом напряжения, он отражает возможность прикрепления субстрата к ферменту в двух или нескольких местах. В результате такого связывания разрушаемая связь ослабляется благодаря поляризации электронных оболочек и изменению углов связей, энергия активации, требующаяся для разрушения этой связи, понижается.

Слайд 48

Ферменты – эффективные катализаторы
Раствор фермента в концентрации
10-11 М эквивалентен по

реакционной способности 10 М раствору кислоты.

Слайд 49

Сравнительные значения скоростей реакции гидролиза
Реагент катализатор температура,С V (М с-1)
мочевина H3O+ 62 7.4 10-7
мочевина уреаза 21 5.0 106
Пероксид

без катализатора 25 10 -8
водорода
Пероксид HBr 25 10 -4
водорода
Пероксид каталаза 25 10 7
водорода
Роль ферментов как эффективных катализаторов иллюстрируется на примере разложения пероксида водорода до воды и кислорода. Эта реакция в водном растворе протекает очень медленно, но ее скорость увеличивается в присутствии различных катализаторов.

Слайд 50

Каталитические константы ферментов
Каталитическая константа или число оборотов определяется как максимальная скорость

((М с -1), деленная на концентрацию активных центров фермента (М). Ее единицей является с -1
Концентрация активных центров используется вместо концентрации фермента для удобства сравнения с ферментами, имеющими более одного активного центра (например, каталаза имеет 4 активных центра).

Слайд 51

Единицы ферментативной активности
МЕ (IU) международная единица активности – активность фермента,

превращающего 1 мкмоль субстрата в минуту.
Комиссия по номенклатуре и биологии связала МЕ с системой СИ:
1 катал (кат) – это активность фермента, превращающего 1 моль субстрата в секунду.
1 МЕ = 0,000 000 016 667 кат
1 кат = 60 000 000 МЕ

Слайд 52

Каталитические константы ферментов kcat (с-1)
Фермент Субстрат kcat (с-1)
Каталаза H2O2 9 ×106
Ацетилхолинэстераза ацетилхолин 1.2 ×104

Слайд 53

Классификация белков в соответствии с выполняемыми функциями
1) каталитически активные белки (ферменты),
2)

белки –ингибиторы ферментов,
3) белки-регуляторы активности генома,
4) защитные белки, белки иммунной и свертывающей системы,
5) токсические белки,
6) транспортные белки

Слайд 54

Классификация белков в соответствии с выполняемыми функциями
7) мембранные белки,
8) сократительные белки,
9)

рецепторные белки,
10) белки-гормоны,
11) белки – оболочки вирусов

Слайд 55

Классификация ферментов (по механизму действия)
Цифровые коды классификации ферментов (КФ или EC

– от англ. Enzyme Commision) состоит из четырех чисел, разделенных точками (например, КФ 3.2.1.4.) Первая цифра указывает на принадлежность к одному из шести основных классов. Следующие два числа обозначают подклассы и подподклассы ферментов. А последнее число – это серийный номер данного фермента в его подклассе.
Enzyme nomenclature (1976) Biochem. Biophys/Acta, 429, 1-45.
Номенклатура ферментов, М., 1979.

Слайд 56

Классификация ферментов (по механизму действия)
Класс 1. Оксидоредуктазы. Катализируют окислительно-восстановительные реакции.
Пример: алкогольдегидрогеназа,

каталаза, пероксидаза.
Класс 2. Трансферазы. Катализируют реакции переноса групп от одного соединения к другому.
Пример: аминотрансфераза

Слайд 57

Классификация ферментов
Класс 3. Гидролазы. Катализируют реакции гидролиза.
Пример: карбоксиэстераза, пепсин, трипсин,

химотрипсин, ацетил-СоА-гидролаза
Класс 4. Лиазы. Катализируют присоединение групп к двойным связям или отщепление групп с образованием двойной связи.
Пример: карбоангидраза, изоцитратлиаза.
Класс 5. Изомеразы. Катализируют геометрические или другие изменения в пределах одной молекулы.
Пример: триозофосфатизомераза, аланинрацемаза.

Слайд 58

Классификация ферментов
Класс 6. Лигазы (синтетазы). Катализируют реакции конденсации двух молекул, сопряженные

с гидролизом пирофосфатной связи в молекуле АТФ.
Пример: тирозил-т-РНК-синтетаза, ацетат-СоА-лигаза.

