Ферменты катализаторы биохимических реакции

Сравнение размеров молекул белков

В таблице ниже представлены различные белки и их сравнительные размеры:

Денатурация белков при высокой температуре

Деструкция белка куриного яйца под воздействием высокой температуры может привести к изменению его структуры.

Денатурация и ренатурация белка

Денатурация белка происходит при разрушении его структуры и может быть обратимой или необратимой, в зависимости от силы деструкции. Ренатурация – процесс восстановления структуры белка.

Синтез белка рибосомой

Синтез белка на рибосоме происходит благодаря последовательности кодонов в молекуле мРНК и участию ферментов аминоацил-тРНК-синтетазы.

История изучения белков

Первоначальные исследования белков проводились на простых объектах, таких как белки крови, куриных яиц и других биологических материалах. Изучение белков имело важное значение для развития науки.

Кристаллы белков для исследований

Кристаллы белков, выращенные на космической станции и во время полетов шаттлов, используются для изучения пространственных структур этих белков при низких температурах.

Подготовлено с любовью и профессионализмом 🚀

Функции белков в клетках живых организмов

Функции белков в клетках живых организмов более разнообразны, чем функции других биополимеров — полисахаридов и ДНК. Так, белки играют ключевую роль при иммунном ответе, они могут выполнять транспортную функцию (например, гемоглобин, переносящий газы в крови, и альбумины, транспортирующие жиры), запасающую (например, казеин молока), каталитическую (пищеварительные ферменты, ДНК-полимераза и РНК-полимераза участвуют в матричных реакциях), структурную (как примеры, из белка кератина состоят волосы и ногти, коллаген и эластин являются важными компонентами соединительной ткани, тубулин образует микротрубочки), рецепторную функцию в сигнальных системах клеток (одним из примеров является белок родопсин, необходимый для работы зрительных рецепторов и обеспечивающий формирование нервного импульса в ответ на действие фотонов света).

Так же можно выделить несколько не столь значительных функций, например, энергетическую (при истощении) и функцию ядов (белки-яды).

Молекулярной и клеточной биологии

На микрофотографиях разные белки, помеченные зелёным флуоресцентным белком, показывают расположение различных частей клетки.

Для выполнения анализа in vitro белок должен быть очищен от других клеточных компонентов. Этот процесс обычно начинается с разрушения клеток и получения так называемого клеточного экстракта. Далее методами центрифугирования и ультрацентрифугирования этот экстракт может быть разделён на:

• фракцию, содержащую растворимые белки;
• фракцию, содержащую мембранные липиды и белки;
• фракцию, содержащую клеточные органеллы и нуклеиновые кислоты.

Установка для гель-фильтрации. Насос, контролируемый компьютером, подаёт буферный раствор на колонку справа.

Совокупность белков клетки называется протеомом, его изучение — протеомикой, названной по аналогии с геномикой. Основные экспериментальные методы протеомики включают:

Предсказание структуры и моделирование

• Низкомолекулярные органические вещества
  • Содержат до 30 атомов углерода. Мол.масса 100-1000
• Отдельное структурное звено высокомолекулярного соединения, состоящего из повторяющихся частей
• Высокомолекулярное соединение, состоящее из повторяющихся структурных звеньев – мономеров
• Регулярные (периодические) полимеры
• Нерегулярные (непериодические) полимеры
• Мономеры располагаются без определенного порядка
• Белки (протеины, полипептиды)
  • Непериодические полимеры аминокислот. Имеют большую мол.массу
  • Молекула из 3-5 аминокислот
  • Сколько видов кислот входит в состав белков?

Входят ли в состав белков следующие виды органические вещества?

• Органическое вещество, содержащее в молекуле карбоксильную группу (-СООН) и аминогруппу (-NH2), связанные с одним и тем же атомом углерода
• Какие свойства придает аминокислотам карбоксильная группа?
• Какие свойства придает аминокислотам аминогруппа?
• Чем отличаются аминокислоты, входящие в состав белков, друг от друга?
• Строение бокового радикала

Гидрофобные аминокислоты

• На что влияет боковой радикал аминокислот?
• На структуру, физические и химические свойства белков
• Какую роль играют гидрофобные аминокислоты (глицин, аланин, валин, изолейцин, лейцин, фенилаланин, тирозин, метионин)?

Формирование белковой молекулы

При формировании белковой молекулы слипаются друг с другом, образуя структуры с наименьшей поверхностью. Их боковые радикалы всегда направлены вглубь молекулы.

