- •Лекции по курсу биохимия и молекулярная биология для студентов направления биология
- •Оглавление
- •Введение
- •Модуль 1. Статическая биохимия
- •Лекция 1
- •Строение, свойства, биологическая роль
- •Моно – и олигосахаридов
- •Классификация углеводов
- •Моносахариды
- •Стереоизомерия моносахаридов
- •Представители моносахаридов
- •Олигосахариды
- •Отдельные представители дисахаридов
- •Лекция 2 строение, свойства, биологическая роль
- •Отдельные представители полисахаридов
- •Лекция 3 строение, свойства, биологическая роль простых липидов
- •Классификация
- •Стероиды
- •Желчные кислоты
- •Лекция 4 строение, свойства, биологическая роль сложных липидов
- •Лекция 5 аминокислотный состав белков Белки и их функции
- •Функции белков
- •Элементарный состав белков
- •Методы выделения и очистки белков
- •Аминокислотный состав белков
- •Химические свойства аминокислот
- •Классификация аминокислот, заменимые и незаменимые аминокислоты
- •Лекция 6 уровни структурной организации белков Структурная организация белков
- •Первичная структура белка: методы исследования. Структурные особенности пептидной связи
- •Номенклатура пептидов и полипептидов. Природные пептиды: глутатион, карнозин, ансерин, грамицидин s, окситоцин, энкефалины
- •Отдельные представители пептидов
- •Вторичная структура белков: -спираль, ее основные характеристики, -структура, -изгиб. Роль водородных связей в формировании вторичной структуры. Сверхвторичные (надвторичные) структуры белка
- •Третичная структура белков. Типы нековалентных связей, стабилизирующих третичную структуру. Роль s-s-мостиков в формировании третичной структуры некоторых белков
- •Заимодействия между субъединицами, стабилизирующие четвертичную структуру. Функциональное значение четвертичной структуры белков
- •Лекция 7
- •Физико-химические свойства белков
- •Ионизация, гидратация, растворимость,
- •Осмотические и онкотические свойства, оптические свойства
- •Молекулярная масса и размеры белков. Методы определения молекулярной массы белков. Необходимость применения комплекса методов для точной оценки молекулярной массы белков
- •Денатурация белков
- •Лекция 8 классификация белков. Простые и сложные белки Принципы классификации белков
- •Фибриллярные белки
- •Глобулярные белки
- •Сложные белки
- •Липопротеины
- •Гликопротеины
- •Протеогликаны
- •Фосфопротеины
- •Металлопротеины
- •Нуклеопротеины
- •Хромопротеины
- •Гемоглобин
- •Миоглобин
- •Цитохромы электронтранспортной цепи
- •Хлорофиллы
- •Флавопротеины
- •Лекция 9 сложные белки Гликопротеины
- •Фосфопротеины
- •Липопротеины
- •Металлопротеины
- •Лекция 10 строение, свойства, биологическая роль нуклеотидов
- •Циклические нуклеотиды
- •Лекция 11 строение, свойства, биологическая роль нуклеиновых кислот
- •Рибосомальные рнк
- •Лекция 12 витамины – биологическая роль, классификация. Водорастворимые витамины
- •Витамин в1 (тиамин)
- •Витамин в2 (рибофлавин)
- •Витамин в3 (рр, никотиновая кислота, никотинамид)
- •Витамин в5 (пантотеновая кислота)
- •Витамин в6 (пиридоксин, пиридоксаль, пиридоксамин)
- •Витамин в9 (фолиевая кислота)
- •Витамин в12 (кобалами)
- •Витамин н (биотин)
- •Витамин с (аскорбиновая кислота)
- •Витамин р (рутин)
- •Лекция 13 жирорастворимые витамины Витамин а (ретинол)
- •Витамин d (кальциферол)
- •Витамин е (токоферол)
- •Витамин к (нафтохинон)
- •Лекция 14
- •Ферменты – строение: свойства, механизм действия
- •Понятие о ферментах.
