Основы биохимии
|
|
Скачать 1.41 Mb.
|
|
Рис 2.6. Схема денатурации белка Nchcooh h Глава 3. нуклеиновые кислоты Cор=o н атацг татгц татгц атацг Глава 4. ферменты |
|
^
А - нативная молекула Б- беспорядочный клубок Денатурация белковых молекул сопровождается потерей ими биологической активности (способности выполнять свойственную функцию) и изменением многих физико-химических свойств: уменьшением (и даже потерей) растворимости, способности кристаллизоваться, водопоглотительной способности и способности к набуханию, смещением изоэлектрической точки и константы седиментации, повышением вязкости, увеличением поглощения света в ультрафиолетовой области и др. Из химических соединений денатурацию вызывают кислоты и щелочи (при рН ниже 3 и выше 10-11), этанол и ацетон при продолжительном воздействии, мочевина, гуанидинхлорид, ионы тяжелых металлов, йода, тиоцианата, поверхностно-активные вещества (додецилсульфат), дубильные вещества (танин) и др. Из физических факторов денатурацию вызывают сильное перемешивание или встряхивание. высокое давление - 500-1000 Мпа, высушивание, нагревание, активное вспенивание растворов белка, ультрафиолетовое, рентгеновское и радиактивное облучение, обработка ультразвуком и др. Наиболее распространенным фактором денатурации является нагревание. Этот прием широко используют в пищевой промышленности. Важное значение при тепловой денатурации белка имеет вода. Например, в водн ых растворах белки денатурируют при нагревании выше 50-60ОС; обезвоженный белок не денатурирует при нагревании до 100ОС. При переработке сырья животного и растительного происхождения в продукт в одних случаях необходимо создать условия, способствующие денатурации белков, в других - предотвратить этот процесс. Денатурация белков имеет важное значение при изготовлении консервов, выделке кожи и меха, выпечке хлеба и кондитерских изделий, при сушке макарон и овощей, приготовлении пищи и т.п. П ри получении биологически активных препаратов ( ферментов, гормонов и т.п.) процесс денатурации необходимо предотвратить. Денатурация в большинстве случаев - процесс необратимый, однако известны случаи обратимой денатурации белков, называемой р е н а т у р а ц и е й. 2.4.6. Химические реакции, характерные для белков. Оптические свойства белков Для белков наиболее характерны - цветные реакции и реакции осаждения. Из цветных реакций важнейшими являются биуретовая, нингидриновая, ксантопротеиновая и некоторые другие. Биуретовая реакция обусловлена наличием пептидных связей, образущих в щелочной среде с ионами двухвалентной меди комплекс, окрашенный в фиолетовый или красно-фиолетовый цвет. Нингидриновая реакция обусловлена наличием в белках аминных групп, образующих при нагревании с нингидрином соединение, окрашенное в сине-фиолетовый цвет. Ксантопротеиновая реакция заключается в том, что при нагревании раствора белка с концентрированной азотной кислотой появляется желтое окрашивание, обусловленное наличием в молекуле белка радикалов аминокислот, содержащих бензольное кольцо. Из реакций осаждения часто пользуются получением осадка при действии на раствор белка так называемых белковых осадителей: растворов трихлоруксусной и сульфосалициловой кислот, таннина, ацетата свинца, вольфрамата натрия, гидроксида меди. Белки можно осадить при нагревании их нейтральных или слабокислых растворов. Наиболее полно цветные реакции на белки и реакции осаждения белков изложены в руководствах к лабораторным занятиям по биохимсии. Растворы белков обладают способностью поглощать ультрафиолетовый свет (УФ-свет) в трех областях: вблизи 190, при 210-250 и более 250 нм. Поглощение УФ-света при длинах волн более 250нм с максимумом при 280нм обусловлено радикалами триптофана, тирозина и, в меньшей степени, фенилаланина. Это свойство белков используют для их количественного определения методом с п е к т р о- ф о т о м е т р и и. Поскольку число остатков ароматических аминокислот в одной и той же массе разных белков варьирует в широких пределах, метод не является точным. При работе с белками условно принимают, что одна единица оптической плотности при 280 нм соответствует массовой концентрации белка, равной приблизительно 1мг/мл ( при толщине слоя жидкости 1 см). На основании этого делают расчет. Метод прост и быстр в исполнении, поэтому, несмотря на недостаточную точность его широко применяют при работе с индивидуальными белками. 2.5. Номенклатура и классификация белков К настоящему времени из животных и растительных организмов выделено большое количество самых разнообразных белков, что требует создания определнной системы в их номенклатуре и классификации. Названия белкам дают по различным признакам: латинскому названию объекта, из которого выделен белок, химическому составу белка, выполняемой функции и т.п. Например, название авидин - белок яиц - происходит от латинского слова avis -птица; оризин - белок риса - от oryza - рис; авенин - белок овса - от avena - овес; гордеин - белок ячменя - от hоrdeum - ячмень и т.