Э. Рис, М. Стернберг - Введение в молекулярную биологию от клеток к атомам (1160049), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Роль ингибитора, поскольку онконкурирует за активный центр фермента, сводитсяфактически к разбавлению субстрата. Следовательно,для достижения скорости реакции, равной половинеVmax , требуется теперь большая концентрациясубстрата (которая, как известно, численно равна Км ).Так как путем увеличения количества субстрата можно нейтрализовать действие ингибитора, Vmax не меняется.Неконкурентные ингибиторы понижают Vmax , но не влияютна Км. Поскольку ингибиторы этого типа не мешаютсвязыванию субстрата с активным центром фермента,величина Км не меняется. Механизм ингибированиясостоит в снижении скорости, с которой субстрат всоставефермент-субстратногокомплексапревращается в продукт, поэтому при неконкурентном ингибировании уменьшается лишь величина VmaxРЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТА можетосуществляться самыми разными путями, например спомощью активации зимогена (профермента), кова-лентной модификации, ингибирования по типу отрицательной обратной связи, за счет кооперативных или аллостерических эффектов.Зимоген — это неактивный предшественник фермента.Чтобы зимоген превратился в активный фермент,какая-то часть (или части) его полипептидной цепидолжна быть отщеплена.
Например, в семействесериновых протеиназ химотрипсиноген и трипсиноген являются зимогенами соответственно химотрипсина и трипсина.Ковалентной модификацией называется ковалентное присоединение или отщепление от фермента небольшой химической группы, регулирующее его активность. С помощью таких модификаций обычнолибо полностью неактивная форма фермента становится активной, либо, наоборот, полностью активный фермент инактивируется. Например, гликогенсинтаза из клеток млекопитающих, превращающаяглюкозу в гликоген, инактивируется после ковалентного присоединения фосфатной группы к боковой цепи одного из сериновых остатков и снова активируется при отщеплении фосфата.Ингибирование по типу отрицательной обратнойсвязи характерно для ферментных систем, в которыхсубстрат претерпевает несколько последовательныхпревращений, причем каждая реакция катализируетсясвоим ферментом (см., например, ферменты Е, - Е 4на рис.
13.3). Ингибирование имеет место, если конечный продукт Т блокирует одну из более раннихстадий в цепи реакций, а для этого продукт Т долженбыть либо структурно похожим на Р (т. е. действоватькак конкурентный ингибитор), либо связываться с какой-либо другой частью фермента, регулируя такимобразом его активность (т.
е. выступать в роли неконкурентного ингибитора).Рис 13.3Кооперативные эффекты характерны для мультисубъединичных белков, в том числе и для ферментов.Если имеет место кооперативный эффект, то кинетические свойства фермента уже не описываются уравнением Михаэлиса-Ментен: график зависимости v от |S] вэтом случае представляет собой S-образную кривую, ане гиперболу, а график Лайнуивера-Бэрка перестаетбыть прямой (рис. 13.1).
При этом небольшое увеличение концентрации субстрата будет приводить к значительному возрастанию скорости реакции. Для объяснения этого эффекта были предложены различные модели,из которых наиболее известны модели Моно, Уаймена иШанжё (симметричная модель), а также Кошланда, Немети и Филмера (последовательная модель).В симметричной модели предполагается, что каждый мультимерный ферментный комплекс может существовать по крайней мере в двух разных состоянияхс неодинаковой четвертичной структурой, причем вкаждом состоянии все субъединицы имеют одинаковую третичную структуру. В простейшей модели рассматриваются два состояния, находящиеся в равновесии друг с другом.
В одном из них белок имеет высокое сродство к субстрату (R-состояние, от англ. relax —ослаблять), а в другом — низкое (Т-состояние, от англ.tense - напрягать). Добавленный субстрат будет предпочтительно связываться с R-конформерами фермента, а связывание его с Т-конформером приведет квозникновению напряжения в субъединицах фермента, что вызовет одновременный переход всех субъединиц в R-состояние (в котором напряжение отсутствует). При таком согласованном переходе сохраняетсямолекулярная симметрия каждой мультимерной молекулы.