Слайд 59

Август 2018 г
Класс 7. Транслоказы
Катализируют перенос гидрона (H+ )

Слайд 60

August 2018
Translocases (EC 7): A new EC Class
EC 7.1 contains enzymes

catalysing the translocation of hydrons (hydron being the general name for H+ in its natural abundance), EC 7.2 contains those catalysing the translocation of inorganic cations and their chelates, EC 7.3 contains those catalysing the translocation of inorganic anions, EC 7.4 contains those catalysing the translocation of amino acids and peptides, EC 7.5 contains those catalysing the translocation of carbohydrates and their derivatives EC 7.6 contains those catalysing the translocation of other compounds.
The sub-subclasses concern the reaction that provided the driving force for the translocation, where these are relevant: EC 7.x.1 translocations linked to oxidoreductase reactions EC 7.x.2 translocations linked to the hydrolysis of a nucleoside triphosphate EC 7.x.3 translocations linked to the hydrolysis of a diphosphate EC 7.x.4 translocations linked to a decarboxylation reaction

Слайд 61

Слайд 62

Антитела-катализаторы (каталитически активные антитела, абзимы)
Антитела являются белками, синтезируемыми иммунной системой для

защиты организма от чужеродных белков или соединений. Для образования антитела на любое требуемое соединение ( гаптен) это соединение должно ковалентно присоединиться к белку. Если гаптеном будет аналог переходного состояния какого-нибудь фермента, можно получить антитела с каталитической активностью.

Слайд 63

Антитела-катализаторы (каталитически активные антитела, абзимы)
Например, при гидролизе карбоксильных эфиров переходным состоянием

является тетраэдр. Эго можно смоделировать соединениями на основе фосфора (фосфонаты).
Фосфонаты – это фосфорорганические соединения, содержащие связь Р-С (фосфор –углерод).
Стабильные фосфонаты, присоединенные к белку для формирования антигенов, образуют каталитические антитела, обладающие по отношению к эфирам как субстратам каталитической активностью, сравнимой с активностью белкового фермента химотрипсина. Одна из задач этих исследований – образование новых, не обнаруженных в природе ферментов (Schultz and Lerner, 1995)

Слайд 64

Структура переходного состояния при гидролизе эфиров карбоновых кислот

Слайд 65

Переходное состояние гидролиза эфиров карбоновых кислот

Слайд 66

РНК-содержащие ферменты (рибозимы)
Рибозимы – каталитически активные молекулы РНК
Некоторые ферменты являются комплексами

белка и РНК, причем РНК также участвует в катализе. Примером может служить рибосома. Сложный ансамбль многих белков и трех типов РНК. Рибосомы играют ключевую роль в трансляции матричной РНК в белке.
РНК-содержащие ферменты - рибозимы – были примитивными ферментами, которые в настоящее время заменили более эффективные белковые катализаторы. Каталитическая единица РНК Tetrahymena является частью молекулы, которая удаляется в ходе процессинга, обычно она сама вырезается из пре-рибосомной РНК. Освободившись, она может действовать как РНК содержащий фермент. Рибозим Tetrahymena обладает активностью рибонуклеазы (гидролизует РНК) и РНК-лигазы (соединяет или лигирует РНК) (Herschlag and Cech, 1990)

Слайд 67

Белок-белковые взаимодействия (интерактомика)
При исследовании белок-белковых взаимодействий (взаимодействий различных белков) необходимо выяснить

характер взаимодействий.
Для этого можно изменять условия: ионную силу,
рН,
полярность растворителя.

Слайд 68

Белок-белковые комплексы Белок-белковые взаимодействия
Взаимодействия белковых молекул (белок-белковые взаимодействия) имеют основополагающее значение для

ряда важнейших процессов, происходящих в клетках живых организмов. В соответствии с принятой с настоящий момент точкой зрения, для того, что белки смогли выполнить возложенные на них функции, им необходимо принять соответствующую трёхмерную структуру.

