ОСНОВИ БІОХІМІЇ ЛЕНІНДЖЕРА - ТОМ 1. ОСНОВИ БІОХІМІЇ БУДОВА ТА КАТАЛІЗ - 2011

Оскільки білки тим чи іншим чином беруть участь у всіх хімічних процесах у живому організмі, визначення їх структури та перетворень, безумовно, вплине на розвиток біологічної хімії.

Еміль Фішер. Зі статті у журналі Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft zu Berlin, 1906

5. ФУНКЦІЇ БІЛКІВ

Знання тривимірної структури білків дуже важливе розуміння їх функцій. Проте структура, зображена на плоскому аркуші папері, оманливо статична. Білки - це динамічні молекули, чиї функції майже завжди пов'язані із взаємодіями з іншими молекулами, а ці взаємодії регулюються дивовижними, іноді дуже тонкими змінами конформації білка. У цьому розділі ми обговоримо, як білки взаємодіють коїться з іншими молекулами як і ці взаємодії пов'язані з динамічної структурою білка. Навряд можна переоцінити значення молекулярних взаємодій для функціонування білків. У гол. 4 ми показали, що функція фібрилярних білків як структурні елементи клітин і тканин залежить від стійких, тривалих взаємодій між ідентичними поліпептидними ланцюгами. У цьому розділі побачимо, що багатьох інших білків реалізуються через взаємодії з безліччю різних молекул. Більшість цих взаємодій швидкоплинні, проте вони можуть бути основою складних фізіологічних процесів, таких як перенесення кисню, імунні реакції та скорочення м'язів (ці три теми ми розглянемо докладніше).На прикладах можна проілюструвати ключові принципи функціонування білків, причому з деякими з них ви вже познайомилися в попередньому розділі. Основні засади такі.

У функціонуванні багатьох білків важливу роль відіграє оборотне зв'язування інших молекул. Молекула, яка оборотно зв'язується з білком, називається лігандом.Лігандом може бути будь-яка молекула, у тому числі інший білок. Короткостроковість взаємодії білка з лігандом має найважливіше значення для життя, оскільки дозволяє організму швидко та оборотно реагувати на зміну зовнішніх умов та метаболічних процесів.

Ділянка зв'язування ліганду на молекулі білка називається центром зв'язування; він підходить відповідному ліганду за розміром, формою, зарядом, а також за гідрофільністю (гідрофобністю). Крім того, ця взаємодія є специфічною: білок зв'язується всього з одним або декількома типами молекул з навколишнього безлічі різних сполук. Молекула білка може мати центри зв'язування для різних лігандів. Подібні специфічні взаємодії відіграють найважливішу роль у підтримці впорядкованості у живих системах. Зараз ми не обговорюватимемо зв'язування води, яка може брати участь у слабких та неспецифічних взаємодіях з білками. У гол. 6 ми окремо зупинимося на ролі води як специфічного ліганду для багатьох ферментів.

Молекули білків мають велику гнучкість. Зміни їхньої конформації можуть бути ледь помітними і є результатом внутрішньомолекулярних коливань і незначних переміщень амінокислотних залишків у молекулі. Подібні зміни конформації іноді називають диханням білка.Проте можливі й досить різкі зміни конформації, у яких основні структурні елементи можуть зрушуватися кілька нанометрів. Специфічні конформаційні зміни часто грають ключову роль функціонуванні білка.

Зв'язування білка з лігандом часто пов'язане з конформаційними змінами молекули білка, в результаті яких досягається краща сумісність ліганду з центром зв'язування, а, отже, і більш надійне зв'язування. Структурні перебудови, якими супроводжується взаємодія білка з лігандом, називають індукованою відповідністю.

У білках, що складаються з декількох субодиниць, конформаційні зміни в одній субодиниці часто спричиняють зміни в іншій субодиниці.

Взаємодія лігандів з білками може регулюватися, що зазвичай досягається за допомогою специфічних взаємодій ще з одним або декількома лігандами. Ці додаткові ліганди можуть викликати конформаційні зміни у молекулі білка, що впливають на зв'язування першого ліганду.

Говорячи про функції білків, слід окремо зупинитися на ферментах. Ферменти пов'язують інші молекули та сприяють їх перетворенням, т.е. е. каталізують реакції. Молекули, які зазнають змін у ферментативних реакціях, називають не лігандами, а субстратами, а ділянку молекули ферменту, де протікає ферментативна реакція, називають каталітичним чи активним центром. У цьому розділі ми зупинятися на каталітичних функціях білків — цьому найважливішому розділу біохімії присвячена гол. 6.Основні теми цього розділу, а саме зв'язування, специфічність та конформаційні зміни, розвиватимуться в наступному розділі у додатку до білків, що беруть участь у хімічних перетвореннях.

5.1. Оборотне зв'язування білків з лігандами: білки, що зв'язують кисень

Можливо, міоглобін та гемоглобін є найбільш добре вивченими білками; їм уперше було визначено тривимірна структура. Наші сьогоднішні знання про ці білки є результатом досліджень, які протягом кількох десятиліть проводили тисячі біохіміків. Важливо помститися, що з прикладу цих білків можна проілюструвати майже всі ключові аспекти основного біохімічного процесу — оборотного зв'язування ліганду з білком. Ці класичні модельні білки можуть багато розповісти про те, як функціонують білки. Кисень зв'язуючий білок міоглобін та депонування кисню

Кисень зв'язується з простетичною групою – гемом

Кисень погано розчиняється у воді (табл. 2-3), і якби сироватка крові містила лише розчинений кисень, його надходження у тканини було б недостатнім. Крім того, дифузія кисню в тканинах на відстані понад кілька міліметрів також є неефективною. Еволюція великих багатоклітинних організмів пов'язана з виникненням білків, здатних запасати та переносити кисень. Однак бічний ланцюг жодної амінокислоти не підходить для оборотного зв'язування молекули кисню. Цю функцію виконують деякі перехідні метали, у тому числі залізо і мідь, що мають високу спорідненість до кисню. Тому багатоклітинні організми використовують для транспортування кисню іони металів, найчастіше заліза.Вільні іони заліза сприяють утворенню дуже реакційноздатних сполук кисню, таких як гідроксильні радикали, здатні пошкодити ДНК та інші макромолекули. Тому клітини використовують залізо у зв'язаній формі, у якій воно менш активно. У багатоклітинних організмів, особливо тих, у яких комплекс заліза з киснем повинен переноситися великі відстані, залізо часто вбудоване у пов'язану з білком простетичну групу - Гем. (У голі 3 ми визначили простетичну групу як пов'язане з білком з'єднання, необхідне для виконання специфічної функції.)

Гем є складною циклічною структурою, званою протопорфірин, з якою пов'язаний іон заліза Fе 2+ (рис. 5-1). Атом заліза має шість координаційних зв'язків: чотири зв'язки утворені з атомами азоту, що є частиною плоского порфіринового кільця, а два зв'язку спрямовані перпендикулярно до площини порфіринового кільця. Координаційний зв'язок з елсктронодонорними атомами азоту перешкоджає окисленню гемового заліза до стану Fe3+. Залізо у формі Fe 2+ оборотно зв'язує молекулу кисню, а залізо у формі Fe 3+ не зв'язує кисень. Гем виявлено в цілому ряді білків, що відповідають за перенесення кисню, а також у деяких білках, що беруть участь в окислювально-відновних реакціях, наприклад, цитохромах (гл. 19).

Мал. 5-1. Структура гему. Гем виявлено в молекулах міоглобіну, гемоглобіну та багатьох інших білків - гемопротеїнів.Гем є складною поліциклічною структурою (протопорфірин IX), з якою пов'язаний атом заліза у формі Fе 2+ . а) Порфірин IX є лише одним представником класу порфіринів, молекули яких складаються з пірольних кілець, пов'язаних метиновими містками і несучих замісники в положеннях, позначених літерою X. б, в) Два способи зображення гема (РDВ ID1GGR). г) Атом заліза в гемі ​​має шість координаційних зв'язків: чотири розташовані в площині порфіринового кільця і ​​пов'язані з ним, а дві спрямовані перпендикулярно до цієї площини.

У гемовій групі, не пов'язаної з білком, Fe 2+ має два вільні координаційні зв'язки. Взаємодія молекули O₂ з двома молекулами гема (або двома вільними іонами Fe 2+ ) може призвести до незворотного перетворення Fe 2+ Fe 3+ . У гемсодержащих білках ця реакція не відбувається, оскільки кожен гем захований глибоко всередині білкової структури та доступ до двох вільних координаційних зв'язків обмежений. Один із цих зв'язків спрямовано атом азоту бічної ланцюга залишку His. Інша служить центром зв'язування молекулярного кисню (O₂) (рис. 5-2). При зв'язуванні кисню властивості гемового заліза змінюються; це, зокрема, спричиняє зміну темно-червоного забарвлення венозної крові на світло-червоне забарвлення багатої киснем артеріальної крові. Деякі невеликі молекули, такі як монооксид вуглецю (СО) та монооксид азоту (NO), мають більш високу спорідненість до гемового заліза, ніж молекула кисню. При зв'язуванні з гемом молекули відбувається вивільнення O₂, Ось чому СО (чадний газ) такий токсичний для аеробних організмів (докладніше див. дод. 5-1).Оточуючи та ізолюючи гем, киснев'язуючі білки регулюють доступ до нього СО та інших невеликих молекул.

Рис.5-2. Координаційні зв'язки гемового заліза (вид збоку). Інші чотири зв'язки розташовані в площині порфіринового. кільця та пов'язані з ним.

У міоглобіні одна ділянка зв'язування кисню

Міоглобін (Мb) має молекулярну масу 16 700 і є порівняно простим киснев'язовим білком, виявленим практично у всіх ссавців переважно в м'язовій тканині. цією твариною, яка проводить тривале час під водою, міоглобін дозволяє запасати необхідне

кількість кисню. Аналогічні міоглобіну білки дуже широко поширені та зустрічаються навіть у деяких одноклітинних організмів.

Міоглобін являє собою єдиний поліпептидний ланцюг із 153 амінокислотних залишків, пов'язаний з однією молекулою гему. Він є типовим представником сімейства. глобінів, всі члени якого мають подібні первинну та третинну структури.

Мал. 5-3. Міоглобін (РDВ ID 1МВ0).Ділянки, що їх зв'язують, позначені як АВ, СD, ЕF і т.д. буд. за назвою тих спіралей, які з'єднують. Деякі сполучні ділянки, такі як ВС або DЕ, дуже короткі і не містять жодного залишку; зазвичай, при зображенні молекули їх не називають. (Має деяку протяжність ділянка між спіралями D і Е в даному випадку є артефактом комп'ютерного моделювання.) Гем пов'язаний у кишені, утвореній головним чином спіралями E і F, хоча залишки амінокислотних інших ділянок також задіяні в його формуванні.

Будь-яке детальне дослідження функції білка обов'язково пов'язані з визначенням його структури. На прикладі міоглобіну ми обговоримо деякі особливості білків глобіну. Як видно із рис. 5-3 спіральні ділянки молекули позначені літерами від А до Н. Окремі амінокислотні залишки позначені відповідно до їхньої позиції або у всій поліпептидній послідовності, або у певній α-спіральній ділянці. Наприклад, у молекулі міоглобіну залишок гістидину, пов'язаний координаційним зв'язком з гемовим залізом, позначений як His 93 (93-й амінокислотний залишок, рахуючи від N-кінця поліпептидної ціни міоглобіну); інакше він позначається як His F8 (восьмий залишок в α-спіралі F). Петлі між спіральними ділянками вказуються відповідно до назвами спіралей, що з'єднуються ними, наприклад, АВ, CD, EF, FG і т.д. буд.