д. На основании химического состава и функций названы: ферритин - белок тканей животных и зеленых растений, содержащий железо; трансферрин - белок животных тканей, участвующий в транспорте железа; церулоплазмин - белок крови, содержащий медь и участвующий в ее обмене и др. В основу классификации белков положено несколько подходов, а именно различие в форме их молекул, различие в функциях, различие в структуре, различие в химическом составе. В зависимости от формы молекул белки делят на глобулярные (шаровидные) и фибриллярные (нитевидные). Г л о б у л я р н ы е белки характеризуются тем, что их молекулы, называемые глобулами, по своей форме приближаются к шару или эллипсоиду вращения. Отношение длинной оси к короткой (степень асимметрии) в молекулах этих белков наиболее часто колеблется в пределах от 3 до 6 (1 бывает редко). В некоторых случаях степень асимметрии может достигать 11 - 20 и даже более. В общем, одни из глобулярных белков могут иметь шарообразную форму, другие - форму сигары, третьи - форму эллипсоида вращения. Для глобулярных белков наиболее типична третичная структура, они растворимы в воде и разбавленных растворах нейтральных солей. К этой группе белков относятся все фементы и, за исключением структурных, большинство других белков животных и растительных организмов. Ф и б р и л л я р н ы е белки - ус тойчивые, нерастворимые в воде и разбавленных растворах нейтральных солей, вещества. Для этих белков наиболее характерной является вторичная структура; третичная почти или полностью не выражена. Полипептидные цепи, располагаясь параллельно друг другу вдоль одной оси, образуют длинные волокна (фибриллы) или слои. Отношение длинной оси к короткой в молекулах этих белков составляет несколько десятков, сотен и даже тысяч единиц. Фибриллярные белки являются основными элементами сухожилий, костей, хрящей, волос, перьев, рогов, паутины и т.п. В соответствии с биологическими функциями можно выделить следующие группы белков: ферменты, транспортные белки, пищевые и запасные белки, сократительные и двигательные белки, структурные белки, защитные белки, регуляторные белки. В зависимости от химического состава все белковые вещества разделили на две группы: п р о с т ы е белки и с л о ж н ы е белки. Простые белки построены из аминокислот. Сложные белки состоят из какого-либо простого белка и небелкового компонента, называемого простетической группой. Каждая из этих групп белков подразделяется на ряд подгрупп. 2.5.1. Простые белки На основании условно выработанных критериев (растворимость, аминокислотный состав, осаждаемость и др.) простые белки делят на следующие группы: протамины, гистоны, альбумины, глобулины, проламины, глютелины, протеиноиды. П р о т а м и н ы (простейшие белки). Это относительно небольшие белки с молекулярной массой до 10 000. В составе молекулы этих белков содержится до 85% аминокислот с положительно заряженными радикалами (обычно аргинин) и ограниченный набор (6 - 8) других аминокислот, что обусловливает их основные свойства. Протамины растворимы в слабых растворах кислот, не осаждаются при кипячении, имеют изоэлектричекую точку при рН 10 -12, входят в состав белков нуклеопротеинов, не содержат триптофан и серу. Г и с т о н ы. Представляют собой основные белки с молекулярной массой от 12000 до 20000, содержащие в составе молекулы 20-30% аминокислот с положительно заряженными радикалами (обычно аргинин и лизин). Гистоны не содержат триптофана, растворимы в разбавленных кислотах (0,2М HСl ), осаждаются аммиаком и этанолом, имеют изоэлектрическую точку при рН 8,5. Гистоны содержатся главным образом в ядрах клеток животных и растений, где играют важную роль в структуре хроматина (нитевидного комплекса ДНК, гистонов и др. белков). А л ь б у м и н ы относятся к белкам, широко распространенным в животных и растителтных организмах. Содержатся эти белки в сы-воротке крови, белке яиц, мышцах, молоке, семенах, листьях, стеблях и корнях растений. Альбумины растворяются в воде, из водных растворов высаливаются сульфатом аммония при полном насыщении, при кипя-чении выпадают в осадок в виде сгустков денатурированного белка. Г л о б у л и н ы - белки, нерастворимые в воде, но растворимые в разбавленных растворах нейтральных солей (4-10%); осаждаются из раствора при полунасыщении сульфатом аммония,а также при полном удалении солей, например посредством диализа. Представителями этой группы белков являются глобулины сыворотки крови, глобулины молока, яичный глобулин, легумин семян гороха, фазеолин семян фасоли, эдестин семян конопли и др. В животных организмах глобулины выполняют защитную , транспортную и некоторые другие функции; в семенах растений они являются в основном запасными белками, но среди них имеются белки, выполняющие каталитические функции. П р о л а м и н ы - группа хорошо растворимых в 60-80% водном растворе этанола белков. Они являются растительными белками, характерны исключительно для семян злаковых, в животном мире не встречаются. Проламины входят в состав клейковины - белкового сгустка, обеспечивающего упругость и элластичность теста. Г л ю т е л и н ы хорошо растворяются в слабых растворах щелочей (0,1-0,2%), но не растворимы в воде, растворах этанола и нейтральных солей. Эта группа белков, содержится в семенах злаков и других культур, а также в зеленых частях растений. Глютелины вместе с проламинами входят в состав клейковины. Глютелины содержат до 45% глутаминовой кислоты. П р о т е и н о и д ы (склеропротеины). Характерной особенностью протеиноидов является полная нерастворимость в воде, растворах нейтральных солей, разведенных кислотах и щелочах. Протеиноиды относятся к фибриллярным белкам. Эти белки входят в состав кожи, сухожилий, костей, хрящей (коллаген), волос, рогов, копыт, перьев (кератин), паутины и шелковой нити (фиброин). Кератины содержат до 3% серы. 2.5.2. Сложные белки В состав сложных белков входит белковая часть и какая-либо небелковая (простетическая) группа. В зависимости от химической природы простетической группы различают: хромопротеины, фосфопротеины, липопротеины, гликопротеины, металлопротеины, нуклеопротеины. Х р о м о п р о т е и н ы состоят из простого белка, связанного с каким-либо окрашенным соединением небелкового характера. Эти белки обладают высокой биологической активностью. Одни из них участвуют в окислительно-восстановительных реакциях, другие - в процессе фотосинтеза, третьи - в переносе кислорода и диоксида углерода и т.