- •Сущность явлений ферментативного катализа
- •Структурная организация ферментов
- •3. Роль металлов в регуляции aктивности ферментов
- •Изоферменты: биологическая роль
- •Механизм действия ферментов
- •Специфичность действия ферментов
- •Стационарная кинетика ферментативных реакций
- •Концентрация субстрата
- •Концентрация фермента
- •Температура
- •Уравнение Михаэлиса-Ментен
- •Единицы ферментов
- •Лекция 15
- •Ингибиторы ферментов
- •Регуляция каталитичекой активности ферментов
- •Изостерическая регуляция
- •Аллостерический контроль активности ферментов
- •Регуляция ферментов ковалентной модификацией
- •Регуляция ферментов ограниченным протеолизом (активация зимогенов)
- •Регуляция активности мультиэнзимных комплексов
- •Классификация и номенклатура ферментов
- •Характеристика отдельных классов ферментов
- •Ферменты в клинической диагностике. Энзимопатии
- •Модуль II. Динамическая биохимия
- •Катаболические, анаболические, амфиболические пути
- •Метаболизм углеводов
- •Расщепление углеводов в пищеварительном тракте
- •Переваривание углеводов в ротовой полости
- •Переваривание углеводов в кишечнике
- •Амилолитические ферменты: характеристика Панкреатическая -амилаза
- •Сахаразо-изомальтазный комплекс
- •Гликоамилазный комплекс
- •Трегалаза
- •Всасывание моносахаридов в тонком кишечнике и их дальнейший транспорт. Глюкозные транспортеры
- •Всасывание моносахаридов в кишечнике
- •Транспорт глюкозы из крови в клетки
- •Лекция 17
- •Анаэробный катаболизм углеводов
- •Анаэробное окисление глюкозы. Гликолиз. Внутриклеточная
- •Локализация процесса
- •Отдельные реакции гликолиза, их термодинамические характеристики. Образование 2,3-дифосфоглицерата в шунте Рапопорта-Люберинга
- •Расщепление гликогена (гликогенолиз). Строение, механизм действия и регуляция гликогенфосфорилазы
- •Спиртовое и молочнокислое брожение
- •Лекция 18
- •Аэробный катаболизм углеводов (часть 1)
- •Аэробный метаболизм пирувата. Митохондрии: структура
- •И энергетические функции
- •Окислительное декарбоксилирование пирувата. Строение
- •Цикл лимонной кислоты. Отдельные реакции цикла, их термодинамическая характеристики. Суммарное уравнение окисления ацетил-CоА в цикле Кребса
- •Лекция 19
- •Аэробный катаболизм углеводов (часть 2)
- •Регуляция цикла Кребса на уровне цитратсинтазы,
- •Изоцитратдегидрогеназы и -кетоглутаратдегидрогеназного комплекса
- •Амфиболическое значение цикла Кребса. Необходимость анаплеротических путей, пополняющих запас компонентов, участвующих в цикле
- •Зависимое от атp и биотина карбоксилирование пирувата: анаплеротический путь синтеза оксалоацетата
- •Пентозофосфатный путь (гексозомонофосфатный шунт)
- •Отдельные реакции пфп, их термодинамические характеристики.
- •Суммарное уравнение пентозофосфатного пути.
- •Регуляция пентозофосфатного пути на уровне
- •Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы
- •Участки перекреста пфп с гликолизом
- •Циклический характер пфп
- •Лекция 20 биосинтез углеводов
- •Глюконеогенез
- •В последующей реакции, катализируемой ферментом фосфоенолпируваткарбоксикиназой, из оксалоацетата образуется фосфоенолпируват. Реакция Mg2-зависимая и донором фосфата служит gtp.