Кількісний опис взаємодій білків із лігандами

Для виконання своєї функції міоглобін повинен бути здатний не лише зв'язувати кисень, а й вивільняти його за необхідності. При багатьох хімічних процесах відбуваються подібні оборотні взаємодії білка і ліганду.Таким чином, кількісний опис взаємодії білка та ліганду є ключовим моментом багатьох біохімічних досліджень.

У загальному випадку оборотне зв'язування білка (Р) та ліганду (L) може бути описане простою оборотною ракцією:

Ця реакція, яка характеризується константою рівноваги_а:

де r_a та r_d - це константи швидкості (докладніше про них буде сказано нижче). Константа До_а - Константа асоціації (не плутайте з константою дисоціації кислоти; с. 94), що описує рівновагу між комплексом і його компонентами у вільному стані. Константа асоціації вимірюється в М-1; що більше значення цієї константи, то вище спорідненість ліганду і білка.

Константа рівноваги Ка дорівнює відношенню швидкостей прямої (освіта комплексу) і зворотної (дисоціація комплексу) реакцій. Реакція утворення комплексу описується константою швидкості ra, а реакція дисоціації – константою швидкості rd. Як ми обговоримо в наступному розділі, константи швидкості є константами пропорційності, що визначають частку речовини, що реагує за цей проміжок часу. Якщо реакції бере участь одна молекула, як із дисоціації РL —> Р + L, це реакція першого порядку, а відповідна константа швидкості (rd) має розмірність зворотного часу (с -1 ). Якщо реагують дві молекули, як із освіті комплексу Р + L —> РL, така реакція називається реакцією другого порядку, а розмірність відповідної константи швидкості (r_а) - М-1 з -1.

Константи рівноваги прийнято позначати великою літерою К, а константи швидкості — малої r.■

Якщо обидві частини рівняння 5-2 помножити на концентрацію ліганду, стане видно, що відношення концентрацій зв'язаного і вільного білка прямо пропорційно концентрації вільного ліганду;

Якщо концентрація ліганду багаторазово перевищує кількість центрів зв'язування ліганду на молекулах білка, то зв'язування ліганду з білком практично не впливає на концентрацію вільного (незв'язаного) ліганду, тобто залишається постійною. Це припущення можна застосувати до більшості лігандів, що зв'язуються з білками в клітині, і значно спрощує наші обчислення.

Тепер ми можемо ввести параметр θ (тета), який відображатиме частку зайнятих центрів зв'язування ліганду на молекулах білка:

Підставивши замість [РL] добуток Ка[Р][L] (див. рівняння 5-3) і зробивши деякі перетворення, отримуємо:

Таблиця 5-1. Константа дисоціації деяких комплексів із лігандами*

Рецептор інсуліну (людини)

Анти-ВІЛ антитіла (людини)

gp41 (поверхневий антиген ВІЛ-1)

Нікельзв'язуючий білок (E. соli)

Кольорові лінії означають діапазон значень констант дисоціації при деяких типових взаємодіях у біологічних системах. Декілька реакцій, такі як взаємодія білка авідину та кофактора ферментів біотину, виходять за рамки нормального діапазону. Зв'язування авідину з біотином таке міцне, що реакцію вважатимуться незворотною. Специфічна до послідовності взаємодія білка з ДНК характеризує білки, що зв'язуються з певною послідовністю нуклеотидів у ДНК, на відміну від зв'язування з довільною ділянкою ДНК.

Дані значення констант дисоціації вірні лише за тих конкретних умов, у яких були визначені.Значення Кd можуть сильно змінюватися (іноді на кілька порядків) при зміні концентрації солей та рН розчину, а також деяких інших параметрів.

* Зв'язок авідину з біотином (кофактором ферментів) є одним із найбільш міцних нековалентних зв'язків, відомих у біохімії на сьогоднішній день.

** Кальмодулін має чотири центри зв'язування кальцію. Тут наведено значення К_d для центрів зв'язування з найбільшою та найменшою спорідненістю, отримані в одному експерименті.

Значення До_а можна визначити з графіка залежності від концентрації вільного ліганду ([L]), як показано на рис. 5-4 а. Графіком будь-якого рівняння виду х = у/(у + z)є гіпербола, таким чином, θ являє собою гіперболічну функцію [L]. У міру збільшення [L] частка зайнятих центрів зв'язування асимптотично прагне одиниці (насичення). Концентрація ліганду, за якої зайнята половина центрів зв'язування (θ = 0,5), відповідає 1/К_a.

Мал. 5-4. Графічне уявлення зв'язування ліганду. Наведено залежність частки зайнятих центрів зв'язування ліганду (θ) від концентрації вільного ліганду. Обидві криві описуються гіперболічним рівнянням, а) Крива зв'язування гіпотетичного ліганду L. Концентрація ліганду, за якої зайнята половина центрів зв'язування, відповідає 1/К_a або До_d. Крива має горизонтальну асимптоту при θ = 1 і вертикальну асимптоту при [L] = -1/К_a (не показано); б) Крива зв'язування кисню з міоглобіном. Парціальний тиск кисню в газовій фазі над розчином виражений у кілопаскалях (кПа). Кисень має високу спорідненість до міоглобіну, тому значення Р₅₀ становить лише 0,26 кПа.

Найчастіше використовують більш зрозумілий параметр. константу дисоціації До_a = 1 / До_a. Константа К_d вимірюється на молях і характеризує реакцію вивільнення ліганду, т. е. дисоціацію комплексу РL.

При [L] = Кd зайнята половина центрів зв'язування ліганду. У міру зниження [L] менша частка білка пов'язує ліганд. Для зв'язування ліганду в 90% доступних центрів зв'язування значення [L] має у дев'ять разів перевищувати К_d.

Насправді як міру спорідненості білка до ліганду константу К_d використовують набагато частіше, ніж Ка. Зверніть увагу, що чим менше Кd, тим вище спорідненість білка до ліганду. Математичні викладки привели нас до простого твердження: константа Кd дорівнює молярній концентрації ліганду, за якої зайнята половина доступних центрів зв'язування. У цій точці спостерігається напівнасичення білка лігандом. Чим вище спорідненість білка до ліганду, тим менше концентрація ліганду, необхідна для досягнення напівнасичення, тобто тим менше_d. Деякі значення констант дисоціації представлені у табл. 5-1; на масштабній лінійці нанесено типові для біологічних систем значення констант дисоціації.

Приклад 5-1. Константи дисоціації комплексу «Рецептор-Ліганд»

Два білки X і Y пов'язують той самий ліганд А; криві зв'язування наведено нижче.

Якою є константа дисоціації Кd для кожного білка? Який білок (X або Y) має більш високу спорідненість до ліганду А?

Рішення. Константи дисоціації можна знайти із графіків. Якщо θ є частка центрів зв'язування, зайнятих лігандом, то концентрація ліганду, при якій зайнята половина центрів зв'язування (тобто точка, в якій крива зв'язування перетинає пряму θ = 0,5), відповідає константі дисоціації. У разі білка X К_d = 2 мкМ; у разі білка Y К_d = 6 мкМ.Оскільки половина насичення X досягається при більш низькій концентрації ліганду [А], його спорідненість до ліганду вище, ніж спорідненість білка Y.

Зв'язування кисню з міоглобіном підпорядковується описаним вище закономірностям. Однак оскільки кисень є газом, ми повинні дещо змінити наші рівняння для їх використання в лабораторній практиці. Для початку замість концентрації ліганду в рівняння 5-8 підставимо концентрацію розчиненого кисню:

Як і для будь-якого іншого ліганду, константа К_d дорівнює концентрації кисню, за якої зайнята половина центрів зв'язування міоглобіну.

Позначимо цю концентрацію через [Про₂]0,5. Рівняння 5-9 набуде вигляду:

У тих випадках, коли як ліганд виступає кисень, змінним параметром є парціальний тиск кисню в газовій фазі над розчином (рO₂), оскільки його легше контролювати, ніж концентрацію розчиненого кисню у рідкій фазі. Концентрація летючої речовини у розчині завжди пропорційна його парціальному тиску в газовій фазі. Таким чином, якщо ми позначимо парціальний тиск кисню при його концентрації₂]_0,5 як Р₅₀ і зробимо заміни в рівнянні 5-10, то отримаємо наступне вираз:

Крива зв'язування міоглобіну з киснем у координатах від рO₂ представлена ​​на рис. 5-4, б.

Структура білка впливає зв'язування з лігандом

Зв'язування ліганду з білком рідко здійснюється так просто, як здається при розгляді рівняння реакції. Ця взаємодія значною мірою залежить від структури білка та часто супроводжується конформаційними змінами. Наприклад, специфічність зв'язування гему з лігандами змінюється, коли він вбудований у молекулу міоглобіну.Спорідненість монооксиду вуглецю до вільного гему в 20 000 разів перевищує спорідненість кисню (т. Е. До_d або Р₅₀ для зв'язування СО з вільним гемом в 20 000 разів нижче, ніж відповідні значення для кисню), однак спорідненість до гему у складі міоглобіну лише в 200 разів вище спорідненості кисню. Ця відмінність частково пояснюється стеричними факторами. При зв'язуванні O₂ з вільним гемом вісь молекули кисню розташована під кутом зв'язку Fе—О (рис. 5-5, а). Навпаки, при зв'язуванні СО з вільним гемом усі три атоми — Fе, С та О — розташовані на одній прямій (рис. 5-5, б). В обох випадках утворення зв'язку визначається геометрією гібридних орбіталей кожного ліганду. Коли гем пов'язаний з міоглобіном, залишок His 64 (His Е7) на O₂-зв'язувальній стороні гема розташований занадто далеко, щоб координувати гемове залізо, але тим не менш здатний взаємодіяти з лігандом гема. Цей залишок, званий дистальним гістидином, утворює водневий зв'язок з молекулою O₂ (рис. 5-5, в), але може перешкоджати лінійному зв'язуванню СО, що пояснює відносне зниження спорідненості СО до гему у складі міоглобіну (і гемоглобіну). Це має важливе фізіологічне значення, оскільки СО є мінорним побічним продуктом клітинного метаболізму. Можливо, існують і якісь інші фактори, що модулюють взаємодію гему з СО у цих білках.

Мал. 5-5. Стеричні ефекти при зв'язуванні лігандів із гемом у складі міоглобіну. а) При зв'язуванні кисню з гемом вісь молекули O₂ розташована під кутом до порфіринового кільця, що цілком допускає конформацію міоглобіну.б) При зв'язуванні монооксиду вуглецю з вільним гемом вісь молекули З перпендикулярна площині порфіринового кільця. При зв'язуванні з гемом у складі міоглобіну молекула СО повинна дещо зігнутися, оскільки її вертикальному положенню заважає залишок His Е7 (дистальний His). Це погіршує зв'язування ЗІ з міоглобіном. в) Ще один спосіб представлення гема у складі міоглобіну (PDB ID 1МВO), що демонструє розташування ключових амінокислотних залишків. Молекула O₂ утворює водневий зв'язок з дистальним His (His Е7 або His 64), що ще полегшує зв'язування кисню.

Зв'язування кисню з гемом у міоглобіні залежить, крім того, від коливань молекули білка. Гем захований глибоко всередині білкової глобули, отже кисень може безпосередньо проникнути з розчину до центру зв'язування. Якби білок мав жорстко фіксовану структуру, кисень не міг би хоч у значній мірі зв'язуватися або вивільнятися з комплексу з гемом. Але швидкі вигини бічних ланцюгів амінокислотних залишків сприяють короткочасному утворенню пір у структурі білка, що дозволяють кисню проникати всередину глобули та виходити назовні. Комп'ютерне моделювання швидких структурних флуктуацій у молекулі міоглобіну підтверджує існування кількох подібних шляхів. Один з основних шляхів відкривається при обертанні бічного ланцюга дистального His (His Е7), що відбувається в часовому інтервалі кількох наносекунд (10 -9 с). Цей факт ще раз підтверджує, що ледь помітні конформаційні зміни можуть мати вирішальне значення для активності білка.