Слайд 69

Примером функционально-значимых белок-белковых взаимодействий является взаимодействие белков в системе
цитохром Р450

(гемопротеин)
НАДН-зависимая редуктаза (флавопротеин)
цитохром в5 (гемопротеин).
Цитохромы Р450 участвуют в метаболизме лекарственных препаратов, чужеродных соединений, попадающих в организм; в синтезе гормонов, простагландинов.
Для функционирования этой системы необходимо образование продуктивного тройного комплекса этих белков

Слайд 70

Успехи биологической химии, 49, 2009, с. 429–442,
ДИНАМИЧЕСКАЯ ПРОТЕОМИКА
В МОДЕЛИРОВАНИИ ЖИВОЙ КЛЕТКИ.
БЕЛОК-БЕЛКОВЫЕ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ.
А. А. ТЕРЕНТЬЕВ, Н. Т. МОЛДОГАЗИЕВА, К. В. ШАЙТАН

Слайд 71

Белок–белковые взаимодействия лежат в основе большинства биологических процессов, и роль их наиболее многообразна у многоклеточных

организмов. Сложность этих взаимодействий часто графически представляют в виде карт (сетей), где каждая точка соответствует одному белку, а каждая линия — межбелковому взаимодействию

Слайд 72

Для исследования природы связей, стабилизирующих белковые комплексы, используют методы исследования структуры

белков, а также химические и генетические модификации белков
Рентгеноструктурный анализ
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса.
Атомная силовая микроскопия
Масс-спектрометрия
Поверхностный плазмонный резонанс
Спектроскопия, флуоресценция
Биоинформационные методы
Молекулярная динамика
(методы, используемые в ИБМХ)

Слайд 73

ТЕХНОЛОГИИ БЕЛКОВОЙ ИНТЕРАКТОМИКИ
Существующее разнообразие методических подходов, применяемых для изучения ББВ (белок-белковых

взаимодействий), обусловлено тем, что белковая интерактомика находится на стыке различных научных дисциплин, таких, как биохимия, геномика, биоинформатика, компьютерное молекулярное моделирование, клеточная биология, молекулярная биология, биофизика и др. Условно все подходы в интерактомике можно разделить на две группы: биоинформационные и экспериментальные. В свою очередь каждая из этих групп включает в себя много разнообразных подходов в исследовании ББВ.
Белки не присутствуют в клетке сами по себе. Они друг с другом взаимодействуют. В частности, молекулы белков актина, миозина и др. образуют мышечные волокна. Другой пример — каскады передачи сигналов.

Слайд 74

Примеры белок-белковых взаимодействий
БЕЛОК-БЕЛКОВЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В КОМПЛЕКСЕ ФЕРМЕНТОВ ФАЗЫ КАРБОКСИЛИРОВАНИЯ, ВЫДЕЛЕННОМ ИЗ

ЛИСТЬЕВ Beta vulgaris, образуемых тремя ферментами фазы карбоксилирования цикла Кальвина - Бенсона:
рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазой (РБФК/О),
рибозофосфатизомеразой (РФИ) и
фосфорибулокиназой (ФРК), в строме хлоропластов
Цитохромы Р450, редуктаза, цитохром в5

Слайд 75

Примеры белок-белковых взаимодействий. Прионы
Прио́ны (англ. prion от protein — «белок» и infection — «инфекция».

Все известные прионные заболевания млекопитающих вызываются белком PrP
Все известные прионы вызывают формирование амилоидов — белковых агрегатов, включающих плотно упакованные β-слои.
Превращение нормального белка в патогенный происходит путем белок-белковых взаимодействий

Слайд 76

Во второй половине 90-х годов, когда была определена аминокислотная последовательность белка

приона РrР и выявлен ген Prnp, начались интенсивные поиски причин патогенности прионов.
С помощью современных методов молекулярно-генетического анализа были получены новые данные о возможных вариантах состава и конформации (укладки) полипептидной цепи РrР.
Было установлено, что конверсия нормального прионного белка в его инфекционную изоформу - посттрансляционный процесс . Анализ вторичной структуры РrРSc показал, что этот переход характеризуется большими структурными изменениями самого приона. Клеточный белок содержит 42% a-спиралей и почти не содержит β-тяжей (всего около 3%), в то время как в его инфекционной форме выявляется 30% a-спиралей и 43% β -тяжей.