д. Окрашенными небелковыми компонентами хромопротеинов могут быть производные каротина, изоаллоксазина, порфиринов и др. Хорошо изученным представителем хромопротеинов является г е м о г л о б и н - белок, играющий важную роль в дыхательной функции крови теплокровных (транспорт кислорода и диоксида углерода). Молекула гемоглобина состоит из белка глобина и небелковой группы гема. Видовая специфичность гемоглобина человека и животного обусловлена глобином; гем у всех гемоглобинов имеет одинаковое строение.  В основе химической структуры гема лежит протопорфирин IX (1,3,5,8-тетраметил-2,4-дивинил-6,7-дипропионовокислый порфирин), представляющий собой производное порфирина - ароматического макроцикла, состоящего из пиррольных колец, соединенных метиновыми группами (СН ). Протопорфирин IX, соединенный с двухвалентным железом, является гемом. Приводим формулы каждого из этих соединений. Гемоглобин обладает очень интересной и биологически важной особенностью. Он легко соединяется не только с кислородом, но и с СО, NO и другими газами. При воздействии окислителей к железу гемоглобина присоединяется группа ОН и оно становится трехвалентным. М и о г л о б и н - относительно небольшой глобулярный, кислород-связывающий, белок (мол. масса 16700) мышечных клеток. Его молекула состоит из одной полипептидной цепи, содержащей 153 аминокислотных остатка с установленной последовательностью и одного гема. Ф о с ф о п р о т е и н ы - белки, содержащие в своем составе ортофосфорную кислоту, присоединенную сложноэфирной связью к остаткам серина, реже треонина. Фосфопротеины играют важную роль в питании как зародышей животных, так и молодого, растущего животного организма. Важными представителями этой группы белков являются казеин - главный белок молока, вителлин и фосфовитин - белки яичного желтка, ихтулин, выделенный из икры рыб и некоторые другие.  OH ОН OP=O OH СН2 + Н3РО4 СН2 H2^ 2NCHCOOH Фосфосерин (серин- Cерин фосфорная кислота) Л и п о п р о т е и н ы - это сединения, состоящие из липидов и специфических белков, связанных между собой посредством гидро-фобных и электростатических взаимодействий. Из липидов в составе липопротеинов обнаружены ацилглицерины, жирные кислоты, фосфолипиды, холестерин и его эфиры. Среди липопротеинов различают структурные (нерастворимые) и свободные (растворимые в воде). Структурные липопротеины входят в состав мембран клетки и ее структурных образований,оболочки нервных волокон и жировых шариков молока, пластид растительной клетки (хлоропластов) и др. Структурные липопротеины обеспечивают проницаемость мембран. Свободные липопротеины содержатся в плазме крови, молоке, желтке яиц и др. Они занимают ключевое место в транспорте и обмене липидов. Наиболее изученными являются липопротеины крови. Г л и к о п р о т е и н ы - белки, содержащие в качестве небелковой группы углеводы и их производные (галактозу, маннозу, аминосахара, олигосахариды, гетерополисахариды и др.) Углеводный и белковый компоненты в гликопротеинах соединены О или Nгликозидными связями. В образовании Огликозидных связей между углеводным компонентом и белком участвуют остатки серина, треонина, гидроксилизина и гидроксипролина. В образовании Nгликозидной углевод-белковой связи могут участвовать глюкозамины (или N-ацетилглюкозамины) и амидная группа аспарагина пептидной цепи. Углеводная часть в молекуле гликопротеина может составлять менее 1%, а может достигать 30% и более. М е т а л л о п р о т е и н ы - сложные белки, в состав которых входят ионы какого-либо одного или нескольких металлов, соединенные с белковой частью посредством комплексной связи. Ионы металлов в металлопротеинах можно отделить от белка только при энергичном воздействии. К металлопротеинам относятся ф е р р и т и н, содержащий железо, ц е р у л о п л а з м и н и п о л и ф е н о л о к с и д а з а, содержащие медь, а м и л а з а, содержащая кальций и др. Некоторые металлопротеины, особенно из группы ферментов, содержат в качестве простетической группы несколько различных веществ. Так, например, в сукцинатдегидрогеназе, наряду с производным флавина, содержится железо, ксантиноксидаза содержит производное флавина и молибден, алкогольдегидрогеназа - производные пиридина и цинк и т.