При дальнейшем добавлении субстрата всебольше и больше молекул будет переходит из Т- в Rсостояние. Такой сдвиг равновесия в присутствиисубстрата представляет собой эффект положительнойкооперативности. В результате этого эффекта графикзависимости v от [S] будет иметь S-образную форму(см. предыдущую страницу).В последовательной модели предполагается что,отдельные субъединицы мультимерной молекулы могут в одно и в то же время иметь разные третичныеструктуры.
При этом связывание субстрата однойсубъединицей может вызывать изменение третичнойструктуры соседней субъединицы (или соседних субъединиц) и в результате увеличивать (положительнаякооперативность) или уменьшать (отрицательная кооперативность) их сродство к субстрату.Аллостерическая регуляция (от греч. аллос — другойи стереос — тело, пространство) представляет собойэффект, наблюдаемый в тех случаях, когда небольшиемолекулы (эффекторы), связываясь с ферментом не вобласти активного центра, изменяют скорость реакции. Подобная регуляция может быть гомотропной,когда молекула субстрата, взаимодействуя с ферментом, изменяет его сродство к молекулам того же субстрата, и гетеротропной, когда сродство к субстратуизменяется при взаимодействии фермента с молекулой, не похожей на молекулы субстрата.
Гомотропныеи гетеротропные эффекторы могут быть активаторамиили ингибиторами. Аллостерический активатор, действующий на фермент, описываемый симметричноймоделью, будет связываться предпочтительно с R-KOHформером, стабилизируя это состояние. В результатеактиватор будет увеличивать начальную концентрациюR-конформеров по сравнению с концентрацией Тконформеров и, следовательно, увеличивать сродствофермента к своему субстрату (положительная кооперативность). Аллостерический ингибитор, наоборот,предпочтительно связывает и стабилизирует фермент,находящийся в Т-состоянии, вызывая таким образомуменьшение сродства фермента к своему субстрату (отрицательная кооперативность).
В целом роль аллостерических эффекторов заключается в том, чтобы либорасширить (в случае ингибитора), либо сузить (в случаеактиватора) диапазон концентраций субстрата, в котором фермент способен увеличивать скорость реакции.14. Белки в роли ферментов: лизоцимЛизоцим — это фермент, способный разрушать определенные бактериальные клетки, расщепляя полисахаридные цепи клеточной стенки. Лишенная жесткойклеточной стенки, бактерия разрывается под действием осмотического шока, вызываемого быстрымпроникновением воды внутрь клетки.Полисахарид клеточной стенки представляет собойполимер, в котором чередуются остатки сахаров двухтипов — N-ацетилглюкозамина (NAG) и N-ацетилмурамовой кислоты (NAM). Сахара, имеющие β-конфигурацию относительно аномерного С1 -атома, образуют полимерную цепь с помощью гликозидных связеймежду С1 -атомом одного сахарного кольца и С4-атомом следующего (гл.
31).Структура лизоцима. Лизоцим из белка куриного яйцасостоит из одной полипептидной цепи, насчитывающей 129 остатков и имеющей четыре дисульфидных мостика (гл. 10). Фермент может связыватьсяРасщепление полисахарида осуществляется путемгидролиза гликозидной связи между сахарными кольцами, располагающимися в участках D и Е. Анализкристаллографических данных позволил предположить, что непосредственно перед и во время гидролиза сахарное кольцо в участке D имеет не обычнуюконформацию кресла, а конформацию полукресла,характеризующуюся тем, что в ней пять из шести атомов, образующих сахарное кольцо, лежат практически в одной плоскости (рис.
14.3)Центральную роль в функционировании лизоцима играют остатки глутаминовой кислоты 35 иаспарагиновой кислоты 52. Боковые цепи этихостатков располагаются близко к гликозидной связи(примерно на расстоянии 0,3 нм) между сахарнымикольцами, локализованными в участках D и Е. Glu 35находится в неполярном окружении, и поэтому егокарбоксильная группа остается протонированной(т.