- •Лекция 21 расщепление пищевых и тканевых липидов
- •Катаболизм липидов
- •Всасывание продуктов расщепления липидов
- •Транспорт липидов
- •Метаболизм глицерола
- •Лекция 22 катаболизм жирных кислот
- •Активация жирной кислоты
- •Транспорт ацил-СоА в митохондрии
- •Катаболизм ненасыщенных жирных кислот
- •Катаболизм жирных кислот с нечетным числом атомов углерода
- •Образование кетоновых тел (кетогенез)
- •Кетоновые тела как источники энергии
- •Глиоксилатный цикл
- •Лекция 23 биосинтез жирных кислот и триацилглицеролов
- •Строение синтазы жирных кислот
- •Механизм синтеза жирных кислот
- •Транспорт ацетил-СоА из митохондрий в цитозоль
- •Образование малонил-СоА
- •Наращивание (элонгация) углеродной цепи жирной кислоты
- •Синтез других предельных и непредельных жк
- •Биосинтез триацилглицеролов
- •Лекция 24 биосинтез холестерола и желчных кислот
- •Биосинтез холестерола
- •Регуляция биосинтеза хс
- •Биосинтез желчных кислот
- •Лекция 25
- •Биологическое окисление. Ферменты, участвующие в биологическом окислении
- •Свободное окисление и его биологическая роль. Цитохром р-450
- •Микросомальная система окисления
- •Механизм гидроксилирования
- •Лекция 26
- •Цепь переноса электронов и протонов внутренней мембраны
- •Митохондрий (дыхательная цепь, редокс-цепь). Компоненты
- •Дыхательной цепи: флавопротеины, железосерные белки, коэнзим q, цитохромы в, с1, с, аа3. Топография дыхательных переносчиков
- •В редокс-цепи
- •Убихинон окисленный CoQ
- •Энергетическое значение ступенчатого транспорта электронов от окисляемых субстратов к молекулярному кислороду. Окислительное фосфорилирование в дыхательной цепи
- •Организация компонентов дыхательной цепи в виде четырех
- •Локализация пунктов сопряжения окисления и фосфорилирования в дыхательной цепи на основании редокс-потенциалов, действия специфических ингибиторов (ротенон, амитал, антимицин а, цианид, со, NaN3)
- •Полные и редуцированные дыхательные цепи
- •Лекция 27
- •Строение атp-синтазного комплекса. Механизм образования атp. Обратимость реакции, катализируемой атp-синтазой. Разобщение транспорта электронов и синтеза атp; действие 2,4-динитрофенола
- •Механизм образования атp
- •Окисление цитоплазматического nadh в дыхательной цепи. Глицеролфосфатный и малат-аспартатный челночные механизм
- •Лекция 28 интеграция клеточного метаболизма
- •Основные аспекты регуляции метаболизма
- •Регуляция на уровне транскрипции
- •Аллостерическая регуляция активности ферментов
- •Ковалентная модификация ферментов
- •Гормональная регуляция
- •Посттранскрипционная и посттрансляционная модификация макромолекул
- •Изменение концентрации метаболитов
- •Мембранная регуляция
- •Модуль III. Молекулярная биология лекция 29 репликация днк
- •Точность репликации
- •Репликация днк у эукариот
- •Репаративный синтез днк
- •Лекция 30 транскрипция (биосинтез рнк)
- •Транскрипция у прокариот
- •Инициация транскрипции
- •Элонгация транскрипции
- •Терминация транскрипции
- •Транскрипция у эукариот
- •Механизм индукции на примере Lac-оперона
- •Катаболитная репрессия
- •Лекция 31 тРансляция (биосинтез белка)
- •Роль тРнк в трансляции
- •Аминоацил-тРнк-синтетазы
- •Белоксинтезирующая система клетки
- •Эффективность трансляции
- •Точность белкового синтеза
- •Энергетические затраты на трансляцию
- •Посттрансляционные модификации полипептидной цепи
- •Библиографический список Основная литература
- •Дополнительная литература
Структурная организация ферментов
В настоящее время получены неопровержимые экспериментальные доказательства белковой природы ферментов. Единственным исключением из этого положения является обнаружение у молекулы ряда предшественников РНК ферментативной активности, получившей название рибозима и катализирующей самосплайсинг, т. е. отщепление интронных нетранслируемых последовательностей от предшественника РНК.
Ферменты, как и все белки, обладают рядом свойств, характерных для высокомолекулярных соединений: амфотерностью, электрофоретической подвижностью и неспособностью к диализу через полупроницаемые мембраны. Подобно белкам, ферменты имеют большую молекулярную массу: от десятков тысяч до нескольких миллионов дальтон. Им присущи все особенности структурной организации белковых молекул (первичный, вторичный, третичный и четвертичный уровни организации).