д. Н у к л е о п р о т е и н ы - это комплексы нуклеиновых кислот с белками. Они содержатся в каждой клетке и выполняют важнейшие специфические функции, связанные с хранением и реализацией генетической информации. Белковой составляющей нуклеопротеинов могут быть гистоны, протамины и так называемые негистоновые белки. Природа негистоновых белков пока не выяснена. Из нуклеиновых кислот в состав нуклеопротеинов входят дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) или рибонуклеиновая кислота (РНК). Нуклеопротеины, содержащие ДНК называют дезоксирибонуклео-протеинами (ДНП), а содержащие РНК - рибонуклеопротеинами (РНП). К нуклеопротеинам относят вирусы - паразиты, способные проникать в клетку специфического хозяина и , размножаясь, вызывать заболевание. Вирусы в виде чистых препаратов (вне клетки хозяина) не способны к самовоспроизведению. ^ Нуклеиновым кислотам, как и белкам, принадлежит ведущая роль в явлениях жизни. Они являются генетическим материалом всех живых организмов и вирусов. 3.1. Химический состав нуклеиновых кислот При нагревании с хлорной кислотой нуклеиновые кислоты распадаются на следующие типы веществ: пуриновые и пиримидиновые азотистые основания, пентозы и ортофосфорную кислоту. Из пентоз в нуклеиновых кислотах обнаружены р и б о з а и д е з о к с и р и б о з а. В составе нуклеиновых кислот оба сахара находятся в -D-рибофуранозной форме: 5 5     ОН О СН2ОН ОН О СН2ОН   1 4 1 4 Н Н Н Н      Н 2 3 Н Н 2 3 Н ОН НО Н ОН -D- Рибоза -D-2 Дезоксирибоза Нуклеиновые кислоты, в зависимости от химической природы входящего в их состав сахара, делят на два типа: р и б о н у к л е и н о в ы е (РНК), содержащие рибозу, и д е з о к с и р и б о н у к л е и н о в ы е (ДНК), содержащие дезоксирибозу. Пуриновые азотистые основания нуклеиновых кислот являются производными п у р и н а, молекула которого состоит из двух конденсированных колец: пиримидина и имидазола: - а д е н и н (А) и г у а н и н (Г): NH2 O          6 N N N  N1 5 7 N NH   8    2 4 9 3 N N NN N H2N N H H H Пурин Аденин (А) Гуанин (Г) Пиримидиновые азотистые основания являются производными п и р и м и д и н а. Из пиримидиновых оснований в составе нуклеиновых кислот постоянно обнаруживают ц и т о з и н (Ц), у р а ц и л (У), т и м и н (Т): NH2 О O  4   N3 5 N CH3  NH NH  2 6 1 O N O N O NN H H H Пиримидин Цитозин (Ц) Урацил (У) Тимин (Т) Нуклеиновые кислоты отличаются друг от друга составом азотистых оснований. В состав ДНК входят аденин, гуанин, цитозин, тимин; в состав РНК - аденин, гуанин, цитозин, урацил. Входящая в состав нуклеиновых кислот ф о с ф о р н а я кислота, придает им свойства кислот. 3.2. Стуктурные компоненты нуклеиновых кислот. Полинуклеотиды Структурными компонентами нкулеиновых кислот являются нуклеотиды или мононуклеотиды. Нуклеотиды состоят из трех компонентов: пуринового или пиримидинового основания, пентозы (рибозы или дезоксирибозы) и фосфорной кислоты. Сахар в нуклеотидах занимает среднее положение. При отщеплении от нуклеотида остатка фосфорной кислоты остается еще более простое соединение - н у к л е о з и д. Примеры химического строения нуклетидов и нуклезидов приведены ниже. Нуклеотиды, содержащие рибозу, называют общим словом рибонуклеотиды, а содержащие дезоксирибозу - дезоксирибонуклеотиды. Названия отдельных нуклеозидов и нуклеотидов с указанием входящих в них азотистых оснований приведены в табл. 3.1. Следует отметить, что в названии нуклеотидов используют два подхода: их рассматривают как кислоты (например, адениловая кислота и др.) или как фосфорные эфиры (например, аденозинмонофосфат и др.). В таблице приведены названия нуклеозидов и нуклеотидов, содержащих рибозу. В названии рибозных производных тимина часто употребляют приставку “рибо”: риботимидин, риботимидиловая Т  аблица 3.1 Номенклатура нуклеозидов и нуклеотидов
кислота (риботимидинмонофосфат). Если в состав нуклеозида или нуклеотида входит дезоксирибоза, то перед полным названием каждого из них ставится приставка “дезокси”, а перед сокращенным названием - строчная буква “д”, например, дезоксиаденозин, дезоксиадениловая кислота (дезоксиаденозинмонофосфат, дАМФ). Приводим примеры химического строения нуклеозидов и нуклеотидов, содержащих аденин и цитозин: NH2 NH2     6 N 4N 1 5 7 N 3 52 4 8 2 63 9 O= 1     N N O 5 N O 5CH2 OH CH2 OH 1 H H 4 1 H H 4 H 2 3 H H 2 3 HOH OH OH OH Аденозин Цитидин NH2 NH2  6 N 4N 1 5 7 N 3 52 4 8 2 63 9 ОН O= 1 ОНN N O 5 N O 5   Н2^ 2CОР=O1 H H 4 1 H H 4 H 2 3 H ОН H 2 3 H ОНOH OH OH OH Адениловая кислота Цитидиловая кислота Остальные нуклеозиды и нуклеотиды, освобождающиеся при гидролизе нуклеиновых кислот, имеют аналогичное химическое строение. Для записи нуклеотидов и их компонентов существует схематическая символика (приводим одну из них):   Р   РНуклеотид Фосфат Пентоза Основание Нуклеиновые кислоты представляют собой п о л и н у к л е о т и д ы. Последовательно расположенные в молекулах нуклеиновых кислот нуклеотиды ковалентно соединены друг с другом при помощи фосфатных “мостиков”. Роль этих мостиков выполняет ф о с ф о д и э ф и р н а я связь между С-31 рибозы или дезоксирибозы одного нуклеотида и С-51 рибозы или дезоксирибозы соседнего нуклеотида (рис 3.1). Связь между нуклеотидами в нуклеиновых кислотах обозначют как 31 51 фосфодиэфирную связь. Рис. 3.1 Строение фрагмента нуклеиновой кислотыI - полусхематическая и II - схематическая форма записи; 1 и 2 - фосфодиэфирная связь; А, Г, Ц, - азотистые основания; у РНК R - есть группа ОН, а у ДНК R - Н.  Из строения фрагмента нуклеиновой кислоты видно, что на одном его конце при 51-углеродном атоме пентозы нуклеотид содержит остаток фосфорной кислоты, а на противоположном конце при 31-углеродном атоме пентозы - гидроксильную группу. Такие нуклеотидные остатки образуют 51 и 31-концы полинуклеотидных цепей в молекулах нуклеиновых кислот. 