Строение белков и ферменты
Ключевые тезисы:
- Белки имеют четыре уровня структурной организации: первичная, вторичная, третичная, четвертичная.
- Стабильность структуры обеспечивается ковалентными (пептидные, дисульфидные) и нековалентными (водородные, ионные, гидрофобные) связями.
- Денатурация — разрушение нативной структуры белка, ведущее к потере функции.
- Ферменты — биологические катализаторы белковой природы, обладающие высокой специфичностью и эффективностью.
- Активность ферментов регулируется и может измеряться в специальных единицах.
Типы связей в белках
Ковалентные связи:
- Пептидная связь — соединяет аминокислоты в цепь.
- Дисульфидная связь (-S-S-) — образуется между радикалами цистеина, стабилизирует структуру (например, в инсулине, иммуноглобулинах).
Нековалентные связи (стабилизируют высшие структуры):
- Водородные связи — образуются между радикалами аминокислот или между радикалом и пептидным остовом.
- Ионные связи — возникают между противоположно заряженными радикалами (например, аргинин⁺ и глутамат⁻).
- Гидрофобные взаимодействия — возникают между неполярными радикалами внутри молекулы, "выталкиваемыми" водой.
Уровни структурной организации белков
Первичная структура
- Линейная последовательность аминокислот в полипептидной цепи.
Определяет все остальные уровни структуры и функцию белка. Закодирована в ДНК.
Вторичная структура
- Пространственная укладка участка цепи.
- Основные типы:
- α-спираль
- β-складчатый слой (может быть параллельным и антипараллельным).
- Стабилизируется водородными связями между группами пептидного остова.
Третичная структура
- Трехмерная укладка всей полипептидной цепи (включая α-спирали, β-слои и нерегулярные участки).
- Стабилизируется взаимодействиями между радикалами аминокислот (водородные, ионные, гидрофобные, дисульфидные связи).
- Для выполнения функции белку необходима как минимум третичная структура.
- Домен — структурно-функционально обособленный участок белка, отвечающий за связывание лиганда.
Четвертичная структура
- Объединение нескольких полипептидных цепей (протомеров, субъединиц) в единый комплекс.
- Есть не у всех белков (пример: гемоглобин).
- Субъединицы соединяются преимущественно нековалентными связями.
- Характерно явление кооперативности: изменение конформации одной субъединицы облегчает изменение других (пример: связывание O₂ гемоглобином).
Денатурация белков
Денатурация — это разрушение нативной (третичной) структуры белка за счёт разрыва слабых связей, приводящее к потере биологических свойств.
Факторы, вызывающие денатурацию:
- Физические: высокая температура (обычно >50°C), ионизирующее излучение, механическое воздействие (встряхивание).
- Химические:
- Сильные кислоты и щелочи (экстремальные значения pH).
- Органические растворители (спирт, ацетон).
- Соли тяжёлых металлов (Hg²⁺, Pb²⁺) — образуют связи с атомами серы.
- Детергенты (например, мыло) — разрушают гидрофобные взаимодействия.
- Мочевина.
Денатурация, как правило, необратима. Обратный процесс (ренатурация) возможен лишь при кратковременном и неполном разрушении структуры, так как первичная структура сохраняется.
Классификация белков
- По форме молекул: глобулярные (гемоглобин) и фибриллярные (коллаген).
- По химическому строению (ОСНОВНАЯ):
- Простые белки — состоят только из аминокислот (альбумины, гистоны, инсулин).
- Сложные белки — состоят из белковой части (апобелка) и небелкового компонента (простетической группы).
- По функциям: ферменты, регуляторные, транспортные, структурные, защитные, сократительные.
- Прочие: по молекулярной массе, локализации в клетке/организме, скорости обновления.
Классы сложных белков (по типу простетической группы)
| Класс | Простетическая группа | Примеры |
|---|---|---|
| Хромопротеины | Окрашенная группа | Гемопротеины: гемоглобин, миоглобин, цитохромы. Флавопротеины: сукцинатдегидрогеназа (содержит производное витамина B₂). |
| Нуклеопротеины | Нуклеиновые кислоты | Рибосомы (РНК), хроматин (ДНК). Связь — ионная. |
| Гликопротеины | Углеводный компонент | Иммуноглобулины, некоторые гормоны (ХГЧ), муцины слюны. |
| Липопротеины | Липиды | Липопротеины плазмы крови (ЛПНП, ЛПВП). |
| Фосфопротеины | Остаток фосфорной кислоты | Казеин молока, вителлин (яичный желток). Связь — сложноэфирная. |
| Металлопротеины | Ионы металлов | Ферритин (Fe), трансферрин (Fe), церулоплазмин (Cu), карбоангидраза (Zn). |
Протеинопатии
Заболевания, вызванные нарушением синтеза или функционирования белков.
- Наследственные (первичные): следствие мутаций в ДНК → нарушение первичной структуры. Пример: серповидноклеточная анемия (замена Glu на Val в гемоглобине), фенилкетонурия.
- Приобретённые (вторичные): следствие болезней или внешних факторов. Пример: панкреатит (самопереваривание), алкалоз (нарушение отдачи O₂ гемоглобином).
Ферменты: общие свойства
Ферменты (энзимы) — это катализаторы белковой природы.
Сходство с неорганическими катализаторами:
- Увеличивают скорость реакции.
- Не расходуются в реакции.
- Не сдвигают равновесие.
Отличия (обусловлены белковой природой):
- Высокая специфичность (действуют на определённый субстрат).
- Высокая эффективность (ускоряют реакции в миллионы раз).
- Регулируемость (можно регулировать количество и активность).
- Действуют в мягких условиях (температура ~37°C, нейтральный pH).
Номенклатура: большинство названий оканчиваются на -аза и содержат название субстрата (лактатдегидрогеназа) или типа реакции (декарбоксилаза).
Строение и механизм действия ферментов
Активный центр — специфический домен фермента, ответственный за связывание субстрата и катализ.
- Субстратный участок — отвечает за связывание (субстратная специфичность).
- Каталитический участок — непосредственно проводит реакцию (каталитическая специфичность).
Аллостерический центр — регуляторный центр, присутствующий у некоторых ферментов. Связывание эффектора меняет конформацию и активность фермента.
Механизм действия:
- Образование фермент-субстратного комплекса (ES).
- Превращение субстрата в продукт в активном центре.
- Освобождение продукта и фермента.
Ферменты ускоряют реакции, снижая энергию активации за счёт образования промежуточного ES-комплекса.
Специфичность ферментов
Специфичность — способность фермента избирательно действовать на определённый субстрат и катализировать определённую реакцию.
Виды специфичности:
- Субстратная (на какой субстрат действует):
- Абсолютная — только на один субстрат (уреаза — только на мочевину).
- Относительная (групповая) — на группу сходных субстратов (пепсин расщепляет разные пептидные связи).
- Стереохимическая — только на определённый стереоизомер (фумараза действует на транс-изомер).
- Каталитическая — катализирует только один тип реакции (глюкозо-6-фосфат может превращаться разными путями, каждый со своим ферментом).
Активность ферментов
Количество фермента оценивают по его активности.
Единицы измерения активности:
- Международная единица (МЕ, U) — количество фермента, превращающее 1 мкмоль субстрата за 1 минуту.
- Катал (кат) — количество фермента, превращающее 1 моль субстрата за