Гемоглобін переносить кисень у крові

Кисень зв'язуючий білок гемоглобін - транспорт кисню.Практично весь кисень, що транспортується кров'ю в організмі тварин, пов'язаний з гемоглобіном і переноситься за його допомогою у складі еритроцитів (червоних клітин). Нормальні еритроцити людини є невеликими двояковогнутими дисками з діаметром від 6 до 9 мкм. Вони утворюються зі стовбурових клітин-попередників - Гемоцитобластів. У процесі дозрівання стовбурові клітини утворюють дочірні клітини, які синтезують велику кількість гемоглобіну і втрачають ряд внутрішньоклітинних органел - ядро, мітохондрії та ендоплазматичний ретикулум. Таким чином, еритроцити є неповноцінними, рудиментарними клітинами, нс здатними до самовідтворення, які в організмі людини живуть не більше 120 днів. Основна функція еритроцитів - це перенесення гемоглобіну, розчиненого в цитозолі у високій концентрації (масова частка близько 34%).

В артеріальній крові, що проходить від легень через серце до периферичних тканин, гемоглобін приблизно на 96% насичений киснем. У венозній крові, що повертається до серця, гемоглобін насичений киснем лише на 64%. Таким чином, кожні 100 мл крові залишають у тканинах близько однієї третини кисню, що міститься в крові, т.е. е. 6,5 мл газоподібного O₂ (При атмосферному тиску та температурі тіла).

Міоглобін, у якого крива зв'язування кисню має вигляд гіперболи (рис. 5-4, б), порівняно малочутливий до невеликих змін концентрації розчиненого кисню і тому може використовуватися як сховище (депо) кисню. Гемоглобін, що складається з декількох субодиниць і має кілька центрів зв'язування O₂, краще пристосований для транспортування киснюЯк ми побачимо далі, взаємодія між субодиницями мультимерного білка сприяє його високій чутливості до невеликих змін концентрації ліганду. Взаємодія між субодиницями гемоглобіну викликає конформаційні зміни, які змінюють спорідненість білка до кисню. Регулювання зв'язування O₂ дозволяє білкам, що транспортують кисень, реагувати на зміни потреб у кисні у тканинах.

Субодиниці гемоглобіну мають структуру, подібну до структури міоглобіну.

Гемоглобін (Нb) має молекулярну масу 64 500 і є практично сферичною молекулою з діаметром близько 5,5 нм. Цей тетрамерний білок містить чотири простетичні гемові групи, кожна з яких з'єднана з одним поліпептидним ланцюгом. Гемоглобін дорослої людини складається з глобінів двох типів — двох α-ланцюгів (кожен містить 141 амінокислотний залишок) та двох β-ланцюгів (по 146 амінокислотних залишків). Хоча амінокислотні послідовності α- та

β-субодиниць збігаються менш ніж на 50%, тривимірні структури цих двох типів субодиниць дуже схожі. Більш того, їх конформація дуже нагадує структуру міоглобіну (рис. 5-6), незважаючи на те, що три поліпептидні послідовності мають ідентичні амінокислотні залишки лити у 27 позиціях (рис. 5-7). Усі три поліпептиди відносяться до сімейства глобінів. Правила позначення спіральних ділянок, описані вище для міоглобіну, застосовні і до поліпептидів гемоглобіну, за винятком того, що його α-субодиниця не має короткої спіралі D. Гемзв'язувальна кишеня сформована в кожній субодиниці головним чином спіралями Е і F.

Мал. 5-6. Порівняння структури міоглобіну (PDB ID 1МВO) та β-субодиниці гемоглобіну (PDB ID 1HGA).

Рис.5-7. Порівняння амінокислотних послідовностей міоглобіну кита і α-субодиниць гемоглобіну людини. спіральні ділянки можна назвати відповідно з існуючими домовленостями, що підкреслює однакове розташування ідентичних амінокислотних залишків у всіх трьох структурах (виділені кольором). у лінійних поліпептидних послідовностях. Наприклад, дистальний залишок His у всіх трьох послідовностях називається His Е7, але в послідовностях Mb, Нb і Нb β він являє собою His 64 , His 58 і His 63 . ) та останньої (Н) α-спіральної ділянки на N- і С-кінцях послідовності, відповідно позначаються як NA і СР.

Четвертична структура гемоглобіну характеризується сильною взаємодією між субодиницями різних типів.₁β₁ (та аналогічним чином у зоні контакту α₂β₂₎ розташовано більше 30 амінокислотних залишків, і це забезпечує настільки високу міцність взаємодії, що хоча при обробці гемоглобіну сечовиною в порівняно м'яких умовах тетрамер розпадається на два ap-димери, далі ці димери нс розпадаються.₁β₂ (і α₂β₁) задіяно по 19 статків (рис. 5-8).У місцях контактів переважають гідрофобні взаємодії, проте утворюються водневі зв'язки та іонні пари (іноді звані сольовими містками), значення яких ми обговоримо далі.

Мал. 5-8. Основні взаємодії між субодиницями гемоглобіну. α-субодиниці зображені світлішими, β-субодиниці — темнішими. Найбільш сильна взаємодія (виділено) спостерігається між субодиницями різних типів. Зв'язування кисню слабко впливає контакт α₁β₁, однак у контакті α₂β₂ спостерігаються значні зміни із розривом кількох іонних пар (РDВ ID 1HGА).

Зв'язування кисню супроводжується структурними перебудовами гемоглобіну.

Методом рентгеноструктурного аналізу було показано наявність двох основних конформацій гемоглобіну, які називаються R- та Т-станами. Кисень зв'язується з гемоглобіном, що знаходиться в будь-якому стані, але набагато більша спорідненість він все ж таки має до гемоглобіну в стані R. Зв'язування з киснем стабілізує R-стан.

Експериментально показано, що відсутність кисню більш стійким є стан Т і переважає конформація дезоксигемоглобіну. Літери Т і R вихідно позначали відповідно напружену (англ, tense) та релаксовану (англ. relaxed) конформацію, оскільки стан Т стабілізовано великою кількістю іонних пар, багато з яких розташовані в зоні контакту α₁β₂ (і α₂β₁) (рис. 5-9). Зв'язування кисню з субодиницею гемоглобіну, що знаходиться в стані Т, призводить до конформаційних змін і переходу в стан R.В результаті зміни конформації всього білка структура окремих субодиниць змінюється слабо, проте пари αβ-субодиниць ковзають одна по одній і повертаються, так що відстань між β-субодиницями зменшується (рис. 5-10). При цьому руйнуються деякі іонні пари, що стабілізують стан Т і утворюються нові.

Мал. 5-9. Деякі іонні пари, що стабілізують стан Т дезоксигемоглобіну. а) Великий план фрагмента молекули дезоксигемоглобіну, яка перебуває у стані T (PDB ID 1HGA). Пунктирними лініями зображені іонні пари, утворені між His НСЗ та Asp FG1 з β-субодиниці (показана синім кольором), а також між Lys С5 з a-субодиниці (показана сірим кольором) та α-карбоксильною групою His НСЗ з β-суб'ї. (Згадайте, що НСЗ - це С-кінцевий залишок β-субодиниці.) б) Взаємодії між зазначеними, а також іншими іонними парами схематично зображені на лінійних поліпептидних ланцюгах субодиниць гемоглобіну.

Мал. 5-10. Перехід зі стану Т стан R (PDB ID 1HGA і 1ВВВ). β-субодиниці зображені синім кольором, α-субодиниці — сірим, як і на рис. 5-9. Позитивно заряджені бічні ланцюги і кінцеві залишки, що у освіті іонних пар, виділені синім кольором, які негативно заряджені партнери виділені червоним кольором. Зображено, але не підписано залишки Lys С5 у кожній α-субодиниці та залишки Asp FG1 у кожній β-субодиниці (пор. рис. 5-9, а). Зауважте, що молекули повернені дещо інакше, ніж на рис. 5-9. Перехід зі стану Т стан R сильно зміщує пари субодиниць, викликаючи зміни в деяких іонних парах.Особливо важливо, що залишок His НСЗ на С-кінці β-субодиниці, що бере участь у освіті сольового містка в стані Т, у стані R повертається до центру молекули і не утворює іонної пари. Ще одним важливим результатом переходу T -> R є звуження кишені між β-субодиницями.

Макс Перутц припустив, що сигналом до здійснення переходу Т -> R є зміна положення бічних ланцюгів ключових амінокислотних залишків, що оточують гем. У стані Т порфіринове кільце дещо стиснуте, так що гемове залізо трохи висунуто у бік проксимального гістидину (His F8). При зв'язуванні кисню гем приймає більш плоску конформацію, що змушує зрушити проксимальний His та F-спіраль (рис. 5-11). Ці зрушення призводять до коригування іонних пар у зоні контакту α₁β₂.

Мал. 5-11. Конформаційні зміни в області гему при зв'язуванні кисню з дезоксигемоглобіном (РDВ ID 1HGА та 1ВВВ). Зсув спіралі F при зв'язуванні гема з молекулою O₂ вважають одним із змін у структурі молекули, які провокують перехід Т —> R.

Зв'язування кисню з гемоглобіном – кооперативний процес

Гемоглобін повинен ефективно зв'язувати кисень у легенях, де рO₂ становить приблизно 13,3 кПа, і вивільняти його в тканинах, де рO₂ приблизно дорівнює 4 кПа. Міоглобін або будь-який інший білок, що характеризується гіперболічною кривою зв'язування з киснем, не підходить для виконання цього завдання з причин, показаних на рис. 5-12. Білок, що має високу спорідненість до кисню, буде ефективно зв'язувати його в легенях, але не вивільнятиме в тканинах у достатній кількості.Якщо білок має порівняно низьку спорідненість до кисню, що дозволяє вивільняти його в тканинах, він зможе зв'язувати достатню кількість кисню в легенях.

У разі гемоглобіну ця проблема вирішується шляхом переходу з низькоафінного стану (стану Т) у високоафінний (стан R) у міру зв'язування молекул O₂. В результаті крива зв'язування гемоглобіну з киснем має S-подібний (сигмоподібний) характер (рис. 5-12). Білок, що складається з однієї субодиниці з одним центром зв'язування ліганду, не може мати S-подібну криву зв'язування навіть за умови, що це зв'язування супроводжується конформаційними змінами, оскільки кожна молекула ліганду зв'язується незалежно і нс може впливати на взаємодію з іншими молекулами. Навпаки, приєднання O до однієї субодиниці гемоглобіну змінює спорідненість до кисню інших субодиниць. Перша молекула O₂, що взаємодіє з дезоксигемоглобіном, зв'язується слабо, оскільки субодиниця знаходиться в стані Т. Але це взаємодія призводить до конформаційних змін, що зачіпають сусідні субодиниці, у результаті полегшується приєднання наступних молекул O₂. Справді, перехід Т -> R у другій субодиниці здійснюється швидше, якщо в першій субодиниці відбулося зв'язування O₂. Остання (четверта) молекула кисню зв'язується з гемом у субодиниці, що вже перебуває у стані R, і тому спорідненість гемоглобіну до четвертої молекули кисню набагато вища, ніж до першої.

Мал. 5-12. Сигмовидна крива, що відбиває кооперативність зв'язування. Сигмоподібну (S-подібну) криву можна розглядати як гібридну криву, що відображає перехід від низькоафінного до високоафінного стану.Сигмовидна крива свідчить про те, що кооперативне зв'язування робить гемоглобін більш чутливим до невеликих змін концентрації O₂ між тканинами та легкими. В результаті стає можливим зв'язування кисню в легенях (де парціальний тиск кисню високий) та його вивільнення в тканинах (де рО₂ низька).

Білок, в якому зв'язування ліганду в одному центрі молекули впливає на зв'язування в іншому центрі, називається алостеричним білком. Термін «алостеричний» походить від грецьких слів alios («інший») та stereos («твердий» або «форма»). Таким чином, алостеричними називають білки, що набувають «іншу форму» або конформацію при зв'язуванні лігандів (модуляторів). Конформаційні зміни, індуковані модулятором (або модуляторами), є переходами між менш активною і більш активною формами білка. Модулятори алостеричних білків можуть бути інгібіторами чи активаторами. Якщо роль ліганду і модулятора виконує одну і ту ж речовину, таку взаємодію називають гомотропним, в іншому випадку взаємодію називають гетеротропним. Деякі білки мають два або кілька модуляторів і, отже, можуть брати участь як у гомотропних, так і гетеротропних взаємодіях.

Кооперативне зв'язування ліганду з мультимерним білком, подібне до того, яке ми спостерігали у разі взаємодії гемоглобіну.

з киснем, є формою алостеричного взаємодії, яке часто відбувається у мультимерних білках. Зв'язування одного ліганду змінює спорідненість інших центрів зв'язування, так що кисень в даному випадку виступає і як ліганд, і як активує гомотропного модулятора.На кожній субодиниці є лише один центр зв'язування₂, та алостеричні ефекти, що призводять до кооперативного зв'язування, опосередковані кон-

формаційними змінами, що передаються від однієї субодиниці до іншої внаслідок їх взаємодій. Сигмовидна крива зв'язування свідчить про кооперативність взаємодії. Такий тип зв'язування набагато чутливіший до концентрації ліганду і використовується в багатьох мультисубодиничних білках. Принципи алостеричного взаємодії застосовні також і до регуляторних ферментів, як побачимо далі в гол. 6.

Кооперативні конформаційні зміни залежить від відмінностей у структурної стабільності окремих частин білка, обговорюваних в гол. 4. Центр зв'язування алостеричного білка зазвичай побудований із стійких фрагментів, поблизу яких розташовані порівняно лабільні ділянки, здатні часто змінювати свою конформацію чи перебувають у безладному переміщенні (рис. 5-13). При зв'язуванні ліганду рухомі частини центру зв'язування стабілізуються у певній конформації, що спричиняє зміну конформації прилеглих ділянок поліпептидного ланцюга. Якби весь центр зв'язування мав жорстко зафіксовану структуру, то при зв'язуванні ліганду лише невеликі структурні зміни могли б виникати у ньому самому та поширюватись на інші ділянки білка.

Мал. 5-13. Структурні перебудови в мультисубодиничному білку в процесі кооперативного зв'язування ліганду. Структурна стабільність білкової молекули у різних ділянках може бути різною. На цій схемі представлений гіпотетичний димерний білок, що має ділянки високої (синій колір), проміжної (зелений колір) та низької стабільності (рожевий колір).Центр зв'язування ліганду побудований з ділянок як з високою, так і низькою стабільністю, так що спорідненість білка до ліганду порівняно невелика. Конформаційні зміни, що відбуваються при зв'язуванні ліганду, переводять білок із низькоафінного у високоафінний стан — варіант індукованої відповідності.

Подібно до міоглобіну, гемоглобін може пов'язувати не тільки кисень, але й інші ліганди. Важливим прикладом є зв'язування монооксиду вуглецю (чадного газу), який зв'язується з гемоглобіном приблизно в 250 разів краще, ніж кисень. Вдихання ЗІ може спричинити дуже тяжкі наслідки для здоров'я людини (дод. 5-1).

Кооперативне зв'язування ліганду можна описати кількісно

Кооперативне зв'язування кисню з гемоглобіном вперше було проаналізовано Арчибальдом Хіллом у 1910 р. Саме на цій роботі засновано загальний підхід до вивчення кооперативної взаємодії лігандів з мультисуб'єднувальними білками.

Для білка, що має n центрів зв'язування, рівняння 5-1 можна привести до вигляду

а вираз для константи асоціації можна записати так:

Аналогічно рівнянню 5-8 запишемо вираз для θ

Зробимо перестановку та візьмемо логарифм обох частин рівняння:

Вираз 5-16 називають рівнянням Хілла, а графік у координатах lg [θ/(1 - θ)] від lg[L] називають графіком Хілла. Відповідно до рівнянням кут нахилу графіка Хілла повинен дорівнювати п. Але кут нахилу, визначений на підставі експериментальних даних, насправді відображає не число центрів зв'язування, а ступінь взаємодії між ними. Тому кут нахилу графіка Хілла, названий коефіцієнтом Хілла (n_H), є мірою кооперативності.Якщо коефіцієнт Хілла дорівнює одиниці, зв'язування ліганду не кооперативне, що можливе навіть у мультисубодиничному білку, якщо його субодиниці не взаємодіють один з одним. Значення nH>1 вказує на наявність позитивної кооперативності при зв'язуванні ліганду. Саме така ситуація спостерігається у разі гемоглобіну, коли зв'язування однієї молекули ліганду сприяє зв'язуванню інших молекул. Теоретична верхня межа значення nH дорівнює n. У такому разі взаємодія повністю кооперативна: всі центри зв'язування на молекулі білка повинні зв'язувати ліганд одночасно, і не повинно існувати частково насичених білком лігандом. На практиці ця межа ніколи не досягається; значення nH, що вимірюється, завжди менше реального числа центрів зв'язування ліганду в білку.

Для того, щоб застосувати рівняння Хілла до зв'язування кисню з гемоглобіном, слід замінити [L] на рO₂ і К_d на P n ₅₀:

Додаток 5-1. МЕДИЧИНА. Чадний газ: невидимий вбивця

Озеро Пауелл, Арізона, США, серпень 2000 Сім'я проводила канікули на орендованій плавучій баржі. Вони включили електричний генератор, оскільки користувалися кондиціонером та дивилися телевізор. Приблизно через чверть години два брати у віці 8 та 11 років зістрибнули у воду з кормової палуби. Прямо під нею була витяжка генератора. За дві хвилини обидва хлопчики надихалися чадним газом, що накопичився в просторі під палубою, і потонули. Цей випадок, а також багато інших, що сталися у 1990-х роках. на плавучих баржах подібної конструкції призвели до того, що ці судна були відкликані для реконструкції витяжки генераторів.

Монооксид вуглецю (СО, чадний газ) - газ без кольору та запаху; у всьому світі щорічно більше половини померлих від отруєння загинули від дії чадного газу. Спорідненість СО до гемоглобіну приблизно в 250 разів перевищує спорідненість кисню. В результаті порівняно невисокий рівень СО у повітрі може призвести до трагічних наслідків. Комплекс, що утворюється при зв'язуванні ЗІ з гемоглобіном, називають карбоксигемоглобіном (СОНb).

Деяка кількість СО утворюється в результаті природних процесів, проте локальне високий вміст цього газу повітря, як правило, є результатом діяльності людини. Дуже великий внесок у підвищення рівня СО роблять вихлопні гази та газоподібні відходи виробництв, оскільки СО — побічний продукт неповного згоряння викопного палива. Тільки США щорічно близько 4000 людина стають жертвою отруєння СО (як випадково, і навмисно). Багато нещасних випадків пов'язані з накопиченням СО в замкнутих просторах, наприклад, у будинках при неакуратному протоплюванні печі. Однак отруїтися СО можна і на відкритому повітрі, вдихаючи вихлопи генераторів, моторів човнів, тракторів, різних транспортних засобів або газонокосарок.

Концентрація СО в атмосфері рідко досягає небезпечного рівня: зазвичай вона коливається від 0,05 ppm (частин на мільйон) у віддалених та малонаселених районах до 3-4 ppm у деяких містах північної півкулі. За нормами, прийнятими в США, кількість поглиненого людиною за восьмигодинний робочий день СО не повинна перевищувати 50 ppm. Висока спорідненість СО до гемоглобіну означає, що СОНb може накопичуватися в організмі людини, що постійно знаходиться поблизу джерела СО, навіть з низьким рівнем вмісту цього газу.

У середньому у здорової людини до 1% загального гемоглобіну крові пов'язано у комплексі СОНb. Оскільки СО міститься в тютюновому димі, у багатьох курців рівень пов'язаного у вигляді СОНЬ гемоглобіну становить 3-8%, а у затятих курців може досягати 15%. У людей, які протягом кількох годин дихають повітрям із вмістом 570 ppm, рівень СОНb досягає 50%. Було розроблено точні методи, що дозволяють визначати рівень СОНb у крові на підставі вмісту СО в атмосфері (рис. 1). На плавучих баржах, що мають генератор з таким вихлопним пристроєм, як те, що спричинило смерть хлопчиків на озері Пауелл, рівень СО під кормовою палубою досягав 6-30 тис. ppm, а рівень кисню там знижений з 21 до 12%. Навіть на кормовій палубі концентрація СО становила близько 7200 ppm; цього цілком достатньо, щоб спричинити смерть за лічені хвилини.

Мал. 1. Співвідношення між рівнем СОНb у крові та концентрацією СО у повітрі. Експерименти проводили у чотирьох типах умов, причому порівнювали результати короткого та тривалого впливу СО, а також вплив СО на людину у стані спокою та при фізичному навантаженні.

Як впливає СОНb на стан людини? Якщо комплекс пов'язано менше 10% всього гемоглобіну, то симптоми практично немає. При рівні 15% у деяких людей починаються головні болі, а за 20-30% ці болі стають дуже сильними і зазвичай супроводжуються нудотою, запамороченням, порушенням орієнтації та зору. Подібні симптоми зазвичай зникають, якщо пацієнтові дають дихати киснем. При рівні СОНb від 30 до 50% неврологічні прояви стають важчими, а за 50% СОНb людина втрачає свідомість і може впасти в кому; можливе зупинення дихання.Якщо людина піддавалася впливу СО тривалий час, деякі порушення можуть стати незворотними. Смерть зазвичай настає за рівня СОНЬ вище 60%. Розтин тіл хлопчиків, які загинули на озері Пауелл, показало, що рівень СОНb у них становив 59 і 52%.

На зв'язування СО з гемоглобіном впливають кілька факторів, у тому числі фізичне навантаження (рис. 1) та зміна тиску повітря на різній висоті над рівнем моря. Через високий базовий рівень СОНb у крові курці часто відчувають симптоми від впливу СО швидше, ніж некурці. Люди із захворюваннями серця, легенів та крові, при яких знижується доступ кисню до тканин, також можуть відчувати симптоми отруєння при нижчому рівні СО, ніж здорові люди. Особливо високому ризику при підвищенні рівня СО піддається плід в утробі матері, оскільки гемоглобін плода має ще більшу спорідненість із СО, ніж гемоглобін дорослого. Відомі випадки отруєння чадним газом вагітних жінок, коли плід гинув, а мати залишалася живою.

Може здатися дивним, що зв'язування половини гемоглобіну в комплексі СОНЬ призводить до загибелі, тоді як люди з тяжкою анемією, при якій рівень Нbзнижений удвічі, живуть практично нормально. Справа полягає в тому, що зв'язування СО не тільки видаляє частину гемоглобіну, здатного переносити кисень, а й впливає на спорідненість до кисню вільних субодиниць гемоглобіну. При зв'язуванні СО з однією або двома субодиницями тетрамеру гемоглобіну спорідненість до O₂ в інших субодиниць підвищується (рис. 2). Такий гемоглобін може ефективно пов'язувати кисень у легенях, але дуже неохоче вивільняє його у тканинах.Нестача кисню у тканинах швидко призводить до тяжких наслідків. Крім того, вплив не обмежується лише зв'язуванням гемоглобіну; СО взаємодіє з іншими гемовими білками та багатьма металопротеїнами. Усі деталі цих взаємодій ще з'ясовані, проте вважається, що саме тут криється причина деяких довгострокових проявів гострого, але з смертельного отруєння СО.

Мал. 2. Криві зв'язування кисню для нормального гемоглобіну, гемоглобіну пацієнта з анемією, у якого функціонує лише 50% гемоглобіну, а також гемоглобіну пацієнта, у якого 50% субодиниць гемоглобіну утворюють комплекси із СО. Вказано значення рO₂ у легенях та тканинах людини.

При підозрі на отруєння чадним газом необхідно якнайшвидше видалити потерпілого від джерела, проте це не завжди призводить до швидкої нормалізації стану. При переміщенні потерпілого в нормальну атмосферу кисень починає витісняти З комплексу з гемоглобіном. Але зміст СОНb знижується досить повільно; час напіввиведення СО становить від 2 до 6,5 год залежно від індивіда та факторів навколишнього середовища. Якщо пацієнту через маску вводять чистий кисень, швидкість виведення СО збільшується приблизно в чотири рази. Якщо подавати чистий кисень під тиском 3 атм (303 кПа), то час заміни на O₂скорочується до кількох десятків хвилин. Таким чином, при отруєнні СО необхідна швидка та спеціалізована медична допомога.

У запобіганні отруєнням можуть бути корисними домашні детектори СО. Це простий та недорогий спосіб захисту від можливої ​​трагедії.Після підготовки матеріалу для цього доповнення ми негайно придбали кілька нових детекторів СО для своїх квартир.

Графіки Хілла для міоглобіну та гемоглобіну представлені на рис. 5-14.

Мал. 5-14. Графіки Хілла для зв'язування кисню з міоглобіном та гемоглобіном. У разі n_H = 1 неоперативність немає. У разі гемоглобіну максимальний ступінь кооперативності n_H = 3. Хоча це значення вказує на високий ступінь кооперативності, воно все ж таки нижче за число центрів зв'язування кисню в молекулі гемоглобіну. Це нормальна ситуація для білків з алостеричним механізмом дії.

Дві моделі кооперативного зв'язування

Біохімікам вже багато відомо щодо Т-і R-станів гемоглобіну, проте механізм переходу Т -> R ясний не до кінця. Великий внесок у вирішення цієї проблеми зробили дві моделі, що описують кооперативне зв'язування лігандів з білками, що мають кілька центрів зв'язування.

Перша модель була запропонована Жаком Моно, Джеффрі Уайменом та Жаном-П'єром Шанже у 1965 р. і називається моделлю Моно-Уаймена-Шанже або симетричною моделлю (Рис. 5-15, а). У даній моделі передбачається, що субодиниці білка, що бере участь у кооперативній взаємодії з лігандом, функціонально ідентичні, що кожна субодиниця може існувати принаймні у двох конформаціях, і що всі субодиниці одночасно переходять з однієї конформації в іншу. В рамках даної моделі не допускається, що білок може мати субодиниці, що знаходяться у різних конформаціях. Дві конформації перебувають між собою у рівновазі. Ліганд здатний зв'язуватися з будь-якою конформацією, але з різною спорідненістю.Послідовне зв'язування молекул ліганду з білком у низькоафінній конформації (яка найбільш стійка у разі відсутності ліганду) підвищує ймовірність переходу у високоафінний стан.

Мал. 5-15. Дві основні моделі, що пояснюють взаємні перетворення активної та неактивної форм білків при кооперативному зв'язуванні лігандів. У принципі, ці моделі застосовуються до будь-яких білків (у тому числі і ферментів, див. гл. 6), здатних до кооперативного зв'язування лігандів; в даному випадку зображені білки, що складаються з чотирьох субодиниць, оскільки спочатку моделі були запропоновані для гемоглобіну, а) У симетричній моделі (інакше званою моделлю «все або нічого» або моделлю Моно-Уаймена-Шанже) передбачається, що всі субодиниці одночасно знаходяться в однаковій конформації - або неактивною і з низькою спорідненістю (О), або в активній з високою спорідненістю до ліганду (□). Залежно від константи рівноваги між цими формами (К1) зв'язування однієї або більшої кількості молекул ліганду (L) зрушуватиме рівновагу у бік активної форми. Субодиниці, що зв'язали ліганд, виділені кольором. б) У послідовній моделі (моделі індукованої відповідності) кожна субодиниця незалежно від інших може бути або в активній, або в неактивній формі. В результаті можливе існування великої кількості конформаційних станів білка.

Відповідно до другої моделі, званої послідовною моделлю, запропонованої Даніелем Кошланд з колегами в 1966 р., зв'язування ліганду може індукувати конформаційні зміни в окремій субодиниці.Конформаційні зміни в одній субодиниці призводять до аналогічних змін у сусідній, а також підвищують ймовірність зв'язування другої молекули ліганду. Ця модель допускає існування більшої кількості проміжних станів, ніж симетрична модель. Дві описані моделі є взаємовиключними. Симетрична модель (яку іноді називають моделлю «все чи нічого») може розглядатися як окремий випадок послідовної моделі. У гол. 6 ми будемо користуватися цими моделями для опису поведінки алостеричних ферментів.

Гемоглобін переносить Н+ та СO₂

Гемоглобін не тільки переносить від легень до тканин практично весь кисень, необхідний клітинам, але він також переносить утворюються при диханні клітин Н+ та СO₂ від тканин у легені та нирки, де вони виводяться з організму. Газоподібний СO₂, що утворюється при окисленні органічних молекул у мітохондріях, вступає в реакцію з водою і утворює бікарбонат:

Цю реакцію каталізує карбоангідраза, якої особливо багато в еритроцитах. Діоксид вуглецю не дуже добре розчиняється у воді, і якби він не перетворювався на бікарбонат, то утворював би бульбашки в крові та тканинах. Як видно з рівняння реакції, гідратації СО₂ призводить до підвищення концентрації (зниження pH) у тканинах. Зв'язування кисню з гемоглобіном дуже залежить від pH і концентрації СО₂, так що взаємні перетворення СО₂ та бікарбонату відіграють найважливішу роль у регуляції зв'язування та вивільнення кисню в крові.

Гемоглобін переносить близько 40% Н+ та 15-20% СО₂, що утворюються в тканинах, до легень та нирок (залишок Н + поглинається бікарбонатним буфером плазми крові, а залишок СО₂переноситься у вигляді розчинених НСО3- та СО₂).Зв'язування Н+ та СО₂ обернено пропорційно зв'язування кисню. При відносно низькому значенні pH і високій концентрації СО₂ у периферичних тканинах спорідненість гемоглобіну до кисню знижується у міру зв'язування Н+ та СО₂, і кисень вивільняється. І навпаки, у капілярах легень у міру виділення СО₂ і підвищення pH крові спорідненість гемоглобіну до кисню зростає, і білок може пов'язувати більшу кількість₂ для доставки до периферичних тканин. Це вплив pH та концентрації СО₂ на зв'язування та вивільнення кисню гемоглобіном називають ефектом Бора на ім'я датського фізіолога Крістіана Бора (батька фізика Нільса Бора), який відкрив цей ефект у 1904 році.

Рівноважна реакція зв'язування гемоглобіну з однією молекулою кисню виглядає так;

Однак це рівняння неповне. Щоб врахувати вплив концентрації Н + перепишемо його в наступному вигляді:

де HHb+ – це протонована форма гемоглобіну. З цього рівняння випливає, що крива насичення гемоглобіну киснем залежить від концентрації Н+ (рис. 5-16). Гемоглобін зв'язує як O₂, так і H+, але зі зворотним спорідненістю: при високій концентрації кисню (у легенях) гемоглобін зв'язує кисень і вивільняє протон, а при низькій концентрації кисню (у периферичних тканинах) гемоглобін зв'язує протон і вивільняє O₂.

Мал. 5-16. Вплив рН на зв'язування кисню з гемоглобіном. Значення pH крові у легенях становить 7,6, а в тканинах – 7,2. Експерименти зв'язування кисню з гемоглобіном часто проводять при pH 7,4.

Кисень та Н+ зв'язуються в різних ділянках молекули гемоглобіну. Кисень зв'язується з атомом заліза в гемі, а H + - з одним із кількох амінокислотних залишків білка.Основний внесок у ефект Бора робить His 146 (His НСЗ) β-субодиниці. У протонованому стані цей залишок утворює іонну пару з Asp 94 (Asp FG1), що сприяє стабілізації дезоксигемоглобіну в стані Т (рис. 5-9). Утворення іонної пари стабілізує протоновану форму His НСЗ, що відбивається на аномально високому значенні рКa цієї групи у стані Т. При переході у стан R рКa цього залишку гістидину повертається до нормального значення 6,0 оскільки іонна пара розпадається; в оксигемоглобіні при pH 7.6 (нормальне значення pH крові в легенях) цей залишок переважно знаходиться в депротонованій формі. У міру підвищення концентрації Н+ відбувається протонування His НСЗ, що сприяє вивільненню кисню та переходу в стан Т. Аналогічний ефект має протонування N-кінцевих залишків α-субодиниць деяких інших залишків His і, можливо, якихось інших груп.

Таким чином, чотири поліпептидні ціни гемоглобіну взаємодіють один з одним не тільки при зв'язуванні кисню в гемових групах, але і при зв'язуванні протону зі специфічними залишками амінокислот. І це ще не все. Гемоглобін зв'язує також СО₂, причому знову-таки цей процес перебуває у зворотній залежності від зв'язування кисню. Вуглекислий газ зв'язується з кінцевою α-аміногрупою кожної з чотирьох глобінових ланцюгів, у результаті чого утворюється карбаміногемоглобін:

В результаті цієї реакції виділяється ГГ, який робить свій внесок в ефект Бора. Карбаматні групи також беруть участь в утворенні сольових містків (нс показано на рис. 5-9), що сприяє стабілізації стану Т та вивільненню кисню.

При високій концентрації вуглекислого газу (у периферичних тканинах) частина СО₂ зв'язується з гемоглобіном, і спорідненість гемоглобіну до кисню знижується, що призводить до вивільнення₂. І навпаки, при зв'язуванні гемоглобіну з киснем у легенях відбувається вивільнення СО₂. Саме завдяки здатності молекули гемоглобіну передавати інформацію про зв'язування ліганду від однієї субодиниці до іншої цей білок виявляється чудово пристосованим для перенесення еритроцитами₂, СО₂ та Н - .

Зв'язування кисню з гемоглобіном регулюється 2,3-бісфосфогліцератом

Взаємодія 2,3-бісфосфогліцерату (БФГ) з гемоглобіном є прикладом гетеротропної алостеричної регуляції.

БФГ у досить високій концентрації міститься в еритроцитах. Гемоглобін, що виділяється зазвичай містить пов'язаний БФГ, який буває важко видалити повністю. Насправді, криві зв'язування₂ з гемоглобіном, які ми розглядали досі, було отримано у присутності пов'язаного БФГ. Відомо, що БФГ значно знижує спорідненість з гемоглобіном до кисню; існує зворотна залежність між зв'язуванням БФГ і зв'язуванням₂. Отже можна записати рівняння ще однієї реакції зв'язування гемоглобіну з лігандом;

БФГ зв'язується з молекулою гемоглобіну на деякій відстані від центру зв'язування кисню і регулює спорідненість з гемоглобіном до O₂ залежно від парціального тиску кисню у легенях. БФГ грає важливу фізіологічну роль при адаптації людини до зниженого рівня рO₂ на високих висотах. У здорової людини, яка провела якийсь час на березі океану, зв'язування кисню з гемоглобіном відрегульоване таким чином, що кількість O, що доставляється до тканин₂ відповідає ~ 40% від максимальної кількості, здатної переносити кров (рис. 5-17). Уявіть собі, що ця людина в короткий термін потрапляє в гори на висоту 4500 метрів над рівнем моря, де₂ порівняно низька. Доставка кисню до тканин у такій ситуації знижується. Однак лише через кілька годин концентрація БФГ у крові починає підвищуватися, що призводить до зниження спорідненості гемоглобіну до кисню. Корекція рівня БФГ у крові має невеликий ефект на зв'язування O₂ у легенях, але дуже значний — на його вивільнення у тканинах. В результаті доставка кисню до тканин відновлюється на нормальному рівні — близько 40% від максимально можливої ​​кількості кисню, що переноситься кров'ю. При поверненні людини із гір спостерігається зворотна ситуація. Крім того, концентрація БФГ в еритроцитах підвищена у людей, які страждають від гіпоксії; цей патологічний стан виникає внаслідок недостатнього постачання периферичних тканин киснем через порушення роботи легенів або кровообігу.

Мал. 5-17. Вплив БФГ на зв'язування кисню із гемоглобіном. У нормі концентрація БФГ у крові людини становить 5 мМ лише на рівні моря і 8 мМ великих висотах. Зауважте, що гемоглобін краще пов'язує кисень за повної відсутності БФГ; крива зв'язування має вигляд гіперболи. Насправді вимірюваний коефіцієнт Хілла для кооперативного зв'язування O₂ при видаленні БФГ знижується слабо (від 3 до 2,5), але перебіг кривих у присутності БФГ і його значно відрізняється.У людини, що знаходиться на рівні моря, гемоглобін у легенях майже насичений киснем, а в тканинах насичений приблизно на 60%, так що кількість кисню, що залишається в тканинах, відповідає 40% від максимальної кількості, яка може переносити кров. На висотах доставка кисню до тканин знижується приблизно чверть і становить 30% від максимуму. Однак підвищення концентрації БФГ знижує спорідненість гемоглобіну до кисню, так що в тканинах знову залишається близько 40% кисню, що переноситься кров'ю.

Центр зв'язування БФГ розташований у порожнині між β-субодиницями гемоглобіну в стані Т (рис. 5-18). Ця порожнина вистелена позитивно зарядженими групами амінокислотних залишків, які можуть взаємодіяти з негативно зарядженими групами БФГ. Кожен тетрамер гемоглобіну може пов'язувати лише одну молекулу БФГ. При зв'язуванні з гемоглобіном БФГ стабілізує стан Т і цим знижує спорідненість гемоглобіну до кисню. Перехід у стан R звужує порожнину, в якій зв'язується БФГ, та заважає зв'язуванню. У відсутність БФГ гемоглобін легше перетворюється на стан R.

Мал. 5-18. Зв'язування БФГ із дезоксигемоглобіном. а) Зв'язування БФГ стабілізує стан Т дезоксигемоглобіну, поверхня якого зображена тут у вигляді сітки (РDВ ID 1НGА). б) Негативно заряджені групи БФГ взаємодіють з позитивно зарядженими групами (на даному суцільному зображенні поверхні виділені синім кольором), що оточують порожнину між β-субодиницями в стані Т. в) При приєднанні кисню до гемоглобіну і переході в стан R (РDВ ID 1ВВ) для зв'язування БФГ зникає (порівняйте б) та в) із рис. 5-10).

БФГ грає важливу роль у регуляції зв'язування кисню з гемоглобіном у разі розвитку плода. Плід повинен екстрагувати кисень з крові матері, тому гемоглобін плода повинен мати більшу спорідненість до кисню, ніж гемоглобін матері. Гемоглобін плода містить не β-, а y-субодиниці, і являє собою тетрамер складу α_2y2. Цей тетрамер набагато слабше пов'язує БФГ, ніж гемоглобін дорослого, і, отже, має високу спорідненість до кисню. Кислородзв'язуючі білки – алостерична регуляція гемоглобіну.

Серповидноклітинна анемія – «молекулярна хвороба» гемоглобіну

Визначальну роль амінокислотної послідовності для формування вторинної, третинної та четвертинної структур глобулярного білка можна продемонструвати на прикладі серповидноклітинної анемії – спадкового захворювання людини. У людській популяції існує близько 500 варіантів гемоглобіну, більшість із яких зустрічаються досить рідко. Багато варіантів відрізняються лише однією амінокислотою. Зазвичай такі заміни майже не впливають на структуру та функції гемоглобіну, проте деякі з них призводять до серйозних наслідків. Кожен варіант молекули гемоглобіну є продуктом зміненого гена. Такі варіантні форми генів називають алелями. Оскільки зазвичай існує дві копії кожного гена, кожна конкретна людина може мати дві копії одного алеля (бути гомозиготним за цим геном) або однією копією двох різних алелів (бути гетерозиготним по даному гену).

Серповидноклітинна анемія проявляється, коли людина успадкувала аллель аномального гемоглобіну від обох батьків. У крові таких хворих набагато менше еритроцитів і вони мають неправильну форму.Привертає увагу не тільки велика кількість незрілих клітин, але і наявність довгих, тонких еритроцитів, що мають форму півмісяця або серпа (рис. 5-19). При дезоксигенації гемоглобін із серповидних клітин – гемоглобін S – стає нерозчинним і утворює пучки трубчастих волокон (рис. 5-20), а нормальний гемоглобін (гемоглобін А) при дезоксигенації залишається розчинним. Саме нерозчинні волокна дезоксигемоглобіну S визначають неправильну форму еритроцитів, причому кількість серповидних еритроцитів у крові зростає при вивільненні кисню.

Мал. 5-19. а) Нормальні еритроцити, що мають двояковогнуту форму, б) Еритроцити різної форми, у тому числі шипоподібні та серпоподібні, у крові хворих на серповидноклітинну анемію.

Мал. 5-20. Нормальний та серповидний гемоглобін. а) Відмінність між конформацією гемоглобіну А та гемоглобіну S викликана заміною єдиної амінокислоти у двох β-ланцюгах. б) Внаслідок даної заміни гемоглобін S має на поверхні невелику гідрофобну ділянку, що сприяє злипанню молекул та утворенню нерозчинних ниткоподібних волокон.

Аномальні властивості гемоглобіну S пояснюються заміною всього однієї амінокислоти — залишок Glu у положенні 6 у двох β-ланцюгах заміщується залишком Val. У залишку валіну R-група не несе електричного заряду, тоді як глутамінова кислота при pH 7,4 має негативний заряд. В результаті у гемоглобіну S на дві негативно заряджені групи менше, ніж у нормального гемоглобіну А - по одній у кожному β-ланцюзі. Заміна залишку Glu на Val призводить до утворення «липкого» гідрофобного контакту в шостому положенні β-ланцюга, розташованому на зовнішній поверхні молекули.У результаті молекули дезоксигемоглобіну S злипаються і утворюють аномально довгі ниткоподібні агрегати, характерні для цього захворювання. Кисень зв'язування білки - дефект Нb призводить до серйозних генетичних захворювань.

Як уже було сказано, серповидноклітинна анемія проявляється у людей, гомозиготних по аномальному алелю, що кодує β-субодиниці гемоглобіну. У гетерозиготних людей, які отримали аномальний аллель тільки від одного з батьків, проявляється менш тяжкий стан, званий серповидноклітинним ознакою. При даному стані менше 1% еритроцитів при дезоксигенації набувають серповидної форми. Такі люди живуть практично нормальним життям, просто їм слід уникати надто великих фізичних навантажень та інших впливів на систему кровообігу.

Серповидноклітинна анемія є важким та небезпечним для життя захворюванням. Хворі важко виконують фізичну роботу. Вони швидко втомлюються, відчувають запаморочення та задихаються, крім того, у них спостерігаються шуми в серці та частішає пульс. Вміст гемоглобіну в крові таких людей становить половину від нормального значення (нормальний рівень гемоглобіну - 15-16 г/100 мл), оскільки серпоподібні клітини дуже тендітні і легко ушкоджуються, це призводить до анемії («малокровість»). Ще серйознішим наслідком захворювання є закупорка капілярів великими клітинами аномальної форми, що супроводжується болями і порушує нормальну роботу органів. Саме це і є основною причиною ранньої смерті багатьох людей, які страждають на дане захворювання.

Без медичного втручання хворі на серповидноклітинну анемію помирають у дитячому віці.Проте це захворювання напрочуд часто зустрічається в деяких країнах Африки. Дослідження, присвячені поширеності алелю серповидного гемоглобіну, показали, що його наявність певною мірою захищає гетерозигот від летальної форми малярії. Природний відбір сприяв встановленню такого балансу між небезпекою гомозиготного стану та стійкістю до малярії при гетерозиготному стані. ■

Короткий зміст розділу 5.1 Оборотне зв'язування білків з лігандами: білки, що зв'язують кисень

■ В організмі білки часто взаємодіють із іншими молекулами. Молекула, що зв'язується з білком, називається лігандом, а ділянка білка, де відбувається зв'язування, називається центром зв'язування. При зв'язуванні ліганду білки можуть зазнавати конформаційних змін, у результаті виникає так зване індуковане відповідність. У мультисуб'tдиничних білках зв'язування ліганду з однією субодиницею може впливати на зв'язування з іншою субодиницею. Зв'язування ліганду може регулюватися.

■ Міоглобін містить гемову простетичну групу, яка зв'язує кисень. Гем складається з єдиного атома заліза у формі Fе 2 - у комплексі з порфірином. Міоглобін зв'язує кисень оборотним чином; це зв'язування можна описати за допомогою константи асоціації Кa або константи дисоціації Кd. У мономерних білках, яким є міоглобін, залежність частки зайнятих центрів зв'язування концентрації ліганду описується гіперболічною функцією.

■ Нормальний гемоглобін дорослої людини складається з чотирьох гемовмісних субодиниць: двох α- і двох β-субодиниць; існує велика структурна подібність між усіма субодиницями гемоглобіну і молекулою міоглобіну. Т стійкіше. Зв'язування кисню сприяє переходу гемоглобіну в стан R.

■ Зв'язування кисню з гемоглобіном – кооперативний алостеричний процес.₂ в одному центрі відбуваються конформаційні зміни, що впливають на інші центри зв'язування (аллостеричний ефект). Конформаційні переходи між станами Т і R, опосередковані взаємодією субодиниць, сприяють кооперативному зв'язуванню. графіка Хілла.

■ Для опису кооперативного зв'язування лігандів з мультисубодинічними білками запропоновано дві моделі: симетричну модель та послідовну модель.

■ Гемоглобін зв'язує не тільки кисень, але ще H+ та СO₂Крім того, зв'язування кисню модулюється 2,3-бісфосфогліцератом (БФГ), який взаємодіє з гемоглобіном у стані Т і стабілізує цей стан.

■ Серповидноклітинна анемія — спадкове захворювання, викликане однією амінокислотною заміною (Glu e на Val 6 ) в обох β-ланцюгах гемоглобіну.У гомозиготних з цього дефекту людей проявляється серйозне захворювання.

Біологічна бібліотека – матеріали для студентів, вчителів, учнів та їх батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми лише конвертуємо у зручний формат матеріали, які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Якщо ви володієте авторським правом на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його або отримати посилання на місце комерційного розміщення матеріалів, зверніться для погодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми витратили багато зусиль, щоб привести інформацію у зручний вигляд.

Лекція № 3. Будова та функції білків. Ферменти

Білки - Високомолекулярні органічні сполуки, що складаються із залишків α-амінокислот.

У склад білків входять вуглець, водень, азот, кисень, сірка. Частина білків утворює комплекси з іншими молекулами, які містять фосфор, залізо, цинк та мідь.

Білки мають велику молекулярну масу: яєчний альбумін — 36 000, гемоглобін — 152 000, міозин — 500 000. Для порівняння: молекулярна маса спирту — 46, оцтової кислоти — 60, бензолу — 78.

Амінокислотний склад білків

Білки - Неперіодичні полімери, мономерами яких є α-амінокислоти. Зазвичай як мономери білків називають 20 видів α-амінокислот, хоча в клітинах і тканинах їх виявлено понад 170.

Залежно від того, чи можуть амінокислоти синтезуватися в організмі людини та інших тварин, розрізняють: замінні амінокислоти - Можуть синтезуватися; незамінні амінокислоти - Не можуть синтезуватися.Незамінні амінокислоти повинні надходити в організм разом із їжею. Рослини синтезують усі види амінокислот.