3.3. Строение и билогическая роль ДНК ДНК служит универсальным хранителем и источником наследственной информации, записанной в виде специальной последовательности нуклеотидов и определяющей свойства живого организма. Ее молекулярная масса колеблется от 107 до 109, а число нуклеотидных остатков в молекуле достигает нескольких сотен тысяч и даже миллионов. Как уже было сказано, из главных азотистых оснований в ДНК содержится аденин, гуанин, цитозин и тимин. Основная масса ДНК сосредоточена главным образом в ядрах клеток. Некоторое ее количество содержится в митохондриях и хлоропластах. ДНК ядра клеток животных и растений представляет собой не одну молекулу, а состоит из многих молекул, распределенных по разным хромосомам, число которых зависит от вида организма. На основании работ Э.Чаргаффа с сотрудниками и результатов рентгеноструктурного анализа М.Уилкинса и Р.Франклин, а также с учетом химических данных, полученных другими авторами, Д.Уотсон и Ф.Крик предложили в 1953 году модель стуктуры ДНК. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных вправо вокруг одной и той же оси образуя двойную спираль. В силу пространственного соответствия структур двух молекул соединяться водородными связями могут лишь аденин с тимином и наоборот, а также гуанин с цитозином и наоборот. Причем между аденином и тимином образуются две вородные связи, а между гуанином и цитозином – три (рис.3.2). Пространственное соответствие структур двух молекул (в случае ДНК пуринов и пиримидинов) получило в химии название к о м п л ем е н т а р н о с т и. Вследствие комплементарности нуклеотидная последовательность одной цепи ДНК однозначно определяет нуклеотидную последовательность другой цепи. Модель молекулы ДНК позволяет объяснить механизм передачи генетической информации, закодированной в ДНК, от одного поколения к другому. По этому механизму цепи ДНК разделяются и вдоль каждой из них синтезируется новая цепь, что дает в результате две новые молекулы ДНК, по одной на каждую из двух дочерних клеток (рис 3.4). Синтез дочерней молекулы двухцепочечной ДНК, идентичной родительской двухцепочечной ДНК получил название р е п л и к а ц и я. Р  ис. 3.2 Схематическое изображение струтуры молекулы ДНК 1.Малая борозда; 2.Большая борозда; 3.Углеводно-фосфатный остов; 4.Азотистые основания; 5.Водородные связи между азотистыми основаниями. Рис. 3.4 Схема репликации ДНК  АТАЦГ-: : : : :  ^ АТАЦГ  : : : : :ТАТГЦ  ^ : : : : : ТАТГЦ- У нуклеиновых кислот, как и у белков, различают первичную, вторичную и третичную структуры. 3.4. Строение и биологическая роль РНК Рибонуклеиновые кислоты представляют собой одноцепочечные молекулы разной длины. Последовательность нуклеотидов,т.е. первичная структура, различных РНК, содержащихся в клетке определяется последовательностью нуклеотидов в ДНК -матрице. РНК имеют также вторичную и третичную структуры. В зависимости от функций и местонахождения в клетке РНК делят на три основных типа: рибосомные (рРНК), информационные, или матричные (иРНК , или мРНК) и транспортные (тРНК). Р и б о с о м н ы е РНК (рРНК) составляют до 80-90% от всей РНК клетки. Они содержатся в рибосомах - внутриклеточных органеллах, принимающих участие в биосинтезе белка. М а т р и ч н ы е РНК (мРНК) составляют около 5% общей массы рибонуклеиновых кислот клетки. Их молекулярная масса колеблется в пределах 300 тыс - 2млн. Функция мРНКзаключается в переносе генетической информации, записанной в ДНК, на синтезируемый белок. Нуклеотидный состав мРНК подобен нуклеотидному составу одного из участков цепи ДНК, т.е. тройка оснований в ДНК (кодоген, или рождающий код) определяет соответствующую тройку оснований (кодон) в молекуле мРНК. Матричные РНК присутствуют в ядре (где они синтезируются) и в цитоплазме. Функции тРНК заключаются в доставке аминокислот к рибосомам, взаимодействии с мРНК и рибосомами в процессе биосинтеза белка. Для перноса каждой аминокислоты имеется своя собственная тРНК, а для некоторых из них известно несколько тРНК и общее число видов тРНК доходит до 60. Р  ис. 3.5. Структура тРНК типа клеверного листа 1,2 и 3 - основные петли; 4 - минорная петля; 5 - антикодон; 6 - водородные связи; 7 - акцептиру-ющий аминокислоту стебель Форма молекулы транспортных РНК укладывается в структуру, получившую название типа к л е в е р н о г о л и с т а (рис 3.5). 3.5.Свободные нуклеотиды и их производные. Динуклеотиды Нуклеотиды не только входят в состав нуклеиновых кислот,но также в значительных количествах содержатся в клетках в свободном состоянии. Нуклеотиды в своем составе могут содержать еще дополнительно один или два остатка фосфорной кислоты, т.е. встречаться в клетках в виде нуклеозид-51-дифосфатов (НДФ) и нуклеозид-51-трифосфатов (НТФ). В названии каждого из этих соединений учитываются входящие в его состав основание и пентоза.  