Osnovy_biokhimii_Nelson_i_Kokh_tom_1 (1123313), страница 72
Текст из файла (страница 72)
Говоря о функциях белков, следует отдельно остановиться па ферментах. Ферменты связывают другие молекулы и способствуют их превращениям, т. е. катализируют реакции. Молекулы, подвергающиеся изменениям в ферментативных реакциях, называют яе лигапдами, а субстратами, а участок молекулы фермента, где протекает ферментативная реакция, называя>т каталнтическим илн активным центром. В данной главе мы не буден останавливаться на каталитичсских функциях белков — этому важнейшему разделу биохимии посвящена гл.
6. Основные темы атой главы, а именно связывание, специфичность и конформационные изменения, будут развиваться в следующей главе в приложении к белкам, участвующим в химических превращениях. 5.1. Обратимое связывание белков с лигандами: белки, связывающие кислород Возможно, миоглобин и гемоглобин являются наиболее хорошо изученными белками; для яях впервые была определена трехмерная структура Наши сегодняшнис знания об этих белках — результат исследований, которые на протяжении нескольких десятилетий щюводили тысячи биохимиков.
Важно отмстить, что ца примере этих белков можно проиллкк:трировать практически все ключевые аспекты основного биохимического процесса — обратимого связывания лиганла с белком. Эти классические модельные белки могут многое рассказать о том, как белки функционируют. 41 Кислородсеязыяающий белок миогяобян я депонирование кислорода Кислород связывается с простетической группой — гемом Кислород плохо растворяется в воде (табл.
2-3), и если бы сыворотка крови содержала только растворенный кислород, то его поступлецве в ткани было бы недостаточным. Кроме того, диффузия кислорода в тканях па расстояния свыше нескольких миллиметров также неэффективна. Эволюция крупных многоклеточннх организмов связана с возникновением белков, способных запасать и переносить кислород 5.1 Обратимое связывание белков с яигандами: белки, связывающие кислород ) 2271 0 0 0 0 Ф С ~~ I С Сн, Сн СН СЙ2 С СН С ! у СН,-С С С С-СН. 1 ! / Р С вЂ” Н' 1Ч вЂ” С СН 1е Сн 7 С вЂ” гГ 'И=с СН вЂ” С С С С вЂ” СН Ф~ ' ~~ 22 Снз С Сн С СН2 СН 6 СН2 Х Х а х х Рис. 5-1.
Структура гема. Гем обнаружен в молекулах миоглобина, гемоглобина и многих других белков — гемопротеинов. Гем представляет собой сложную полициклическую структуру (протопорфирин ГХ), с которой связан атом железа в форме Регч о) Порфирии 1Х является лишь одним представителем класса порфиринов, мояенулы которых состоят из пиррояьных колец связанных метиновыми мостиками и несущих замесгители в положениях, обозначенных буквой Х.
б, е) Два способа изображения тема (РОВ Ю 1ССВ). 2) Атом железа в теме имеет шесть координационных связей: четыре расположены в плоскости порфиринового кольца и связаны с ним, а две направлены перпендикулярно этой плоскости. Однако боковая цепь ни одной аминокислоты не годится для обратимого связывания молекулы кислорода. Эту функцию выполняют некоторые переходные металлы, в том числе железо и медь, облздающие нысоким сродством к кислороду. Поэтому ыногоклеточные организмы используют лля транспорта кислорода ионы металлов, чаще всего железа. Свободные ионы железа способствуют образованию очень рсакционноспособных соединений кислорода, таких как гидрокснльные радикалы, способные повредить ДПК и другие макромолекулы.
Поэтому клетки используют железо в связанной форме, в которой око менее активно. У многоклеточных организмов, особенно тех, в которых комплекс железа с кислородом должен переноситься на болыпис расстояния, железо часто встроено в связанную с белком простстическую группу — тем. (В гл. 3 мы определили простетичсскую группу как связанное с белком соединение, необходимое для выполнения специфической функции.) Гем представляет собой сложную циклическую структуру, называемую протопорфирнном, с которой связан ион железа Ге" (рнс.
5-1). Атом железа имеет шесть коорди- нациопных связей: четыре связи образованы с атомами азота, являющимися частью плоского порфиринового кольца, а двс связи направлены перпендикулярно плоскости порфиринового кольца. Координационная связь с злсктронодонорныыи атомами азота препятствует окислению гемового железа до состояния Геэ . Железо в форме Вез' обратимо связывает молекулу кислорода, а железо в форме Ге" не связывает кислород. Гем обнаружен в целом ряде белков, отвечающих за перенос кислорода, а также в некоторых белках, участвующих в окислительновосстаповительных реакциях, например в цитохромах (гл.
19). В гемовой группе, не связанной с белком, Гез имеет две свободные координационные связи. Взаимодействие молекулы Оз с двумя молекулами тема (или двумя свободными ионами Роз') может привести к необратимому превращению гсз' в Гсз . В гемсодержащих белках зта реакция не происходит, поскольку каждый гем спрятан глубоко внутри белковой структуры и доступ к двум свободным координационным связям ограничен. Одна из этих связей направлена на атом азота боковой цепи остатка Вйз. Другая служит цен- Боковая проекция СН Остаток 11лоскость НИ норфириноаосо кольца [228] Часть 1. 5. Функции белков Рис.