Залежно від амінокислотного складу, білки бувають: повноцінними - Містять весь набір амінокислот; неповноцінними - Якісь амінокислоти в їхньому складі відсутні. простимиЯкщо білки містять крім амінокислот ще й неамінокислотний компонент (простетичну групу), їх називають складними.Простетична група може бути представлена ​​металами (металопротеїни), вуглеводами (глікопротеїни), ліпідами (ліпопротеїни), нуклеїновими кислотами (нуклеопротеїни).

Усі амінокислоти містять: 1) карбоксильну групу (-СООН); 2) аміногрупу (-NH₂), 3) радикал чи R-групу (інша частина молекули) Будова радикала в різних видів амінокислот — різне. нейтральні амінокислоти, Що мають одну карбоксильну групу та одну аміногрупу; основні амінокислоти, Що мають більше однієї аміногрупи; кислі амінокислоти, Що мають більше однієї карбоксильної групи

Амінокислоти є амфотерними сполуками, Так як у розчині вони можуть виступати як у ролі кислот, так і основ.

Пептидна зв'язок

Пептиди - Органічні речовини, що складаються з залишків амінокислот, з'єднаних пептидним зв'язком.

Утворення пептидів відбувається внаслідок реакції конденсації амінокислот.При взаємодії аміногрупи однієї амінокислоти з карбоксильною групою іншою між ними виникає ковалентний азот-вуглецевий зв'язок, яку і називають пептидний. Залежно кількості амінокислотних залишків, що входять до складу пептиду, розрізняють дипептиди, трипептиди, тетрапептиди і т.д. Утворення пептидного зв'язку може повторюватися багаторазово. Це призводить до освіти поліпептидів. На одному кінці пептиду знаходиться вільна аміногрупа (його називають N-кінцем), а на іншому - вільна карбоксильна група (його називають С-кінцем).

Просторова організація білкових молекул

Виконання білками певних специфічних функцій залежить від просторової конфігурації їх молекул, крім того, клітині енергетично невигідно тримати білки у розгорнутій формі, у вигляді ланцюжка, тому поліпептидні ланцюги піддаються укладання, набуваючи певної тривимірної структури, або конформації. Виділяють 4 рівні просторової організації білків.

Первинна структура білка - Послідовність розташування амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюгу, що становить молекулу білка. Зв'язок між амінокислотами - пептидна.

Якщо молекула білка складається всього з 10 амінокислотних залишків, то теоретично можливих варіантів білкових молекул, що відрізняються порядком чергування амінокислот, — 10 20 . Маючи 20 амінокислот, можна скласти з них ще більшу кількість різноманітних комбінацій. В людини виявлено близько десяти тисяч різних білків, які відрізняються як один від одного, так і від білків інших організмів.

Саме первинна структура білкової молекули визначає властивості молекул білка та її просторову конфігурацію.Заміна лише однієї амінокислоти на іншу в поліпептидному ланцюжку призводить до зміни властивостей і функцій білка. Наприклад, заміна в β-субодиниці гемоглобіну шостої глутамінової амінокислоти на валін призводить до того, що молекула гемоглобіну в цілому не може виконувати свою основну функцію - транспорт кисню; у таких випадках у людини розвивається захворювання – серповидноклітинна анемія.

Вторинна структура - Упорядковане згортання поліпептидного ланцюга в спіраль (має вигляд розтягнутої пружини). Витки спіралі зміцнюються водневими зв'язками, що виникають між карбоксильними групами та аміногрупами. Практично всі СО- та NН-групи беруть участь в утворенні водневих зв'язків. Вони слабші пептидних, але, повторюючись багаторазово, надають цієї зміни стійкість і жорсткість. На рівні вторинної структури існують білки: фіброїн (шовк, павутиння), кератин (волосся, нігті), колаген (сухожилля).

Третинна структура - укладання поліпептидних ланцюгів у глобули, що виникає внаслідок виникнення хімічних зв'язків (водневих, іонних, дисульфідних) та встановлення гідрофобних взаємодій між радикалами амінокислотних залишків. Основну роль освіті третинної структури грають гидрофильно-гидрофобные взаємодії. У водних розчинах гідрофобні радикали прагнуть сховатися від води, групуючись усередині глобули, тоді як гідрофільні радикали в результаті гідратації (взаємодії з диполями води) прагнуть опинитися на поверхні молекули. У деяких білків третинна структура стабілізується дисульфідними ковалентними зв'язками, що виникають між атомами сірки двох залишків цистеїну.На рівні третинної структури є ферменти, антитіла, деякі гормони.

Четвертична структура й у складних білків, молекули яких утворені двома і більше глобулами. Субодиниці утримуються в молекулі завдяки іонним, гідрофобним та електростатичним взаємодіям. Іноді при утворенні четвертинної структури між субодиницями виникають дисульфідні зв'язки. Найбільш вивченим білком, що має четвертинну структуру, є гемоглобін. Він утворений двома α-субодиницями (141 амінокислотний залишок) і двома β-субодиницями (146 амінокислотних залишків). З кожною субодиницею пов'язана молекула гема, що містить залізо.

Якщо з будь-яких причин просторова конформація білків відхиляється від нормальної, білок не може виконувати своїх функцій. Наприклад, причиною «коров'ячого сказу» (губкоподібної енцефалопатії) є аномальна конформація пріонів – поверхневих білків нервових клітин.

Властивості білків

Купити перевірочні роботи
з біології

Амінокислотний склад, структура білкової молекули визначають його властивості. Білки поєднують у собі основні та кислотні властивості, що визначаються радикалами амінокислот: чим більше кислих амінокислот у білку, тим яскравіше виражені його кислотні властивості. Здатність віддавати та приєднувати Н+ визначають буферні властивості білків; один із найпотужніших буферів - гемоглобін в еритроцитах, що підтримує рН крові на постійному рівні. Є розчинні білки (фібриноген), є нерозчинні, що виконують механічні функції (фіброїн, кератин, колаген).Є активні білки в хімічному відношенні (ферменти), є хімічно неактивні, стійкі до впливу різних умов зовнішнього середовища і вкрай нестійкі.

Зовнішні фактори (нагрівання, ультрафіолетове випромінювання, важкі метали та їх солі, зміни рН, радіація, зневоднення)

можуть спричиняти порушення структурної організації молекули білка. Процес втрати тривимірної конформації, властивої даної молекули білка, називають денатурацією. Причиною денатурації є розрив зв'язків, що стабілізують певну структуру білка. Спочатку рвуться найслабші зв'язки, а при посиленні умов і сильніші. Тому спочатку втрачається четвертинна, потім третинна та вторинна структури. Зміна просторової конфігурації призводить до зміни властивостей білка і, як наслідок, унеможливлює виконання білком властивих йому біологічних функцій. Якщо денатурація не супроводжується руйнуванням первинної структури, вона може бути оборотний, у разі відбувається самовідновлення властивої білку конформації. Такої денатурації зазнають, наприклад, рецепторні білки мембрани. Процес відновлення структури білка після денатурації називається ренатурацією. Якщо відновлення просторової конфігурації білка неможливе, то денатурація називається незворотній.

Функції білків

Ферменти

Ферменти, або ензими, - Особливий клас білків, що є біологічними каталізаторами. Завдяки ферментам біохімічні реакції протікають із величезною швидкістю. Швидкість ферментативних реакцій у десятки тисяч разів (а іноді й у мільйони) вища за швидкість реакцій, що йдуть за участю неорганічних каталізаторів. Речовина, на яку надає свою дію фермент, називають субстратом.

Ферменти - глобулярні білки, особливостям будови ферменти можна розділити на дві групи: прості та складні. Прості ферменти є найпростішими білками, тобто. складаються лише з амінокислот. Складні ферменти є складними білками, тобто. до їх складу, крім білкової частини, входить група небілкової природи. кофактор. У деяких ферментів як кофактори виступають вітаміни. У молекулі ферменту виділяють особливу частину, яку називають активним центром. Активний центр - Невелика ділянка ферменту (від трьох до дванадцяти амінокислотних залишків), де і відбувається зв'язування субстрату або субстратів з утворенням фермент-субстратного комплексу. Після завершення реакції фермент-субстратний комплекс розпадається на фермент та продукт (продукти) реакції. Деякі ферменти мають (крім активного) алостеричні центри - Ділянки, до яких приєднуються регулятори швидкості роботи ферменту (алостеричні ферменти).

Для реакцій ферментативного каталізу характерні: 1) висока ефективність, 2) строга вибірковість та спрямованість дії, 3) субстратна специфічність, 4) тонка та точна регуляція. Субстратну та реакційну специфічність реакцій ферментативного каталізу пояснюють гіпотези Е. Фішера (1890 р.) та Д. Кошланда (1959 р.).

Е. Фішер (гіпотеза «ключ-замок») припустив, що просторові конфігурації активного центру ферменту та субстрату повинні точно відповідати один одному. Субстрат порівнюється з «ключом», фермент – із «замком».

Д. Кошланд (гіпотеза «рука-рукавичка») припустив, що просторова відповідність структури субстрату та активного центру ферменту створюється лише в момент їхньої взаємодії один з одним. Цю гіпотезу ще називають гіпотезою індукованої відповідності.

Швидкість ферментативних реакцій залежить від: 1) температури; 2) концентрації ферменту; 3) концентрації субстрату; 4) рН. Слід наголосити, що оскільки ферменти є білками, то їх активність найбільш висока за фізіологічно нормальних умов.

Більшість ферментів може працювати лише за температури від 0 до 40 °С. У цих межах швидкість реакції підвищується приблизно 2 рази при підвищенні температури на кожні 10 °С. При температурі вище 40 ° С білок піддається денатурації та активність ферменту падає. При температурі, наближеній до точки замерзання, ферменти інактивуються.

При збільшенні кількості субстрату швидкість ферментативної реакції зростає до тих пір, поки кількість молекул субстрату стане рівною кількості молекул ферменту.При подальшому збільшенні кількості субстрату швидкість не збільшуватиметься, оскільки відбувається насичення активних центрів ферменту. Збільшення концентрації ферменту призводить до посилення каталітичної активності, так як в одиницю часу перетворень піддається більша кількість молекул субстрату.

Для кожного ферменту існує оптимальне значення рН, при якому він виявляє максимальну активність (пепсин – 2,0, амілаза слини – 6,8, ліпаза підшлункової залози – 9,0). При більш високих чи низьких значеннях рН активність ферменту знижується. При різких зрушеннях рН фермент денатурує.

Швидкість роботи алостеричних ферментів регулюється речовинами, що приєднуються до алостеричних центрів. Якщо ці речовини прискорюють реакцію, вони називаються активаторами, якщо гальмують інгібіторами.

Класифікація ферментів

За типом хімічних перетворень, що каталізуються, ферменти розділені на 6 класів:

1. оксиредуктази (перенесення атомів водню, кисню або електронів від однієї речовини до іншої - дегідрогеназу),
2. трансферази (перенесення метильної, ацильної, фосфатної або аміногрупи від однієї речовини до іншої - трансаміназа),
3. гідролази (Реакції гідролізу, при яких з субстрату утворюються два продукти - амілаза, ліпаза),
4. ліази (негідролітичне приєднання до субстрату або відщеплення від нього групи атомів, при цьому можуть розриватися зв'язки С–С, С–N, С–О, С–S — декарбоксилаза),
5. ізомерази (Внутрішньомолекулярна перебудова - ізомераза),
6. лігази (з'єднання двох молекул внаслідок утворення зв'язків С–С, С–N, С–О, С–S — синтетаза).

Класи у свою чергу поділені на підкласи та підпідкласи.У міжнародній класифікації, що діє, кожен фермент має певний шифр, що складається з чотирьох чисел, розділених точками. Перше число – клас, друге – підклас, третє – підпідклас, четверте – порядковий номер ферменту у цьому підпідкласі, наприклад, шифр аргінази – 3.5.3.1.

