🧬 Структура белков и механизм работы ферментов

Химия белков и ферменты

Ключевые тезисы

Белки имеют четыре уровня структурной организации: первичную, вторичную, третичную и четвертичную. Первичная структура (последовательность аминокислот) определяет все остальные.
Третичная структура (пространственная укладка) необходима для выполнения белком его функции. Её стабилизируют нековалентные связи (водородные, ионные, гидрофобные) и дисульфидные мостики.
Денатурация — это разрушение нативной конформации белка с потерей его свойств и функций. Это преимущественно необратимый процесс.
Ферменты — это биологические катализаторы белковой природы. Их ключевые особенности: высокая специфичность, эффективность, способность к регуляции и действие в мягких условиях.
Ферменты ускоряют реакции за счёт снижения энергии активации через образование фермент-субстратного комплекса.

Структурная организация белков

Уровни структуры

Первичная структура — линейная последовательность аминокислот, соединённых пептидными связями. Закодирована в ДНК и определяет все последующие уровни.
Вторичная структура — локальная пространственная укладка полипептидной цепи. Основные типы: α-спираль и β-складчатый слой (параллельный и антипараллельный).
Третичная структура — трёхмерная укладка всей полипептидной цепи. Формируется за счёт взаимодействий между радикалами аминокислот: водородных, ионных, гидрофобных связей и дисульфидных мостиков. Необходима для функционирования белка.
Четвертичная структура — объединение нескольких полипептидных цепей (протомеров или субъединиц) в единый функциональный комплекс. Стабилизируется нековалентными связями.

Связи в белках

Ковалентные: пептидные и дисульфидные (между остатками цистеина).
Нековалентные: водородные, ионные (между заряженными радикалами), гидрофобные взаимодействия (между неполярными радикалами).

Домен — структурно и функционально обособленный участок белковой молекулы, часто отвечающий за связывание лиганда.

Кооперативность — свойство олигомерных белков (например, гемоглобина), при котором изменение конформации одной субъединицы облегчает изменение конформации и связывание лиганда другими субъединицами.

Денатурация белков

Денатурация — это разрушение нативной конформации белка, вызванное разрывом слабых связей и приводящее к потере его биологических свойств. При денатурации разрываются все нековалентные и дисульфидные связи, остаётся только первичная структура.

Факторы денатурации

Высокая температура (обычно выше 50°C)
Сильные кислоты и щелочи (экстремальные значения pH)
Органические растворители (спирт, ацетон)
Соли тяжёлых металлов (ртуть, свинец)
Детергенты (ПАВ, например, мыло)
Ионизирующее излучение
Механическое воздействие (встряхивание)

Ренатурация (реактивация) — обратный процесс восстановления нативной структуры. Возможен лишь в редких случаях при непродолжительном и неполном разрушении структуры.

Классификация белков

По химическому строению

Простые белки — состоят только из аминокислот (альбумины, глобулины, протамины, гистоны, инсулин).
Сложные белки — состоят из белковой части (апобелка) и небелкового компонента (простатической группы).
- Хромопротеины: простатическая группа — окрашенное соединение (гем в гемоглобине, миоглобине; производные витамина B₂ во флавопротеинах).
- Нуклеопротеины: простатическая группа — нуклеиновая кислота (рибосомы, хроматин).
- Гликопротеины: содержат углеводный компонент (иммуноглобулины, некоторые гормоны).
- Липопротеины: содержат липидный компонент (липопротеины плазмы крови).
- Фосфопротеины: содержат остаток фосфорной кислоты (казеин).
- Металлопротеины: содержат ионы металлов (ферритин, трансферрин, карбоангидраза).

По выполняемым функциям

Ферменты (каталитические)
Регуляторные (гормоны)
Транспортные (гемоглобин, трансферрин)
Структурные (коллаген, эластин)
Защитные (иммуноглобулины, интерферон, факторы свёртывания крови)
Сократительные (актин, миозин)

Протеинопатии

Протеинопатии — заболевания, вызванные нарушением синтеза или функционирования белков.

Наследственные (первичные): следствие мутаций в ДНК, нарушающих первичную структуру белка (серповидноклеточная анемия, фенилкетонурия).
Приобретённые (вторичные): возникают вследствие заболеваний или действия внешних факторов, нарушающих условия функционирования белка (панкреатит, алкалоз).

Ферменты: общие сведения

Определение и история
Ферменты (энзимы) — это катализаторы белковой природы. Термины "фермент" (от лат. fermentum — брожение) и "энзим" (от греч. en zyme — в дрожжах) синонимичны.

Сходство с неорганическими катализаторами

Увеличивают скорость реакции.
Не расходуются в реакции.
Не сдвигают химическое равновесие.

Отличия от неорганических катализаторов

Высокая специфичность (действуют на определённый субстрат и катализируют определённую реакцию).
Высокая эффективность (ускоряют реакции в миллионы раз).
Регулируемость (можно регулировать количество и активность фермента).
Действие в мягких условиях (температура ~37°C, нейтральный pH, атмосферное давление).

Строение и механизм действия ферментов

Классификация по строению

Простые ферменты — состоят только из аминокислот.
Сложные ферменты (холоферменты) — состоят из белковой части (апофермента) и небелкового компонента (кофактора).
- Прочно связанный кофактор — простатическая группа.
- Слабо связанный, способный к диссоциации кофактор — кофермент (часто производные витаминов группы B).

Активный центр фермента
Специфический участок молекулы фермента, ответственный за связывание субстрата и катализ. В его формировании участвуют радикалы полярных и заряженных аминокислот.

Субстратный участок — отвечает за связывание субстрата (субстратная специфичность).
Каталитический участок — непосредственно осуществляет химическое превращение (каталитическая специфичность).

Аллостерический (регуляторный) центр
Существует не у всех ферментов. Это отдельный участок, связывание эффектора с которым приводит к изменению конформации и активности фермента. Характерен для ферментов с четвертичной структурой.

Коферменты (производные витаминов группы B)

B₁ (тиамин) → Тиаминдифосфат (ТДФ) — реакции декарбоксилирования.
B₂ (рибофлавин) → ФМН, ФАД — окислительно-восстановительные реакции.
PP (никотинамид) → НАД⁺, НАДФ⁺ — окислительно-восстановительные реакции.
B₅ (пантотеновая кислота) → Коэнзим А (КоА) — перенос ацильных групп.
B₆ (пиридоксин) → Пиридоксальфосфат (ПАЛФ) — реакции трансаминирования и декарбоксилирования аминокислот.
B₉ (фолиевая кислота) → Тетрагидрофолиевая кислота (ТГФК) — перенос одноуглеродных фрагментов.
B₁₂ (кобаламин) → Метилкобаламин, дезоксиаденозилкобаламин — перенос метильных групп, реакции изомеризации.
H (биотин) → Биотин (Биоцитин) — реакции карбоксилирования.

Механизм действия

Образование фермент-субстратного комплекса (ES) по принципу индуцированного соответствия.
Превращение субстрата в продукте в активном центре.
Образование фермент-продуктного комплекса (EP).
Высвобождение продукта и неизменённого фермента.

Ферменты ускоряют реакции за счёт снижения энергии активации, что достигается благодаря образованию промежуточного фермент-субстратного комплекса.

Специфичность ферментов

Субстратная специфичность — способность фермента действовать на определённый субстрат.

Абсолютная: фермент действует только на один