Роль гидрофильных аминокислот

Какую роль играют гидрофильные аминокислоты (боковые радикалы имеют -СООН, -ОН, -NH2)?

• Обычно располагаются снаружи молекулы, влияют на растворимость белков.
• Могут проявлять кислотные или основные свойства.

Посттрансляционные модификации

1. Препроинсулин (L — лидерный пептид, B — участок 1, C — участок 2, А — участок 3)
2. Спонтанное сворачивание
3. Образование дисульфидного мостика между А и В
4. Лидерный и C-пептид отрезаются
5. Конечная молекула

Регулирование созревания белков

Посттрансляционные модификации могут регулировать продолжительность существования белков в клетке, их ферментативную активность и взаимодействия с другими белками. Некоторые являются обязательным этапом созревания белка.

Пример

• Инсулин и некоторые другие гормоны требуют ограниченного протеолиза для активации.
• Белки плазматической мембраны созревают через гликозилирование.

Внутриклеточный транспорт и сортировка

Модель комплекса бактериальных шаперонов GroES/GroEL показывает изменение структуры белка через гидролиз АТФ.

Деградация белка

Если третичная структура белков не может быть восстановлена, они разрушаются клеткой. Протеазы ответственны за деградацию, делятся на эндо- и экзопептидазы.

Типы аутофагии

• Микроаутофагия
• Макроаутофагия
• Шаперон-зависимая аутофагия

JUNQ и IPOD

JUNQ и IPOD различают клетки по степени образования белков.

Образование пептидной связи

При образовании белка взаимодействие аминокислот формирует пептидные связи. Концы белка называют N и C, в зависимости от группы аминокислоты. В процессе синтеза белка первым остатком является метионин.

Уровни структурной организации белков:

1. Первичная
2. Вторичная
3. Третичная
4. Четвертичная

Пример выравнивания аминокислотных последовательностей белков (гемоглобинов) из разных организмов

Первичная структура

Первичная структура — последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Первичную структуру белка, как правило, описывают, используя однобуквенные или трёхбуквенные обозначения для аминокислотных остатков. Первичную структуру белка можно определить методами секвенирования белков или по первичной структуре его мРНК, используя таблицу генетического кода.

Третичная структура

Третичная структура — пространственное строение полипептидной цепи. Структурно состоит из элементов вторичной структуры, стабилизированных различными типами взаимодействий, в которых гидрофобные взаимодействия играют важнейшую роль. Для определения пространственной структуры белка применяют методы рентгеноструктурного анализа, ядерного магнитного резонанса и некоторые виды микроскопии.

Четвертичная структура

Четвертичная структура (или субъединичная, доменная) — взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса. Белковые молекулы, входящие в состав белка с четвертичной структурой, образуются на рибосомах по отдельности и лишь после окончания синтеза образуют общую надмолекулярную структуру. Надмолекулярные белковые комплексы могут состоять из десятков молекул.

Классификация по типу строения

По общему типу строения белки можно разбить на три группы:

1. Простые и сложные белки

Строение белковой молекулы

Простые и сложные белки

В стабилизации четвертичной структуры принимают участие те же типы взаимодействий, что и в стабилизации третичной.

Белки представляют полипептиды, молекулярная масса которых превышает 6000-10000 Да. Белки обладают хорошо развитой трехмерной пространственной структурой, которая стабилизируется различного рода взаимодействиями – сильными и слабыми. Различают четыре уровня структурной организации белковых молекул: первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры.

Первичная структура белка. Первичная структура белка представляет собой последовательность аминокислотных остатков, соединенных друг с другом пептидными связями в полипептидную цепочку.

Основу первичной структуры белковой молекулы образует регулярно повторяющийся пептидный остов –NH-CH-CO-, а боковые радикалы остатков составляют ее вариабельную часть. Первичная структура белка прочная.

Вторичная структура белка. Вторичная структура белка представляет собой сочетание упорядоченных и аморфных участков полипептидной цепи. Она определяется свойствами первичной структуры белковой молекулы.

Для вторичной структуры белковой молекулы наиболее характерны два типа упорядоченных участков: α-спираль и β-структура. α-Спираль и β-структура образуются за счет поворотов или изгибов пептидных групп вокруг α-углеродных атомов и стабилизируются за счет водородных связей. При образовании вторичной структуры белковой молекулы водородные связи возникают между атомами пептидных групп.