• Перейти до лекції №2 «Будова та функції вуглеводів та ліпідів»
• Перейти до лекції №4 «Будова та функції нуклеїнових кислот АТФ»
• Дивитись зміст (лекції №1-25)

• Головна
• Каталог
• Онлайн - бібліотека
• Новинки
• Як зробити замовлення
• Оплата
• Доставка
• Карта сайту
• Політика конфіденційності
• Новини

Будова та функції білків

Білки – складні органічні сполуки (біополімери), до складу молекул яких входять вуглець, водень, кисень та азот (іноді сірки). Їхні мономери - амінокислоти.

Білки відіграють першорядне значення у житті всіх організмів. Вони характеризуються невичерпною різноманітністю, яка одночасно дуже специфічна.

Білки та нуклеїнові кислоти є матеріальною основою всього багатства організмів навколишнього середовища. Їхня частка становить 50 – 80% сухої маси клітини.

Молекули білків схожі на довгі ланцюги, що складаються з 50 – 1500 залишків амінокислот, з'єднаних міцним ковалентним азотно-вуглецевим (пептидним) зв'язком. В результаті утворюється первинна структура білка - поліпептидний ланцюг.

Молекула білка - це поліпептид, молекулярна маса якого становить від 5 тис. до 150 тис. буває і більше.

Прості білки складаються лише з амінокислот, а складні білки, крім амінокислот, можуть містити нуклеїнові кислоти (нуклеопротеїди), ліпіди (ліпопротеїди), вуглеводи (глікопротеїди), пофарбовані хімічні сполуки (хромопротеїди) тощо.

Усі властивості клітини (хімічні, морфологічні, функціональні) залежить від специфічних білків, які у ній.

Саме набір амінокислот, їх кількість і послідовність розташування поліпептидного ланцюга і визначає специфічність білка.

Заміна лише однієї амінокислоти у складі білкової молекули чи зміна послідовності розташування амінокислот може призвести зміну функцій білка. Цим і пояснюється велика різноманітність у будові білкової молекули первинної структури. Тому не дивно, що живий організм, щоб мати можливість виконувати свої функції, використовує особливий вид білків та його можливості щодо цього необмежені.

Просторове розташування поліпептидних ланцюгів також визначає властивості білків. У живій клітині поліпептидні ланцюги скручені або зігнуті, мають вторинну чи третинну структуру.

Вторинна структура представлена ​​спірально закрученим білковим ланцюжком. Витки спіралі утримуються завдяки водневим зв'язкам, які утворюються між розташованими на сусідніх витках СО – та NH – групами.

В результаті подальшого закручування спіралі виникає специфічна конфігурація кожного білка. третинна структура. Утворюється вона завдяки зв'язкам між білковими радикалами амінокислотних залишків:

• ковалентним дисульфідним (S – S-зв'язкам) між залишками цистеїну,
• водневим,
• іонними.
• гідрофобним взаємодіям.

У кількісному співвідношенні найбільш важливими є гідрофобні взаємодії, викликані тим, що неполярні бічні ланцюги амінокислот прагнуть поєднатися один з одним, не змішуючись з водним середовищем.Білок при цьому згортається так, щоб його гідрофобні бічні ланцюги були заховані всередині молекули, тобто захищені від контакту з водою, а назовні, навпаки, виставлені бічні гідрофільні ланцюги.

Для кожного білка специфічні кількість молекуламінокислот з гідрофобними радикалами та кількість молекул цистеїну та характер їх взаємного розташування у поліпептидному ланцюзі.

Взаємне розташування груп атомів, обхідне прояви активності білка як каталізатора, його гормональних функцій та інших. забезпечується збереженням певної форми молекули. Тому стійкість макромолекул - не випадкова якість, а один з найважливіших способів стабілізації організму.

Біологічна активність білка може виявлятись лише коли він має третинну структуру, тому при заміні в поліпептидному ланцюгу навіть однієї амінокислоти можуть виникнути зміни в конфігурації білка, а його біологічна активність знизиться або зникне зовсім.

Іноді дві, три і більше білкових молекул з третинною структурою можуть об'єднатися в єдиний комплекс. Подібні освіти є четвертинною структурою білки.

Прикладом такого складного білка є гемоглобін, який складається з чотирьох субодиниць та небілкової частини – гема. Він здатний виконувати свої функції лише у такій формі.

У четвертинній структурі білкові субодиниці не пов'язані хімічно, проте вся структура є досить міцною завдяки дії слабких міжмолекулярних сил.

Під впливом різноманітних фізичних та хімічних факторів (обробка лугами, кислотами, спиртом, ацетоном, вплив високих температур та тиску тощо) третинна та четвертинна структури білка змінюються, тому що розриваються водневі та іонні зв'язки.

Денатурація - Порушення природної (нативної) структури білка.

При денатурації зменшується розчинність білків, змінюється форма та розміри молекул, втрачається ферментативна активність тощо. Процес денатурації оборотний, тобто повернення нормальних умов супроводжується мимовільним оновленням природної структури білка. Цей процес називають ренатурацією.

Всі особливості будови та функціонування білкової макромолекули залежать від його первинної структури.

Функції білків у клітині

• Будівельна (пластична) функція білкових молекул є однією з найважливіших. Вони є складовим компонентом клітинних мембран та органел. Стінки кровоносних судин, сухожилля, хрящі вищих тварин також складаються переважно з білка.
• Двигуна функція забезпечується особливими скорочувальними білками, завдяки яким здійснюються рухи джгутиків і вій, переміщення хромосом під час поділу клітин, скорочення мускулатури, рухи органів рослин тощо, просторові зміни становища різних структур організму.
• Транспортна функція білків забезпечується їхньою здатністю зв'язувати та переносити з перебігом крові хімічні сполуки.

Білок крові гемоглобін переносить кисень з легень у клітини інших органів та тканин (аналогічну функцію у м'язах виконує міоглобін).

Білки сироватки крові переносять ліпіди та жирні кислоти, різні біологічно активні речовини.

Молекули білків, що входять до складу плазматичної мембрани, беруть участь у транспорті речовин як у клітину, так і з неї.

Білки виконують і захисну функцію.Як відповідь на проникнення внутрішньо чужорідних речовин (антигенів – білків або високомолекулярних полісахаридів бактерій, вірусів) у клітині виробляються особливі білки – імуноглобуліни (антитіла), які нейтралізують чужорідні речовини та здійснюють імунологічний захист організму.

Завдяки функціонуванню імунної системи організму забезпечується розпізнавання антигенів антигенними детермінантами (характерними ділянками їх молекул). Завдяки цьому специфічно зв'язуються та знезаражуються чужорідні речовини.

Зовнішню захисну функцію можуть виконувати і білки, токсичні інших організмів ( білок отрути змій).

Білкам властива також сигнальна функція. У поверхню клітинної мембрани вбудовані молекули білків, які у відповідь на дії факторів зовнішнього середовища здатні до зміни своєї третинної структури. Так відбувається сприйняття сигналів із зовнішнього середовища та передача команд у клітину.

Регуляторна функція властива білкам-гормонам, які впливають обмін речовин. Гормони підтримують постійну концентрацію речовин у крові, беруть участь у зростанні розмноження та інших життєво важливих процесах.

Одним із найвідоміших гормонів є інсулін, що знижує вміст цукру в крові. У разі стійкої недостатності інсуліну вміст цукру в крові збільшується і розвивається цукровий діабет. Головними регуляторами біохімічних процесів в організмі можуть бути численні білки-ферменти (каталітична функція).

Білки є і енергетичним матеріалом. При розщепленні 1 г білка до кінцевих продуктів виділяється 17,6 кДж енергії, яка потрібна більшості життєво важливих процесів у клітині.

Ферменти, їхня роль у клітині

Ферменти (ензими) – це специфічні білки, присутні у всіх організмах та виконують функцію біологічних каталізаторів.

Хімічні реакції в живій клітині відбуваються при помірній температурі нормальному тиску та в нейтральному середовищі. За таких умов перебіг реакцій синтезу або розпаду речовин у клітині був дуже повільним, якби не дія ферментів. Ферменти прискорюють реакції рахунок зниження енергії активації не змінюючи їх загального результату, тобто за наявності для надання молекулам, які у реакцію, реакційної здатності, необхідно значно менше енергії

Усі процеси у живому організмі безпосередньо чи опосередковано відбуваються з участю ферментів.

Під впливом ферментів складові компоненти їжі (білки, ліпіди, вуглеводи та інших.) розщеплюються до найпростіших сполук, та якщо з них пізніше синтезуються нові, властиві цьому виду макромолекули. Тому порушення освіти та активності ферментів часто стають причиною важких захворювань.

Ферментативний каталіз підпорядковується тим самим законам, як і неферментативний каталіз у хімічній промисловості, проте на відміну останнього характеризується надзвичайно високим ступенем специфічності (фермент каталізує лише одну реакцію чи діє лише одне тип зв'язку). Цим забезпечується тонке регулювання всіх життєво важливих процесів (дихання, травлення, фотосинтез тощо), що відбуваються в клітині та організмі.

Фермент уреазу каталізує розщеплення лише однієї речовини – сечовини, але діє каталітично на структурно споріднені сполуки.

Для поняття механізму дії ферментів, що мають високу специфічність, надзвичайно важливою є теорія активного центру.Згідно з нею, в молекулі кожного ферменту є одна або більше ділянок, у яких каталіз відбувається за рахунок тісного (у багатьох місцях) контакту між молекулами ферменту та субстрату (специфічної речовини), а функціональна група (приклад – ВІН – група амінокислоти серину), або окрема амінокислота, виступає активним центром.

Зазвичай для дії каталізатора необхідно, щоб об'єдналися кілька залишків амінокислот, розташованих у певній послідовності (в середньому 3 - 12).

Активний центр також може формуватися завдяки зв'язку ферментів з іонами металів, вітамінами та іншими сполуками небілкової природи – так званими коферментами чи кофакторами.

Хімічна будова та форма активного центру така, що з ним здатні пов'язувати лише певні субстрати завдяки їхній ідеальній відповідності (взаємодоповнюваності, або комплементарності) один одному.

Інші амінокислотні залишки забезпечують великій молекулі ферменту відповідну глобулярну форму, необхідну для ефективної роботи самого центру.

Крім того, навколо великої молекули ферменту виникає сильне електричне поле. У такому полі стає можливою орієнтація молекул субстрату і придбання ними асиметричної форми. швидкість.

Одна молекула ферменту каталази здатна за 1 хв розщепити понад 5 млн. молекул перекису водню, що виникає під час окислення в організмі різних сполук.

Активний центр деяких ферментів у присутності субстрату може змінювати конфігурацію: задля більшої каталітичної активності такий фермент спеціально орієнтує свої функціональні групи. Молекули субстрату, приєднуючись до ферменту, також у певних межах змінюють свою конфігурацію для збільшення реакційної здатності функціональних груп центру. На заключному етапі хімічної реакції комплекс ферменту та субстрату розпадається, утворюються кінцеві продукти та вільний фермент. Активний центр при цьому звільняється та здатний знову приймати нові молекули субстрату.

Швидкість реакцій з участю ферментів залежить багатьох чинників: від концентрації ферменту, від природи субстрату, від тиску, температури, кислотності середовища, від наявності інгібіторів.

При температурах, близьких до 0С, до мінімуму уповільнюється швидкість біохімічних реакцій. Цю властивість широко використовують у різних галузях, особливо в медицині та сільському господарстві.

Для консервації органи людини (нирки, серце, селезінка, печінка) перед пересадкою хворому піддають охолодженню, щоб знизити інтенсивність біохімічних реакцій і цим продовжити час життя цих органів. При швидкому заморожуванні харчових продуктів запобігає розмноженню мікроорганізмів, а також інактивуються їх ферменти, тому вони вже не здатні викликати розкладання харчових продуктів.