1 Биологические функции белков Роль небелковых компонентов (углеводов

1. Биологические функции белков. Роль небелковых компонентов (углеводов, кофакторов, металлов и др.), примеры.
Ответ:
Сложные ферменты состоят из белковой части (апофермент) и небелковую часть, в качестве которой могут выступать ионы металлов (кофакторы) или органические соединения (коферменты).
Более 25% всех ферментов для проявления полной каталитической активности нуждается в ионах металлов. Рассмотрим роль кофакторов в ферментативном катализе.
Ионы металла выполняют функцию стабилизаторов молекулы субстрата, активного центра фермента и конформации белковой молекулы фермента, а именно третичной и четвертичной структур.
Для некоторых ферментов субстратом служит комплекс превращаемого вещества с ионом металла. Например, для большинства киназ в качестве одного из субстратов выступает не молекула АТФ, а комплекс Mg2+-ATФ. В этом случае ион Mg2+ не взаимодействует непосредственно с ферментом, а участвует в стабилизации молекулы АТФ и нейтрализации отрицательного заряда субстрата, что облегчает его присоединение к активному центру фермента.

Схематично роль кофактора при взаимодействии фермента и субстрата можно представить как комплекс E-S-Me, где Е – фермент, S – субстрат, Me – ион металла. В качестве примера можно привести расположение субстратов в активном центре гексокиназы.

Гексокиназа катализирует перенос концевого, γ-фосфатного остатка молекулы АТФ на глюкозу с образованием глюкозо-6-фосфата:

В активном центре гексокиназы есть участки связывания для молекулы глюкозы и комплекса Mg2+-АТФ. В результате ферментативной реакции происходит перенос концевого, γ-фосфатного остатка молекулы АТФ на глюкозу с образованием глюкозо-6-фосфата.
Ион Mg2+ участвует в присоединении и «правильной» ориентации молекулы АТФ в активном центре фермента, ослабляя фосфоэфирную связь и облегчая перенос фосфата на глюкозу.

В некоторых случаях ионы металла служат «мостиком» между ферментом и субстратом. Они выполняют функцию стабилизаторов активного центра, облегчая присоединение к нему субстрата и протекание химической реакции. В ряде случаев ион металла может способствовать присоединению rофермента.
Перечисленные выше функции выполняют такие металлы, как Mg2+, Mn2+, Zn2+, Co2+, Мо2+. В отсутствие металла эти ферменты активностью не обладают. Такие ферменты получили название «металлоэнзимы». Cхематично данный процесс взаимодействия фермента, субстрата и металла можно представить следующим образом:
E-Me-S
К металлоэнзимам относят, например, фермент пируват киназу, катализирующий реакцию:

Активный центр пируваткиназы имеет участки связывания для фосфоеноппирувата и АДФ. Mg2+ участвует в стабилизации активного центра, что облегчает присоединение фосфоеноппирувата. В ходе ферментативной реакции образуется пируват и АТФ.

Ионы металлов обеспечивают сохранение вторичной, третичной, четвертичной структуры молекулы фермента. Такие ферменты в отсутствие ионов металлов способны к химическому катализу, однако они нестабильны. Их активность снижается и даже полностью исчезает при небольших изменениях рН, температуры и других незначительных изменениях внешнего окружения. Таким образом, ионы металлов выполняют функцию стабилизаторов оптимальной конформации белковой молекулы.
Иногда в стабилизации вторичной и третичной структуры принимают участие ионы щёлочно-земельных 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 кД. 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 кД.

Не менее важную роль отводят ионам металлов в осуществлении ферментативного катализа.
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+, Fe2+, Mn2+, Cu2+. Ионы щёлочно-земельных 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.
Участие в окислительно-восстановительных реакциях
Ионы металлов с переменной валентностью могут также участвовать в переносе электронов. Например, в цитохромах (гемсодержащих белках) ион железа способен присоединять и отдавать один электрон:

Благодаря этому свойству цитохромы участвуют в окислительно-восстановительных реакциях.
Другой пример участия ионов металлов в окислительно-восстановительных реакциях – работа фермента дофамингидроксилазы, катализирующего реакцию образования норадреналина при участии витамина С.

За окислительно-восстановительные свойства у дофамингидроксилазы отвечает ион меди.

1 — восстановление Cu2+, входящего в состав активного центра дофамингидроксилазы, до Cu+ с помощью аскорбиновой кислоты; 2 — взаимодействие Cu+ с кислородом с образованием перекисного соединения; 3 — перенос гидроксильнои группы на молекулу дофамина с образованием норадреналина.
Фермент, содержащий ион Cu2+, не вступает в реакцию с молекулой кислорода. При восстановлении Cu2+ до Cu+ с помощью аскорбиновой кислоты образуется ион меди, способный взаимодействовать с кислородом с образованием перекисного соединения. Далее гидроксильная группа переносится на молекулу дофамина с образованием норадреналина.