При свертывании полипептидной цепи в α-спираль водородные связи возникают между ее соседними витками. При этом пептидные группы соединяются между собой через четыре аминокислотных остатка. α-Спираль является правозакрученной (по часовой стрелке).

Однако полипептидные цепочки сворачиваются в α-спираль не на всем своем протяжении (степень спирализации гемоглобина – 75 %, альбумина куриного яйца – 45 %). Ряд протеиногенных аминокислот обладает радикалами довольно больших размеров, это затрудняет участие аминокислотных остатков в образовании α-спирали. Такие остатки активно участвуют в формировании не спиральной, а зигзагообразной структуры, в которой отдельные вытянутые участки полипептидной цепи уложены параллельно друг другу – β-структуры (структура складчатого слоя).

При этом остов полипептидной цепи в β-структуре не лежит в одной плоскости, а за счет изгибов при α-углеродных атомах образует складки. Поэтому, если α-спираль имеет стержневую форму, то β-структура – форму складчатого листа. Содержание β-структуры в различных белках колеблется в широких пределах (в инсулине – 24 %, в лизоциме – 16 %).

Некоторые участки полипептидных цепочек не имеют какой-либо упорядоченной структуры и представляют собой беспорядочные клубки, состоящие из «случайных» поворотов и изгибов – аморфные участки.

В зависимости от присутствия в полипептидной цепи тех или иных элементов вторичной структуры и их сочетаний белки разделяются на несколько типов:

– α-спиральные белки, вторичная структура, которых построена главным образом из α-спиралей (гемоглобин);

– β-белки, вторичная структура, которых образована в основном складчатыми слоями (иммуноглобулины, фермент пепсин);

– α/β-белки, вторичная структура, которых представляет чередование α-спиралей и тяжей β-структуры (фермент триозофосфатизомераза);

– (α+β)-белки, вторичная структура, которых образована путем группировки α-спиралей и тяжей β-структуры, в результате чего одна часть молекулы таких белков состоит из α-спиралей, а другая – из складчатых слоев (лизоцим куриного яйца).

Третичная структура белка. Третичная структура белка образуется в результате специфической укладки упорядоченных и аморфных участков полипептидной цепи в некотором объеме пространства. Она поддерживается за счет сильных и слабых взаимодействий, возникающих между боковыми радикалами остатков аминокислот, и обуславливает форму белковой молекулы. К сильным взаимодействиям относится дисульфидная связь, к слабым – водородная и ионная связи, а также гидрофобные взаимодействия.

При растворении белка в воде, чтобы избежать контакта с водным окружением, неполярные радикалы остатков аминокислот стремятся собраться вместе внутри белковой молекулы, в результате чего белок сворачивается в компактное тело – глобулу (шарик), внутри которой образуется сухое гидрофобное ядро.

У белков, у которых молекулярная масса превышает 14 000 Да, могут формироваться два независимых гидрофобных ядра и более. Так в белковой глобуле возникают структурно обособленные части – домены (области).

На поверхности глобулы располагаются гидрофильные радикалы аминокислотных остатков, которые взаимодействуют с молекулами воды, устанавливая с ними многочисленные водородные связи. Таким образом, белковая глобула окружена гидратной оболочкой.

Благодаря множеству межрадикальных взаимодействий отдельные участки белковой молекулы оказываются пространственно сближенными и зафиксированными относительно друг друга. В ходе образования третичной структуры белка формируется его активный центр. В результате белок приобретает способность выполнять свою биологическую функцию.

Процесс формирования пространственной структуры белка называют фолдингом (сворачивание) белка. Важную роль в фолдинге белков играют специфические белки, названные шаперонами и шаперонинами.

Шапероны построены достаточно просто. Они состоят из одной или двух полипептидных цепей. За счет гидрофобных взаимодействий эти белки фиксируют сходящую с рибосомы полипептидную цепь, в результате чего она теряет необходимую для сворачивания подвижность и удерживается в развернутом состоянии. От шаперона полипептидная цепь поступает к шаперонину – другому белку, обеспечивающему оптимальные условия для ее сворачивания.

Четвертичная структура белка. Пространственная организация возникающих ансамблей глобул определяет четвертичную структуру белковой молекулы. Таким образом, белки, обладающие четвертичной структурой (m ≥ 50000 Да), состоят из нескольких полипептидных цепей, сформировавших вторичную и третичную структуры.