е.Рис. 14.2. Структура молекулы лизоцима в области активного центра. Коричневым цветом изображен связанный в активном центре субстрат(NAG-NAM)3 . NH- и СО-группы соответственно выделены серым и черным цветами. Водородные связи изображены пунктирными прямыми. Обратите внимание на близость колец двух триптофановых остатков Тrf 62 иТrp 63 к сахарам, располагающимся в участках А и В. Благодаря вандерваальсовым контактам и образованию водородных связей с этими остатками осуществляется дополнительная фиксация субстрата в активномцентре.с ингибиторами, химически сходными с полисахаридом клеточной стенки. С помощью рентгеноструктурного анализа Филлипсом и др.
была определена пространственная структура белка как такового и белка,закристаллизованного вместе с ингибитором. Оказалось, что лизоцим состоит из двух доменов, образующих щель, в которой находится активный центр, способный связать гексосахарид, причем для связываниякаждого из шести сахарных колец на ферменте имеется свой участок (эти участки обозначаются буквами А,В, С, D, Е и F) (рис. 14.2).Рис.
14.3.находится в форме —СООН). Окружение Asp52, наоборот, полярно, поэтому карбоксильная группаэтого остатка депротонирована (т. е. находится вформе —СООН).Реакцию гидролиза можно подразделить нанесколько этапов.1. —СООН-группа остатка Glu 35 предоставляет свойпротон гликозидному кислороду, что приводит к разрыву связи между этим атомом кислорода и С,-атомом сахарного кольца, располагающегося в участкеD. Получившийся в результате фрагмент исходногополисахарида, включающей в себя сахарные кольца,которые находятся в участках Е и F, являетсяпродуктом и может освободиться из комплекса сферментом.2.
Сахарное кольцо, располагающееся в D-участке,имеет искаженную конформацию, соответствующую конформации переходного состояния. Приэтом С г атом оказывается положительно заряженным. Углеродный атом в таком состоянии называется карбоний-ионом. Он стабилизируется с помощью отрицательного заряда близко расположенногоостатка Asp 52.3. Гидроксильный ион (ОН), донором которого служит молекула воды из окружающей среды, присоединяется к карбоний-иону, после чего второй фрагментрасщепленного полисахарида становится продуктомреакции.
Одновременно из-за связывания иона водо-рода (Н+) протонируется карбоксильная группа Glu 35,переходя в форму —СООН.4. Теперь фермент находится в первоначальном состоянии и готов осуществлять следующую реакцию расщепления полисахарида.Этот пример позволяет проследить некоторые общиепринципы ферментативного катализа1.Увеличение энергии субстрата за счет искаженияструктуры сахарного кольца NAM, находящегося вучастке D.2.Наличие необычного окружения Glu 35, обусловливающее появление реакционноспособного протона.3.Правильная ориентация протона в Glu 35, необходимая для атаки гликозидной связи.4.Уменьшение свободной энергии переходного состояния за счет стабилизации карбоний-иона карбоксильной группой остатка Asp 52.15. Белки в роли переносчиков: глобиныГемоглобин - это белок, переносящий кислород отлегких к тканям и осуществляющий транспорт углекислого газа от тканей обратно к легким.
Гемоглобинлокализован в красных кровяных клетках — эритроцитах. Молекула гемоглобина состоит из четырех полипептидных цепей - двух идентичных ос-цепей(обозначаемых а, и а2) и двух идентичных р-цепей(обозначаемых р, и р2). Каждая цепь связана с особойгруппой — гемом.Миоглобин — это белок, переносящий кислород вмышечных клетках. Он состоит из однойполипептидной цепииимеетодингем.Аминокислотная последовательность миоглобинаотличается от последовательностей как α-, так и βцепей гемоглобина, однако ме-15.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