O NH2 АМФ (аденозин- POH монофосфат)  N N  OH   5 O O   N N O H2 CO АДФ (аденозин- 1 POPOH дифосфат) H H H H OH OHOH OH O O O АТФ (аденозин- POPO POH трифосфат)  OH OH OHПриводим строение рибонуклеозидфосфатов на примере семейства аденозина. Знаком ““ в формулах НТФ и НДФ обозначены высокоэнергетические фосфатные связи (макроэргические связи). Для нормальной жизнедеятельности клетки важное значение имеют все НТФ, но среди них особое место занимает АТФ. Большая часть энергии. освобождающейся в процессе брожения, дыхания, фотосинтеза запасается в виде АТФ, который называют “биологически универсальной энергетической валютой”. АТФ во всех клетках выступает в качестве депо для хранения и переноса химической энергии (на молекулярном уровне). Он действует как связующее звено между процессами, производящими энергию и процессами, требующими затраты энергии. При этом его высокоэнергетические фосфатные группы непрерывно отщепляются и заменяются новыми. В клетках содержатся мононуклеиды не обнаруживаемые в нуклеиновых кислотах. Среди них можно назвать никотинамидмононуклеотид, флавинмононуклеотид и кофермент А (см. витамины). Они также имеют важное значение в обмене. Среди динуклеотидов, имеющих важное значение в обмене веществ, в клетках содержатся никотинамидадениндинуклеотид (НАД), никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ), флавинадениндинуклеотид (ФАД). Все они содержат в качестве одного нуклеотида АМФ, а другим нуклеотидом у НАД и НАДФ служит никотинамидмононуклеотид, у ФАД - флавинмононуклеотид. Во всех трех динуклеотидах мононуклеотидные единицы связаны между собой ангидридной связью; их фосфатные группы образуют 51, 51-пирофосфатный мостик. Напоминаем, что в нуклеиновых кислотах нуклеотиды связаны между собой 3151-фосфодиэфирной связью, Для примера приводим химическую формулу НАД: O NH2 CNH2 N NO O  + 5 5 N         N O H2C O P O P O CH2 O N H H H H ОН ОН H H H H OH OH OH OH            Никотинамидмононуклеотид Аденозинмонофосфат Строение и биологическая роль мононуклеотидов и динуклеотидов более подробно описаны в разделах ферменты и витамины. ^ 4.1.Общее понятие о ферментах. Иммобилизованные ферменты Ферменты, или энзимы - это биологические катализаторы, образующиеся и функционирующие во всех живых организмах. Из приведенных названий в литературе на русском языке принят термин “ферменты”, а процессы, происходящие с участием этих катализаторов - ферментативными. Вещество, превращение которого катализирует фермент, получило название с у б с т р а т. Ферменты являются важнейшими компонентами клетки, они тесным образом связаны с разнообразными процессами жизнедеятельности, их роль как биокатализаторов биохимических превращений подобна роли катализаторов в других химических реакциях. По определению И.П.Павлова “ферменты есть... первый акт жизнедеятельности... они... возбудители всех химических превращений... основной пункт, центр тяжести физиолого-химического знания”. Ферменты идеально приспособлены для работы в живой клетке, но после выделения из клетки они не теряют свои каталитические свойства. На этом основано практическое применение ферментов в химической, пищевой, легкой и фармацевтической промышленности. Принцип связывания ферментов с различными структурами клетки в настоящее время используют в биотехнологии. При этом ферменты прикрепляют (иммобилизуют) к поверхности какого-либо твердого носителя (целлюлоза и ее производные, полиакриламид, пористое стекло, нейлон, алюмосиликаты и др.), что позволяет не только сохранить их каталитические свойства, но и повысить стабильность. Такие ферменты получили название и м м о б и л и з о в а н н ы х. Иммобилизованные ферменты обладают рядом преимуществ по сравнению с природными предшественниками: во-первых, их можно легко отделить от реакционной среды и использовать повторно; во-вторых, процесс можно вести непрерывно (в проточных колоннах) и, изменяя скорость потока, регулировать скорость каталитической реакции и выход продукта. Иммобилизованные ферменты успешно используют для получения глюкозы из крахмала, получения глюко-фруктозного сиропа и в ряде других крупнотоннажных производств. 4.2. Химическая природа и строение ферментов. Активный центр ферментов Установлено, что все известные в настоящее время ферменты представляют собой белки. Ферменты обладают теми же физико-химическими свойствами, что и белки. Их молекулярная масса колеблется от десятков тысяч до нескольких миллионов. По форме молекул ферменты относятся к глобулярным белкам. Все ферменты подразделяют на две большие группы: о д н о к о м п о н е н т н ы е и д в у х к о м п о н е н т н ы е. К первой группе относят ферменты, состоящие только из белка, а ко второй - состоящие из белка и связанной с ним небелковой части (активная группа или кофактор). Белковая часть двухкомпонентного фермента носит название а п о ф е р м е н т, небелковая часть - п р о с т е т и ч е с к а я группа или кофермент, а молекула в целом - х о л о ф е р м е н т. Прочность связи между белковой и небелковой частями у различных ферментов различна. В связи с этим небелковую часть, сравнительно прочно связанную с апоферментом называют п р о с т е т и ч е с к а я группа, а небелковую часть, сравнительно легко удаляющуюся через полупроницаемую мембрану при диализе - к о ф е р м е н т. В качестве кофакторов двухкомпонентных ферментов может функционировать значительное число органических и неорганических веществ. Из органических соединений функцию кофакторов выполняют многие витамины, нуклеотиды (ФМН и др.), динуклеотиды (НАД, НАДФ, ФАД), железопорфирины (гем и гематин), липоевая кислота, и другие соединения. Из неорганических веществ функцию кофакторов выполняют ионы различных металлов: цинка, меди, железа, молибдена, никеля, марганца, магния, кальция и др. В одних ферментах металлы бывают довольно прочно связаны с белком и не отделяются от него в процессе очистки. В других ферментах металл непрочно связан с белком и легко отделяется от него в процессе очистки. А к т и в н ы й ц е н т р. Известно, что размеры ферментов намного превышают размеры субстратов или функциональных групп, на которые они действуют. Это дало основание предполагать, что субстрат соединяется не со всей молекулой фермента, а с отдельным его участком, получившим название “а к т и в н ы й ц е н т р”, т.