В природе существуют как простые, так и сложные ферменты (рис. 14.1). Первые целиком представлены полипептидными цепями и при гидролизе распадаются исключительно на аминокислоты. Такими ферментами являются гидролитические ферменты, в частности пепсин, трипсин, папаин, уреаза, лизоцим, рибонуклеаза, фосфатаза и др. Большинство природных ферментов относится к классу сложных белков, содержащих помимо полипептидных цепей какой-либо небелковый компонент (кофактор), присутствие которого является абсолютно необходимым для каталитической активности. Кофакторы могут иметь различную химическую природу и различаться по прочности связи с полипептидной цепью. Если константа диссоциации сложного фермента настолько мала, что в растворе все полипептидные цепи оказываются связанными со своими кофакторами и не разделяются при выделении и очистке, то такой фермент получает название холофермента (холоэнзима), а кофактор – название простетической группы, рассматривающейся как интегральная часть молекулы фермента (например, FAD, FMN, биотин, липоевая кислота). Полипептидную часть фермента принято называть апоферментом. Если же дополнительная группа легко отделяется от апофермента при диализе, в этом случае она называется коферментом (например, NAD+, NADP+). Кроме этого, роль кофактора могут выполнять металлы: Mg2+, Мn2+, Са2+ и др.
Рис. 14.1. Структура ферментов
Химическая природа кофакторов, их функции в ферментативных реакциях очень разнообразны. Согласно одной из классификаций все коферменты и простетические группы делят на 2 группы:
производные витаминов (табл. 14.1);
невитаминные кофакторы.
Таблица 14.1.
Важнейшие коферменты и простетические группы ферментов
Наименование |
Участвующий витамин |
Группы, подлежащие переносу |
Никатинамидадениндинуклеотид (NAD, NADF) |
Никотинамид, витамин РР |
Атомы водорода (электроны) |
Флавинмононуклеотид, рибофлавинфосфат (FMN, FAD) |
Рибофлавин, витамин В2 |
Атомы водорода (электроны) |
Коэнзим А (СоА) |
Пантотеновая кислота |
Ацильные, ацетильные и др. группы |
Тетрагидрофолиевая кислота (ТHF) |
Фолиевая кислота |
Метильные, метиленовые, формильные группы или фориминогруппы (одноуглеродные остатки) |
Биоцитин |
Биотин, витамин Н |
Двуокись углерода (активная форма СО2) |
Тиаминдифосфат (TDP) |
Тиамин, витамин В1 |
Альдегиды и кетоны |
Пиридоксаль-5-фосфат (P5P) |
Пиридоксин, витамин В6 |
Аминогруппы, карбоксильные группы |
Дезоксиаденозил- и (метил)-кобаломин (В12 - коферменты)
|
Цианкоаломин, витамин В12 |
Атомы водорода, протоны и электроны |
К невитаминным кофакторам относят следующие соединения: НS-глутатион, АТР, липоевую кислоту, производные нуклеозидов (уридинфосфат, цитидинфосфат, фосфоаденозинфосфосульфат), порфиринсодержащие вещества и др. К ним же могут быть отнесены тРНК, которые в составе ферментов аминоацил-тРНК-синтетаз принимают активное участие в транспортировке аминокислот в рибосому, где осуществляется синтез белка.
Следует отметить одну отличительную особенность двухкомпонентных) ферментов: ни кофактор отдельно (включая большинство коферментов), ни сам по себе апофермент каталитической активностью не наделены, и только их объединение, протекающее не хаотично, а в соответствии с программой их структурной организации, обеспечивает быстрый ход химической реакции.
Более 25% всех ферментов для проявления полной каталитической активности нуждается в ионах металлов. Роль металлов в ферментативном катализе разнообразна.
1. Ионы металла выполняют функцию стабилизаторов молекулы субстрата, активного центра фермента и конформации белковой молекулы фермента, а именно третичной и четвертичной структур.
а) Ионы металлов – стабилизаторы молекулы субстрата
Для некоторых ферментов субстратом служит комплекс превращаемого вещества с ионом металла. Например, для большинства киназ в качестве одного из субстратов выступает не молекула АТР, а комплекс Мg2+-АТР. В этом случае ион Mg2+ не взаимодействует непосредственно с ферментом, а участвует в стабилизации молекулы АТР и нейтрализации отрицательного заряда субстрата, что упрощает его присоединение к активному центру фермента (рис. 14.2).
Рис. 14.2. Структура АТР
Схематично роль кофактора при взаимодействии фермента и субстрата можно представить как комплекс E-S-Me, где Е – фермент, S – субстрат, Ме – ион металла. В качестве примера можно привести расположение субстратов в активном центре гексокиназы (рис. 14.3).