Слайд 77

К 01 декабря 2020 г. представить рефераты
Темы рефератов:
Белок-белковые комплексы и

их медицинская значимость. Интеактомика. Патологии, связанные с нарушением белок-белковых комплексов (взаимодействий). Лекарственные препараты для лечения и профилактики таких заболеваний.
Объем – 3-4 стр. Оформление. Ссылки на интернет-источник

Слайд 78

Список литературы по энзимологии www.studmedlib.ru
В.Элиот, Д.Элиот, Биохимия и молекулярная биология. НИИ

Биомедхимии, М. 2000.
Т. Келети, Основы ферментативной кинетики, М. Мир, 1990.
В. Уильямс, Х. Уильямс, Физическая химия для биологов. М. Мир, 1976.
Э. Фершт, Структура и механизм действия ферментов. М.Мир, 1980.
А.А. Клесов, И.В. Березин, Ферментативный катализ. МГУ, 1980.
И.В. Березин, А.А. Клесов, Практический курс химической и ферментативной кинетики, МГУ, 1976.
Е. В. Петушкова, Введение в кинетику ферментативных реакций. МГУ, 1972.
И.В. Березин, К. Мартинек, Основы физической химии ферментативного катализа. М. Высшая школа, 1977.
Э. Корниш-Бодуен, Основы ферментативной кинетики, М.Мир, 1979.
М. Диксон, Э. Уэбб. Ферменты. М., ИИЛ, 1961.
В. Дженкс, Катализ в химии и энзимологии, М. Мир, 1972.
В.К. Плакунов. Основы энзимологии. М. Логос, 2002.
С.Д. Варфоломеев. Химическая энзимология, М, Academia, 2005
С.Д. Варфоломеев, К.Г. Гуревич. Биокинетика: Практический курс. - М.: ФАИР-ПРЕСС, 1999.
И.Тиноко, К.Зауэр, Дж. Вэнг, Дж. Паглиси. Физическая химия. Принципы и применение в биологических науках. Техносфера. Москва. 2005.
Х. Биссвангер. Практическая энзимология. М., БИНОМ. Лаборатория знаний. 2010.
Т.П. Вавилова, А.Е. Медведев, Биологическая химия. Биохимия полости рта. М., «ГЕОТАР_Медиа», 2014 г.

Курс лекций по энзимологии. Энзимология. Лекция 1

Содержание

ЭнзимологияОсновная цель исследований в энзимологии - изучение химических основ биологических процессов

Ключевое место в развитии современной биомолекулярной химии и технологии занимают ферменты

Структурная биохимия Белки. Первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура белковОсновой биополимерной цепи,

Белки.В соответствии с принципами химической термодинамики процесс протекает самопроизвольно, если свободная

Строение белков. Ферменты –это белки с каталитическими функциями. Ферменты (энзимы)–это глобулярные

Аминокислоты — структурные компоненты белков.Аминокислоты — структурные компоненты белков. В природе

Аминокислоты — структурные компоненты белковБоковые цепи аминокислот (радикал) могут быть гидрофобными

АминокислотыВсе аминокислоты, за исключением глицина NH2CH2COOH, имеют хиральный (оптически активный) атом

АминокислотыПервичная структура белка записана в молекулах ДНК в виде последовательности тринуклеотидных

АминокислотыЛейцин, серин, аргинин имеют 6 кодонов, а триптофан и метионин –

Пептиды.Пептиды. Аминогруппа одной аминокислоты способна вступать в реакцию с карбоксильной группой

Пептиды.К олигопептидам относятся окситоцин, вазопрессин, тиреотропин, а также брадикинин (пептид боли)

Строение белков.Основой белка является полипептидная цепь (первичная структура), в которой аминокислоты

Первичная структураПервичная структура — последовательность аминокислот, ковалентно связанных в полипептидную цепь. Важными

Сравнительный размер белков. Слева направо: Антитело (IgG), гемоглобин, инсулин (гормон), аденилаткиназа

Сравнительные размеры белков 14.8nm12.8nm9.3 nm1.7 nm3.8 nm2.8 nmантителоЦитохром P450

Структурная химия белковБазисным положением структурной химии белка является представление о том,

Вторичная структура белковα- Спирали и -структуры (складки или листы) стабилизированы водородными

Вторичная структура — локальное упорядочивание фрагмента полипептидной цепи, стабилизированное водородными связями и

α-спирали — плотные витки вокруг длинной оси молекулы, один виток составляют 4

β-листы (складчатые слои) — несколько зигзагообразных полипептидных цепей, в которых водородные связи

α-Спираль

Левостороння спиральПравосторонняя спираль

β-листы (складчатые слои)

Третичная и четвертичная структура белковТретичная структура белка - это расположение его

Четвертичная структура белковК числу олигомерных белков относится гемоглобин (2 идентичные α-

Внутри- и межмолекулярные связи в белках (по силе взаимодействий)1. Ковалентные пептидные

Третичная и четвертичная структура белковА –третичная Б- четвертичная структура

Вторичная структураТретичная структура

Структура миоглобина с выделенными α спиралями. гем

Большинство белков свернуто в глобулы. Такие глобулы устойчивы в водных системах

Классификация белков по элементному составуПо составу белки разделяют на 2 основных

Биомедицинская химия, 2011 том 57, вып. 1, с.31-60.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ КОНФОРМАЦИОННОГО РАЗНООБРАЗИЯБЕЛКОВ

Методы изучения структуры белковРентгеноструктурный анализСпектроскопия ядерного магнитного резонанса.Атомная силовая микроскопия (AFM)Масс-спектрометрия

Химическая модификация аминокислот белковХимическая модификация аминокислот белков используется для идентификации функциональных

Модификация белков1. Модификация белков протонированием. Аминогруппы, карбоксильные группы, SH- группа цистеина,

Модификация белков2. Модификация по аминогруппе. Свободная аминогруппа N-концевой аминокислоты, ε -аминогруппа

Модификация белков4. Фенольная группа тирозина. Реакция электрофильного замещения в ароматическом кольце.5.

Модификация белковБифункциональные сшивающие агенты. (Диальдегиды). Реагируют по аминогруппам.

Классификация белков по простетическим группамГемопротеиды Гемоглобин железопротопорфиринЦитохром сЦитохром Р450 Флавопротеиды флавонуклеотиды (FMN, FAD)

Функциональная биохимия. Каталитические реакцииВо многих случаях скорость реакции резко изменяется в присутствии

Функциональная биохимияЕсли катализатор находится в одной фазе с реакционной смесью, то

Химия каталитического действия ферментовВ обычных химических реакциях концентрация реагентов выше, чем

Ферменты – эффективные катализаторыРаствор фермента в концентрации 10-11 М эквивалентен по

Сравнительные значения скоростей реакции гидролизаРеагент катализатор температура,С V (М с-1) мочевина H3O+ 62 7.4 10-7мочевина уреаза 21 5.0 106Пероксид

Каталитические константы ферментов Каталитическая константа или число оборотов определяется как максимальная скорость

Единицы ферментативной активности МЕ (IU) международная единица активности – активность фермента,

Каталитические константы ферментов kcat (с-1)Фермент Субстрат kcat (с-1) Каталаза H2O2 9 ×106Ацетилхолинэстераза ацетилхолин 1.2 ×104

Классификация белков в соответствии с выполняемыми функциями1) каталитически активные белки (ферменты),2)

Классификация белков в соответствии с выполняемыми функциями7) мембранные белки,8) сократительные белки,9)

Классификация ферментов (по механизму действия) Цифровые коды классификации ферментов (КФ или EC

Классификация ферментов (по механизму действия)Класс 1. Оксидоредуктазы. Катализируют окислительно-восстановительные реакции.Пример: алкогольдегидрогеназа,

Классификация ферментовКласс 3. Гидролазы. Катализируют реакции гидролиза. Пример: карбоксиэстераза, пепсин, трипсин,

Классификация ферментовКласс 6. Лигазы (синтетазы). Катализируют реакции конденсации двух молекул, сопряженные

Август 2018 г Класс 7. ТранслоказыКатализируют перенос гидрона (H+ )

August 2018Translocases (EC 7): A new EC ClassEC 7.1 contains enzymes

Антитела-катализаторы (каталитически активные антитела, абзимы)Антитела являются белками, синтезируемыми иммунной системой для

Антитела-катализаторы (каталитически активные антитела, абзимы)Например, при гидролизе карбоксильных эфиров переходным состоянием