е. та область фермента, в которой происходит связывание и превращение субстрата. Активный центр образуется радикалами аминокислотных остатков полипептидной цепи при формировании ее третичной структуры; у двухкопонентных ферментов в состав активного центра входят и некоторые группировки небелковой части. Достройка активного центра двухкомпонентных ферментов происходит после взаимодействия апофермента с небелковой частью. Нарушение третичной структуры фермента под влиянием различных факторов приводит к дефомации активного центра и изменению ферментативной активности. Наиболее часто в состав активных центров ферментов входят радикалы серина, гистидина, треонина, цистеина, аргинина, аспарагиновой и глутаминовой кислот. Активный центр функционально неоднороден; в нем условно выделяют “каталитически активный” участок, где происходит превра-щение субстрата (расщепление или синтез связи), и так называемый контактный или “якорный” участок, который обеспечивает связывание субстрата с ферментом. Р  ис 4.1 Модель молекулы фермента А - третичная структура молекулы; Б - силуэт молекулы с активным центром (в рамке). В молекуле фермента может присутствовать а л л о с т е р и ч е с к и й центр, представляющий собой участок молекулы, присоединение к которому определенных веществ приводит к изменению третичной структуры молекулы фермента. В результате этого происходит изменение конфигурации активного центра, сопровождающееся либо увеличением, либо снижением каталитической активности фермента. Это явление лежит в основе так называемой аллостерической регуляции активности ферментов. Ферменты, активность которых регулируется веществами, присоединяющимися к аллостерическому центру, получили название а л л о с т е р и ч е с к и х ферментов. 4.3 Механизм ферментативного катализа Химическая реакция имеет определенный “энергетический барьер” и может произойти только в том случае, если реагенты (реагирующие молекулы) обладают запасом энергии, достаточным для достижения ими вершины этого барьера и перехода в промежуточное состояние, называемое а к т и в и р о в а н н ы м комплексом или п е р е х о д н ы м с о с т о я н и е м. В переходном состоянии возможно одновременное образование новых и разрыв старых химических связей. Активация молекул может происходить при повышении температуры, в результате поглощения ими лучистой энергии, при столкновении с другими возбужденными молекулами или атомами,передающими им часть своей энергии. Количество энергии, необходимое для достижения при данной температуре всеми молекулами одного моля вещества переходного состояния, соответ-ствующего вершине энергетического барьера, называется э н е р г и е й а к т и в а ц и и. Иначе, энергия активации представляет собой “энергетический барьер”, который нужно преодолеть для того, чтобы произошла реакция. В присутствии катализатора понижается энергия активации . Причем фермент снижает энергию активации значительно сильнее, чем неорганический катализатор. Согласно теории Михаэлиса-Ментен фермент (Е) соединяется со своим субстратом (S), образуя нестойкий промежуточный комплекс (ES), который в конце реакции распадается с освобождением фермента и продуктов реакции. Поэтому всю последовательность каталитического ферментативного процесса можно представить следующим образом:     E + S ES EX EP E + P,где ЕХ - истинный активированный комплекс (переходное состояние); ЕР - комплекс фермента с продуктом. В самой общей форме можно сказать, что молекула субстрата, после связывания с активным центром фермента, поляризуется, электроны в ней перераспределяются, расположение электрических зарядов изменяется, связи деформируются и все это приводит к повышению ее активности. 4.4. Обратимость действия ферментов Реакции, катализируемые многими ферментами обратимы, т.е. один и тот же фермент в зависимости от определенных условий может катализировать реакцию в обоих направлениях. В 1884г. Обратимость действия ферментов бесспорно доказана вне организма. Однако в живой клетке большинство ферментативных синтезов (см. обмен веществ) происходит под действием других ферментов, а не тех, которые катализируют расщепление того или иного соединения и, следовательно, не благодаря обратимости действия ферментов. Это, по-видимому, связано с тем, что в живой клетке в большинстве случаев происходит удаление продуктов реакции и, кроме того, реакции синтеза и соответствующие им реакции распада часто локализованы в разных участках, или отсеках (компартментах) клетки. Такая компартментализация гарантирует независимое протекание процессов синтеза и распада и обеспечивает благоприятные энегргетические условия для них. 4.5. Специфичность ферментов Под специфичностью ферментов понимают способность каждого из них катализировать одну или несколько близких по природе хими-ческих реакций. Это одно из важнейших биологических явлений, без которого невозможен упорядоченный обмен веществ в живом организме, а следовательно, и сама жизнь. Исследуя природу ферментативного катализа Э.