Глобулы, составляющие белковую молекулу, обладающую четвертичной структурой, называют субъединицами. На каждой субъединице располагается активный центр. Определенным образом, располагаясь в пространстве, относительно друг друга, субъединицы образуют ансамбли, называемые олигомерными (или мультимерными) комплексами.

Четвертичная структура представляет собой способ совместной укладки и упаковки субъединиц, вследствие чего образуются функционально активные центры белка, обуславливающие его биологическую активность. Каждая субъединица в отдельности биологической активностью не обладает.

Субъединицы удерживаются вместе главным образом за счет слабых взаимодействий. Большую роль в становлении четвертичной структуры белков играют гидрофобные взаимодействия, меньшую – водородные связи. Ионные связи тоже участвуют в образовании четвертичной структуры, иногда в стабилизации четвертичной структуры принимают участие дисульфидные связи.

Соединение субъединиц друг с другом с образованием олигомерного комплекса происходит при взаимодействии строго определенных участков их поверхностей, называемых контактными. Контактирующие участки субъединиц комплементарны (дополняют) друг другу; они характеризуются пространственным и химическим соответствием расположенных на них химических групп.

Специфическая пространственная структура (конформация), в которой белковые молекулы, находящиеся в природных физиологических условиях, обладают биологической активностью, называется нативной (врожденной).

По химическому строению все ферменты можно разделить на две группы: однокомпонентные (простые) и двухкомпонентные (сложные). Однокомпонентные ферменты состоят целиком из белка. Двухкомпонентные ферменты состоят из двух частей: белка (апофермента) и небелковой части (кофермент/кофактор или простетическая группа). По отдельности каждая часть из частей двухкомпонентного фермента не обладает каталитической активностью.

В состав коферментов могут входить органические вещества (витамины, нуклеотиды), в состав кофакторов могут входить неорганические вещества – ионы металлов (медь, цинк, железо и др.). Коферменты играют роль активного центра двухкомпонентных ферментов.

Для дополнительного чтения

Аминокислоты, которые не могут быть синтезированы животными, называются незаменимыми. Основные ферменты в биосинтетических путях, например, аспартаткиназа, которая катализирует первый этап в образовании лизина, метионина и треонина из аспартата, отсутствуют у животных.

Единых норм потребления белков человеком нет. Микрофлора толстого кишечника синтезирует аминокислоты, которые не учитываются при составлении белковых норм.

Группа природных растительных белков, обладающих сладким вкусом. Выделяются преимущественно из семян и плодов тропических растений, произрастающих в Африке и Азии.

Сладкие белки в 100-3000 раз слаще обычного сахара (сахароза) в пересчете на массу, при этом отличаются небольшой калорийностью. На текущий момент идентифицированы семь белков сладкого вкуса, включая тауматин I и II (Ivengar, 1979), браззеин (Ming, D., Hellekant, G., 1994), мабинлин (Hu, Z., Min, H., 1983), монеллин (Inglett, G. E., May, J. F., 1969), куркулин (Yamashita H., 1990), пентадин (Morris JA, 1972), лизоцим (Maehashi, K., Udaka, S., 1998) и один белок, модифицирующий сладкий вкус — миракулин (Theerasilp S, Kurihara, 1988). За исключением лизоцима, который получают из яичного белка, остальные белки выделяют из тропических растений.

Сравнение химического и ферментативного катализа

Реакции, протекающие в живых организмах, подчиняются общим законам химии, однако отличаются высокой специфичностью и отсутствием побочных продуктов. Эта особенность определяется свойствами белковых посредников биохимических реакций – ферментов, выполняющих роль катализаторов. Для понимания роли ферментов как биологических катализаторов необходимо остановиться на некоторых общих особенностях катализируемых химических реакций.

Каждая химическая реакция характеризуется энергией активации, т.е. свободной энергией, которую нужно придать реагирующим молекулам, чтобы произошло химическое превращение (при столкновении молекул с недостаточной свободной энергией химическая реакция не происходит). Таким образом, энергия активации – это энергетический барьер, который нужно преодолеть, чтобы произошла реакция.

В процессе химических реакций молекулы вступают в так называемое переходное состояние, характеризующееся менее устойчивой структурой и наиболее свободной энергией. Катализаторы снижают свободную энергию переходного состояния и, стабилизируя его, облегчают реакции. Катализатор вступает во взаимодействие с реагирующими веществами и направляет реакцию по новому пути с низкой энергией активации.