Рис. 14.3. Участие ионов магния в присоединении субстрата в активном центре гексокиназы
В активном центре гексокиназы есть участки связывания для молекулы глюкозы и комплекса Мg2+-АТР. Гексокиназа катализирует перенос концевого -фосфатного остатка молекулы АТР на глюкозу с образованием глюкозо-6-фосфата. Ион Mg2+ участвует в присоединении и «правильной» ориентации молекулы АТР в активном центре фермента, ослабляя фосфоэфирную связь и облегчая перенос фосфата на глюкозу.
б) Ионы металла – стабилизаторы активного центра фермента
В некоторых случаях ионы металла служат «мостиком» между ферментом и субстратом. Они выполняют функцию стабилизаторов активного центра, упрощая присоединение к нему субстрата и протекание химической реакции. В ряде случаев ион металла может способствовать присоединению кофермента. Перечисленные выше функции выполняют такие металлы, как Mg2+, Мп2+, Zn2+, Со2+, Мо2+. В отсутствие металла эти ферменты активностью не обладают. Такие ферменты получили название «металлоэнзимы». Схематично данный процесс взаимодействия фермента, субстрата и металла можно представить следующим образом: E-Me-S.
К металлоэнзимам относят, например, пируваткиназу (рис. 14.4), катализирующую реакцию превращения фосфоенолпирувата в пируват.
Рис. 14.4. Участие ионов магния в присоединении субстрата в активном центре пируваткиназы
Активный центр пируваткиназы имеет участки связывания дпя фосфоенолпирувата и АDP. Mg2+ участвует в стабилизации активного центра, что облегчает присоединение фосфоенолпирувата. В ходе ферментативной реакции образуется пируват и АТР.
в) Ионы металлов – роль в стабилизации третичной
и четвертичной структуры фермента
Ионы металлов обеспечивают сохранение вторичной, третичной, четвертичной структуры молекулы фермента. Такие ферменты в отсутствие ионов металлов способны к химическому катализу («металлоэнзимные комплексы»), однако они нестабильны. Их активность снижается и даже полностью исчезает при небольших изменениях рН, температуры и других незначительных изменениях параметров внешнего окружения. Таким образом, ионы металлов выполняют функцию стабилизаторов оптимальной конформации белковой молекулы.
Иногда в стабилизации вторичной и третичной структуры принимают участие ионы щёлочноземельных металлов. Так, для поддержания третичной конформации пируваткиназы необходимы ионы К+.
Для стабилизации четвертичной структуры алкогольдегидрогеназы, катализирующей реакцию окисления этанола, необходимы ионы цинка. Алкогольдегидрогеназа состоит из 4 субъединиц с молекулярной массой 151 кДа. В состав фермента входят 4 атома Zn2+. Удаление Zn2+ приводит к потере активности фермента за счёт диссоциации на 4 неактивные субъединицы с молекулярной массой 36 кДа (рис. 14.5).
Рис. 14.5. Роль ионов цинка в стабилизации четвертичной структуры алкогольдeгидрогеназы
2. Ионы металлов могут принимать непосредственное участие в акте катализа.
а) Участие в электрофильном катализе
Наиболее часто эту функцию выполняют ионы металлов с переменной валентностью, имеющие свободную d-орбиталь и выступающие в качестве электрофилов. Это в первую очередь такие металлы, как Zn2+, Fе2+, Mn2+, Сu2+. Ионы щёлочноземельных металлов (такие как Na+ и К+), не обладают этим свойством. В качестве примера можно рассмотреть функционирование фермента карбоангидразы. Карбоангидраза – цинксодержащий фермент, катализирующий реакцию образования угольной кислоты:
Ион Zn2+ в результате электрофильной атаки участвует в образовании Н+ и ОН¯ ионов из молекулы воды:
Протон и гидроксильная группа последовательно присоединяются к диоксиду углерода с образованием угольной кислоты:
В ходе электрофильного катализа ионы металлов часто участвуют в стабилизации промежуточных соединений.
б) Участие в окислительно-восстановительных реакциях
И
-e-
Fe2+
Fe3+
+e+
Благодаря этому свойству цитохромы участвуют в окислительно-восстановительных реакциях.