5-2. Координационные связи гемового железа (вид сбоку). Две координационные связи Ре' направлены перпендикулярно плоскости порфиринового кольца. Одна иэ этих связей направлена на азот остатка НЬ, иногда называемого проксимальным гистидином. Другая связь является центром связывания молекулы кислорода. Остальные четыре связи расположены а плоскости порфирииового кольца и связаны с ним.
тром связывания молекулярного кисло)юда (Оэ) (рис.5-2). При связывании кислорода свойства гемового железа изменяются; это, в частности, служит лричиной изменения темпо-красной окраски венозной крови на светло-красную окраску богатой кислородом артериальной крови. Некоторыс неболыцие молекулы, такие как монооксид углерода (СО) и монооксид азота (ЫО), имен>т более высокое сродство к гемовому железу, чем молекула кислорода. При связывании с >юмом молекулы СО происходит высвобождение От, вот почему СО ()тарный газ) так токсичен для аэробных организмов (подробнее см.
дон. 5-1). Окружая и изолируя гсм, кислородсвязываю>цие белки регулируют доступ к нему СО и других нстюльших молекул. В миоглобине один участок связывания кислорода Миоглобин (МЬ) имеет молекулярнук> массу 16700 и является сравнительно простым кис чородсвязынающим белком, обнаруженным практически у всех млекопитающих преимуществешю в мышечной ткани. Он служит транспортным белком, облегчающим доставку кислорода к мышцам.
Особенно богаты миоглобином мынщы морских млекопитающих, например тюленей и китов; этим животным, проводящим длительное время под водой, миоглобнн позволяет запасать необходимое количество кислорода. Аналогичные миоглобнну белки очень широко распространены и встречаются даже у некоторых одноклеточных орщнизиов. Миоглобин представляет собой единственную полипсптидцую цепь из 153 аминокислотных остатков, связанную с одной молекулой гена. Он является типичным представителем семейства глобинов, все члены которого имеют сходные первичную и третичную структуры. Полипептидная цепь миоглобина об>разует восемь а-сциральнь>х участков, соединенных петлями (рис. 5-3).
В а-спиральных участках сосредоточено около 78",4 аминокислотпых остатков. Любое детальное исследование функции белка обязательно связано с определением еп> пруктуры. На примере миоглобина мы обсудим иеюлорые особенности глобиповых белков. Как видно иэ рис. 5-3, спиральные участки молекулы оГх>значены буквами от А до Н.
Отдельные аминокислотныс Рис. 5-3. Миоглобин (РРВ ГР 1МВО). Восемь а-спиралькьп участков молекулы (изображены в виде цилиндров) обозначены латинскими буквами от А до Н. Связывающие >а участки обозначены как АВ, СР, ЕР и т. д. по названию мк спиралей. которые они соединяют. Некоторые связующие участки, такие как ВС или РЕ, очень короткие и не содержат ни одного остатка; обычно при изображении молекулы их ие называют.
(Имеющий некоторую протяженность участок между спиралями Р и Е в данном случае явлмтся артефактом компьютерного моделирования.) Гем саяна в кармане, образованном главным образом спиралями Е к Е хотя аминокислотнме остатки других участков также ндействованы в его формировании. 5д Обратимое связывание белков с ли|андами: белки, связывающие кислород [ггэ] остатки обозначены в соответствии с их позицией либо во всей полипептидпой последовательности, либо в определенном а-спиральном участке. Например, в молекуле миоглобина остаток гистидица.
связанный координационной связью с гсмовым железом, обозначен как НЬ"з (93-й аминокислотцый остаток, считая от Х-конца полипептидной пепи миоглобииа);иначе он же обозначается как НЬ Г8 (восьмой остаток в а-спирали Е). Петли между спиральными участками указываются в соответствии с названиями соединяемых ими спиралей, например АВ, СГ), 1.Е ЕС и т. д. Количественное описание взаимодействий белков с лигандами Д|я выполнения своей функции миоглобин должен быть способен не только связывать кислород, цо и высвобожлать его по мере необходимости.
Прп многих химических процессах происходят цодобного рода обратимые взаимодействия белка в лига|ща. Таким образом, количественное описание взаимодействия белка и лиганда является ключевым моментом многих биохимических ис- следований. В общем случае обратимое связывание белка (Р) в лиганда (1.) может быть описано простой абратпмой 1|акцией: Р+Е=Р1 (5-1) Зта реакция, которая характеризуется констан- той равновесия К,: [РЦ й., [РИ1] Ь (5-2) где Й, и Гг„— это константы скорости (подробнее о них будет сю|зано ниже). Констшп а К, — константа ассоциации (не путайте с константой диссоциации кислоты; с. 94), описывакццая равновесие межлу комплексом и составляющими его компонентами в свободном состоянии.
Константа ассоциации измеряется в М ', чем больше значение атой константы, тем выше сродство лиганда и белка. Константа равновесия К„. равна отношению скоростей прямой (образование комплекса) и обратной (диссоциация комп. лекса) реакций. Реакция образования комплекса описывается ковстаптой скорости й.„, а реакция лиссоциации— константой скорости Ц. Как мы обсудим в следуюв|ей главе, константы скорости являются константами пропорциональности, опрслеляющими лолю вещества, реагирующего за данный промежуток времени. Если в реакции участвует олца молекула, как при диссоциации Р1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