Катализатором называется вещество, ускоряющее химическую реакцию, но само в этой реакции не расходуется. Функция катализатора состоит в том, что он реагирует с исходными веществами, образуя промежуточное соединение (новое переходное состояние), которое подвергается дальнейшему превращению с пониженной энергией активации. В результате образуются продукты реакции и регенерируется катализатор.

Катализатор ускоряет достижение равновесия в химической реакции, но не изменяет положения (т.е. соотношения субстрата и продуктов). Присутствие катализатора не вызывает термодинамически невозможной реакции и не влияет на выход продуктов, поскольку катализатор не взаимодействует с продуктами реакции.

Константа равновесия реакции (Kр) не зависит от присутствия катализатора. Соблюдается принцип микроскопической обратимости, т.е. механизм обратной реакции должен быть строго обратным механизму прямой реакции. В отношении ферментов это означает, что прямая и обратная реакции должны протекать в одном и том же активном центре фермента. Соответственно один и тот же фермент в зависимости от условий может участвовать и в расщеплении, и в синтезе веществ.

Механизмы химического и ферментативного катализа принципиально не различаются. Однако при нормальных «физиологических» условиях (рН и температуре (оптимум 30-40 °С)) в водных растворах ферменты значительно более эффективны (сильнее снижают свободную энергию переходного состояния), чем обычные химические катализаторы. В связи с этим ферменты в десятки и сотни тысяч раз превосходят силу действия небиологических катализаторов.

Ферменты, как правило, катализируют только один из возможных путей превращения субстратов, тогда как в ходе обычных химических реакций образуется смесь продуктов (высокая специфичность действия).

Абсолютная субстратная специфичность, т.е. воздействие на один-единственный субстрат встречается редко (каталаза, уреаза). Большинство ферментов проявляют относительную (групповую) субстратную специфичность, они воздействуют на группу субстратов, имеющих однотипное химическое строение.

Ферменты обладают чрезвычайно высокой стереоспецифичностью, различая, например, оптические изомеры и даже изотопы одного и того же элемента. Это связано с особенностями структуры активных центров ферментов и конформационной «гибкостью» их молекул. Стереохимическая специфичность может быть как абсолютной, так и относительной.

Рассмотрим, насколько велика специфичность действия ферментов на примерах:

Функции белков в организме

Также как и другие биологические макромолекулы (полисахариды, липиды и нуклеиновые кислоты), белки являются необходимыми компонентами всех живых организмов и играют важную роль в жизнедеятельности клетки. Белки осуществляют процессы обмена веществ. Они входят в состав внутриклеточных структур — органелл и цитоскелета, секретируются во внеклеточное пространство, где могут выступать в качестве сигнала, передаваемого между клетками, участвовать в гидролизе пищи и образовании межклеточного вещества.

Молекулярная модель фермента-уреазы бактерии Helicobacter pylori

Fab-фрагмент мышиного антитела в комплексе с антигеном (вверху)

Существует несколько видов защитных функций белков:

Важнейшую роль в регуляции внутриклеточных процессов играют протеинкиназы и протеинфосфатазы — ферменты, которые активируют или подавляют активность других белков путём присоединения к ним или отщепления фосфатных групп.

Сигнальная функция белков — способность белков служить сигнальными веществами, передавая сигналы между клетками, тканями, о́рганами и организмами. Часто сигнальную функцию объединяют с регуляторной, так как многие внутриклеточные регуляторные белки тоже осуществляют передачу сигналов.

Сигнальную функцию выполняют белки-гормоны, цитокины, факторы роста и др.

Гормоны переносятся кровью. Большинство гормонов животных — это белки или пептиды. Связывание гормона с его рецептором является сигналом, запускающим ответную реакцию клетки. Гормоны регулируют концентрации веществ в крови и клетках, рост, размножение и другие процессы. Примером таких белков служит инсулин, который регулирует концентрацию глюкозы в крови.

Клетки взаимодействуют друг с другом с помощью сигнальных белков, передаваемых через межклеточное вещество. К таким белкам относятся, например, цитокины и факторы роста.

Молекулярная модель кальциевого канала, вид сверху

Запасная (резервная) функция

Схема трансмембранного рецептора: E — внеклеточное пространство; P — клеточная мембрана; I — внутриклеточное пространство

Моторная (двигательная) функция

Миозин — моторный белок