Кофермент, локализуясь в каталитическом участке активного центра, принимает непосредственное участие в химической реакции, выступая в качестве акцептора и донора химических группировок, атомов, электронов. Кофермент может быть связан с белковой частью молекулы ковалентными и нековалентными связями. В первом случае он называется простетической группой (например, FAD, FMN, биотин, липоевая кислота). Вместе с тем известны примеры, когда кофермент присоединяется к ферменту нековалентными связями настолько прочно, что не диссоциирует от белковой молекулы, например тиаминдифосфат. Во втором случае кофермент взаимодействует с ферментом только на время химической реакции и может рассматриваться в качестве второго субстрата. Примеры – NAD+, NADP+. Апофермент обеспечивает специфичность действия и отвечает за выбор типа химического превращения субстрата. Один и тот же кофермент, взаимодействуя с различными апоферментами, может участвовать в разных химических превращениях субстрата. Например, пиридоксальфосфат в зависимости от того, с каким апоферментом взаимодействует, участвует в реакциях трансаминирования или декарбоксилирования аминокислот.
Рассмотрим строение коферментов, в состав которых входит углевод рибоза.
FAD (флавинадениндинуклеотид) или FMN (флавинмононуклеотид).

Структура (А) и химическое строение (Б) коферментов FMN и FAD.
FMN и FAD участвуют в окислительно-восстановительных реакциях, акцептируя 2 е- и 2Н+ в изоаллаксазиновом кольце

В качестве примера FAD-зависимой реакции можно привести сукцинатдегидрогеназную реакцию. В этой реакции в качестве второго субстрата участвует убихинон – один из посредников ЦПЭ.

Коферменты NAD+, NADP+.

Структура (А) и химическое строение (Б) коферментов NAD+ и NADP+.
Оба кофермента функционируют как посредники переноса двух электронов и одного протона от донора к акцептору, другого протона – в среду.

Донор и акцептор не обязательно участвуют в одном метаболическом пути. Другими словами, восстановленная форма этих нуклеотидов действует как общий пул электронов, образованный в результате окислительных реакций, и может быть использована в различных восстановительных реакциях. Такие реакции называют сопряжёнными.

где АН2 – донор водорода, восстановленная форма субстрата 1; А – окисленная форма субстрата 1; В – акцептор водорода — второй субстрат; ВН2 – восстановленная форма субстрата 2; NAD+, NADH – окисленная и восстановленная формы кофермента; Е1 и E2 – ферменты.
Две ферментативные реакции, катализируемые ферментами Е1 и Е2, cопряжены друг с другом посредством кофермента NAD+, служащего в каждом из этих случаев субстратом. Для первого фермента субстратом служит окисленная форма NAD, в качестве второго субстрата выступает донор водорода – пример последовательных реакций, продуктом – восстановленная форма NAD, для фермента Е2 – наоборот.
В качестве примера можно рассмотреть следующие сопряжённые реакции/

где Е1 – глицеральдегидфосфат дегидрогеназа; Е2 – лактатдегидрогеназа.

2. Связь пентозофосфатного превращения глюкозы с обменом липидов.
Ответ:
Пентозофосфатное превращение глюкозы – это циклический процесс, включающий окислительный этап образования пентоз и неокислительный этап (путь возвращения пентоз в гексозы).
Такой процесс можно описать общим уравнением:
6Глюкозо-6-фосфат + 12NADP+ + 2Н2O →
→ 5Глюкозо-6-фосфат + 12NADPH + 12 Н+ + 6СO2.
Это означает, что из 6 молекул глюкозы образуются 6 молекул рибулозо-5-фосфат (пентозы) и 6 молекул СO2. Ферменты неокислительной фазы превращают 6 молекул рибулозо-5-фосфат в 5 молекул глюкозы (гексозы). При последовательном проведении этих реакций единственным полезным продуктом является NADPH, образующийся в окислительной фазе пентозофосфатного пути. Такой процесс называют пентозофосфатным циклом.

Протекание пентозофосфатного цикла позволяет клеткам продуцировать NADPH, необходимый для синтеза жиров, не накапливая пентозы.
Энергия, выделяющаяся при распаде глюкозы, трансформируется в энергию высокоэнергетического донора водорода – NADPH. Гидрированный NADPH служит источником водорода для восстановительных синтезов, а энергия NADPH преобразуется и сохраняется во вновь синтезированных веществах, например, жирных кислотах, высвобождается при их катаболизме и используется клетками.
Биосинтез пальмитиновой кислоты. В каждом цикле биосинтеза пальмитиновой кислоты проходят 2 реакции восстановления, донором водорода в которых служит кофермент NADPH.

В эндоплазмтической сети происходит удлинение пальмитиновой кислоты с участием малонил-КоА. При этом донором водорода также служит кофермент NADPH.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

девятнадцать + 13 =

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.

Adblock detector