Фишер в 1890-х годах пришел к выводу, что специфичность ферментов можно уподобить соответствию между “ключом и замком”. При этом под-разумевается, что активный центр фермента имеет жесткую структуру, подобно замку. Молекула субстрата должна иметь комплементарную структуру, чтобы входить в активный центр, подобно ключу (рис 4.2). Представление Э.Фишера об активном центре фермента, как жесткой структуре, не подвергалось сомнению в течение полустолетия. По мере изучения механизма действия ферментов был выявлен ряд данных, которые нельзя согласовать с теорией “ключа и замка”. Например, фермент не может атаковать (подвергнуть превращению) молекулы веществ, обладающие меньшим или большим размером по сравнению с субстратом, но имеющие такие же группы для взаимодействия с ферментом, что и субстрат. Следует отметить, что в ряде случаев такие молекулы связываются с контактным участком активного центра, но при этом превращение субстрата не происходит. Специфичность у разных ферментов выражена в неодинаковой степени. Различают следующие типы специфичности. 1. А б с о л ю т н а я с п е ц и ф и ч н о с т ь. При этом типе специфичности фермент катализирует превращение только одного субстрата. Фермент каталаза катализирует расщепление пероксида водорода на воду и кислород; ее действие ограничивается только этим субстратом.  Рис 4.2. Схема связывания фермента и субстрата согласно теории “ключа и замка” Обозначение: E- фермент; S-субстрат; Р - продукты; ES- комплекс фермент-субстрат; ЕХ - истинный активированный комплекс; А - активный центр фермента. 2. Г р у п п о в а я с п е ц и ф и ч н о с т ь. Основным признаком для ферментов этого типа специфичности служит характер разрушаемой или создаваемой связи в близких по строению группах веществ. К ферментам с групповой специфичностью относятся липазы, катализирующие гидролиз сложных эфиров глицерина и карбоновых кислот; фосфатазы, действующие на эфиры фосфорной кислоты; пептидгидролазы, катализирующие гидролиз пептидных связей в белках и пептидах и др. 3. С т е р е о х и м и ч е с к а я с п е ц и ф и ч н о с т ь. Ферменты этого типа специфичности действуют на определенный изомер одного и того же вещества: D- или L-, - или - , транс- или цис- . Пептидгидролазы действуют только на пептиды, образованные аминокислотами L-ряда. 4.6. Кинетика ферментативных реакций Химическая кинетика - это учение о скоростях и механизмах хи-мических реакций. Ферментативная кинетика изучает закономерности влияния химической природы реагирующих веществ (фермента, субстратов) и условий их взаимодействия (концентрация фермента, концентрация субстратов или ингибиторов) на скорость ферментативных реакций. 4.6.1. Измерение скорости ферментативных реакций Мерой скорости ферментативной реакции служит количество субстрата, подвергшегося превращению в единицу времени, или количество образовавшегося продукта. 4.6.2. Единицы активности ферментов Для выражения каталитической активности Комиссией по ферментам Международного биохимического союза (1961 г.) была рекомендована стандартная единица, обозначенная на русском языке - Е, а на английском - U. С т а н д а р т н а я е д и н и ц а - это такое количество фермента, которое при заданных условиях катализирует превращение одного микромоля субстрата за одну минуту. В 1972 г. Комиссия по ферментам Международного биохимического союза предложила выражать активность ферментов в к а т а л а х. Катал (символ - кат - это такое количество фермента, которое способно превращать один моль субстрата за одну секунду (при оптимальных условиях). К производным величинам, характеризующим активность ферментов, относят удельную каталитическую активность ферментов, концентрацию фермента в растворе и другие. Удельную каталитическую активность фермента или ферментативного препарата выражают в каталах на 1 кг белка (кат·кг-1) или чаще в мккат на 1мг белка. Концентрацию фермента в растворе выражают в каталах на 1 литр (кат·л-1) или в других, кратных этому значению величинах. 4.6.3. Влияние концентрации субстрата на скорость ферментативной реакции Ферментативные реакции, в отличие от неферментативных, обладают очень важной особенностью - насыщения фермента субстратом. Эта особенность проявляется в том, что при постоянной концентрации фермента скорость реакции имеет характерную зависимость от концентрации субстрата. При низких концентрациях субстрата скорость реакции пропорциональна концентрации субстрата и по отношению к нему - это реакция первого порядка. С увеличением концентрации субстрата приращение скорости с каждым разом уменьшается и, наконец, она становится практически независимой от концентрации субстрата. В этих условиях реакция по отношению к субстрату - нулевого порядка, а весь фермент полностью насыщен субстратом и не может функционировать быстрее. Скорость ферментативной реакции при полном насыщении фермента субстратом называется м а к с и м а л ь н о й с к о р о с т ь ю. Vmax · [S ] |
зотистые основания
имин
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Похожие:
База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2016
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям