Биологический каталог




Основы биохимии

Автор Ю.Б.Филиппович

дшественников гормонов—гормоны и рилизинг-факторы и т. п. Причина избирательного действия пептидпептидогидролаз заключается в том, что радикал аминокислоты, по соседству с которой гидролизуется пептидная связь, служит для образования фермент-субстратного комплекса.

Пептид-гидролазы, катализирующие гидролиз пептидов до свободных аминокислот, могут отщеплять последние от пептида, начиная либо с аминокислоты, обладающей свободной NH2-rpynnofi, либо с аминокислоты, имеющей свободную СООН-группу. В первом случае их называют аминопеп-тидазами (о-аминоацилпептид-гидролазы), во втором—карбоксипептидазами (пептидиламиноацидо-гидролазы).

Схема, поясняющая действие амино- и карбоксипептидаз, а также некоторых эндопептидаз, приведена на рис. 56.

Некоторые амино- и карбоксипептидазы обладают специфичностью действия, т. е. отщепляют строго определенные N- или С-концевые аминокислоты. Третий подподкласс пептидаз представлен дипептид-гидролазами, или дипептидазами. Их известно около десяти. Они завершают гидролиз белка. Недавно из состава пептидаз вычленено еще два подподкласса: дипептидил-пептидгидролазы, отщепляющие от N-конца полипептида дипептид, и пеп-тидилдипептид-гидролазы, отщепляющие дипептид с С-конца.

Амидазы. Эти ферменты ускоряют гидролиз амидов кислот. Из них важную роль в биохимических процессах в организме играют уреаза, аспарагина-за и глутаминаза.

131

Лейцин-амино-псптидаза

Пепсия

Трипсин

Химшрипсии

Карбоксипелтидаза А

СНзСН3

СН I

сн2

Q

сн2

NH, I 1

сн, I

сн, I

сн, I

сн2

он I

сн, I 2

h,n-ch-c^nh-ch-cfiNH-CH-cfiNH-ch-c-nh-CH-c9 И ^ t I I И

Лей

Фен Лей Тир

Лиз Apr

Сер

Тир Фен

СН, I 2

NH-CH,-C-NH- CH,-CHNH-CH-COOH II I

Гли ° Гли ° Фен и другие нейтральные аминокислоты

Рис. 56. Точки приложения действия протеолитических ферментов на пептидные связи в белковой

молекуле

Уреаза была одним из первых белков-ферментов, полученным в кристаллическом состоянии (Д. Самнер, 1926). Это однокомпонентный фермент (М=480 ООО); молекула его глобулярна и состоит из 8 равных субъединиц. Уреаза ускоряет гидролиз мочевины до NH3 и С02.

Аспарагиназа и глутаминаза ускоряют гидролиз амидов дикарбоновых аминокислот—аспарагиновой и глутаминовой, например:

Аспарагииаэ»

НООС—СН—СН»—С + н,о

V (L-аспарагмн-амн-jgi^ NNH, догидролаэа)

Аспарагин

--- НООС-СН-СНа-СООН + NHS

NH* t Асларагмноиая кислот* N

К гидролазам, действующим на С—N-связи, отличающиеся от пептидных, кроме амидаз относятся ферменты, катализирующие гидролиз С—N-связей в линейных амидинах. К их числу принадлежит аргиназа. При посредстве аргиназы аминокислота аргинин гидролизуется на орнитин и мочевину:

Аргиназа

HjN—С—NH—(СН»)а—СН—СООН + Н,0 -»•

Н I NH NHi Apr шин

-»¦ H2N-C—NH2 + HXN-(CHJ3-CH-COOH

И I O NH,

Мочевина Орнипя

Так как в процессе гидролиза аргинина отщепляется мочевина, то систематическое название аргиназы—L-арпшин-уреогидролаза. Эта реакция широко представлена в природе, являясь заключительной стадией биосинтеза мочевины— одного из конечных продуктов распада азотсодержащих веществ. Для аргиназы, как и для уреазы, характерна абсолютная специфичность действия.

4. Лиазы. К классу лиаз относятся ферменты, ускоряющие негидролитические реакции распада органических соединений по связям С—С; С—N; С—О и т. д. При этом замыкаются двойные связи и выделяются такие простейшие

132

продукты, как С02, Н20, NH3 и т. п. Некоторые из этих реакций обратимы, и соответствующие ферменты в подходящих условиях катализируют реакции не только распада, но и синтеза. Таким образом, название этого класса ферментов не всегда соответствует содержанию тех процессов, которые ими ускоряются.

Одной из важнейших групп ферментов этого класса являются углерод-углерод-лиазы (С—С-лиазы). Среди них особое значение имеют карбоксили-азы (декарбоксилазы) и альдегид-лиазы.

В природе широко распространены декарбоксилазы кетокислот и аминокислот, катализирующие реакции по следующим схемам:

Пируаатдекарбоксмлма /7 СНз-СО-СООН -> CHj-C +СО,

Пнровнноградная кислота

(кярбоксн-Лиаза 2-оксо- \.и пропионоаой кислоты) П

Оксалоацетатдакарбоксилаэа

НООС—СН2—СО—СООН--•¦ СН3—СО—СООН + СО,

(оксалоацапт-карбоксн-лиам)

Щавелевоуксусная кислота

Лиэиндекарбокснлам

СН8-(СН2)3-СН-СООН - HtN-(CH2)B-NH1-r-COe

I I (Ь-лн)ин-карбоксы-

NHt NH, М

ЛиЭМ Кадаверин

Эти ферменты двухкомпоненты, простетическими группами их во многих случаях являются фосфорные эфиры водорастворимых витаминов: тиамина (Bi)—в карбокси-лиазах кетокислот и пиридоксаля (В6)—в карбокси-лиазах аминокислот.

Механизм реакции декарбоксилирования кетокислот при участии декарбокси-лаз с тиаминпирофосфатом в качестве кофермента будет рассмотрен в гл. IV. Механизм реакции декарбоксилирования аминокислот с помощью карбокси-лиазы с пиридоксальфосфатом в качестве кофермента очень близок к тому, который действует при переаминировании аминокислот. Здесь тоже возникает шиффово основание, в котором электронная плотность у ос-углеродного атома аминокислоты резко ослаблена. Вследствие этого сильно ослабляется связь этого углеродного атома с карбоксильной группой, и последняя легко отщепляется.

Характерным представителем альдегид-лиаз является альдолаза, катализирующая обратимую реакцию расщепления фруктозо-1,6-дифосфата до фосфотриоз:

о^-о-снууон Альдолив сн2он с-н

он /, он ч > с=о он + снон он

(h^^chs-c-p==o »55ff" «к-c-U сна-о4=о

' Ш № ^н триозофосфатлиаза) ^ ^

Фруктофуранозо-1,6-дифосфат Фосфоднокси- З-Фосфоглицери-

ацетон новый альдегид

Эта реакция занимает центральное место в преобразовании углеводов. Аналогично альдолазе действуют другие альдегид-лиазы.

Другую важную группу лиаз составляют углерод—кислород лиазы (гидро-лиазы), ускоряющие реакции гидратирования и дегидратирования органических соединений. В качестве представителя гидро-лиаз приведем фумарат-гидратазу:

133

Дегидратирование ноос— с-— н

ноос—сн(он)—сн2— соон —> || +н2о

н—с—соон

Яблочная кислота 1идратирование

Фумаровая кислота

Реакции гидратирования и дегидратирования постоянно идут при распаде и синтезе углеводов и высших жирных кислот, поэтому гидратазы играют большую роль в жизнедеятельности организмов.

Примером углерод—азот лиаз может служить аспартат—аммиак-лиаза, ускоряющая реакцию прямого дезаминирования аспарагиновой кислоты:

соон

| Аспартат-аммиак-лиаза

chnh2 - ноос—с—н

I * II

сн2 н—с—coonh*

| Фумарат аммония

соон Аспарагиновая кислота

Этот фермент характерен для бактерий и ряда растений.

Некоторые лиазы ускоряют реакции не только распада, но и синтеза. Например, из дрожжей выделена L-серин-гидро-лиаза, отщепляющая от серина воду и присоединяющая сероводород, в результате чего синтезируется аминокислота —цистеин:

Цнстеинсинтаза

НО - СН2 - СН - СООН + H2S-> HS - СН2 - сн - соон + н2о

I I

NH2 NH2 д

Чтобы отличить такие лиазы от ферментов класса лигаз (которые ускоряют реакции только синтеза и именуются в связи с этим синтетазами), их называют также синтазами.

5. Изомеразы. Ферменты, относящиеся к этому немногочисленному (около 90 индивидуальных ферментов) классу, ускоряют геометрические или структурные изменения в пределах одной молекулы. Эти изменения могут состоять во внутримолекулярном переносе водорода, фосфатных и ацильных групп, в изменении пространственного расположения атомных группировок, в перемещении двойных связей и т. п.

Важнейшими изомеразами являются триозофосфатизомераэа, фосфогли-церат-фосфомутаза, альдозомутаротаза и изопентенил-пирофосфатизомераза.

Триозофосфатизомераэа ускоряет перенос атомов Н в процессе превращения 3-фосфоглицеринового альдегида в фосфодиоксиацетон и обратно:

Cv Триозофосфатизомераэа сн2он

I Н . I

снон он с=о он

II I I л

сн,—о—р=о сн,-о-р=о

I 2 I

он он

134

З-Фосфоглицериновы альдегид

Фосфодиоксиацетон

Превращение, вероятно, идет через общую эндиольную форму. Фосфоглицерат-фосфомутаза обеспечивает достаточную скорость превращения 2-фосфоглицериновой кислоты в 3-фосфоглицериновую кислоту и обратно: сн2он он он

| | Фосфоглицерат-фосфомутаза |

сн—о—р=0 ' сн2— о—р=о

I I ' I I

соон он снон он

2-Фосфоглицерат |

соон

З-Фосфоглицерат

Оба процесса имеют громадное ¦ значение в органическом мире, так как представляют важнейшие стадии распада и синтеза углеводов.

Мутаротаза является представителем стереоизомераз, она ускоряет реакцию превращения o-D-глюкопиранозы в p-D-глюкопиранозу:

н он

a-D -Глюкопираноза

Ферменты этого типа (стереоизомеразы) обеспечивают, в частности, взаимопревращения многих пространственных изомеров моносахаридов, и этот путь является иногда единственным для синтеза некоторых из них в природе. К стереоизомеразам относятся также цис-трансизомеразы, например ретинол-изомераза, переводящая транс-ретинол в цис-ретинол (см. гл. IV).

Изопентеыилпирофосфат-изомераза катализирует реакцию перестройки изо-пентенилпирофосфата в диметилаллилпирофосфат, что связано с перемещением двойной связи из 3-го во 2-е положение:

Г СН3 о о |

Н2С=С—CHS—СН2—О—Р—О—Р—OH + HS—фермент

I ОН ОН /очопентенилпиро-I________________/ фосфат-иэомераэа)

Изопеитенилпирофосфат

СН, О О

I II II

'H3c—(j:—сн2—cHj-o—р—о—р—он —»»

S—"фермент ОН ОН

"фермент СН3 О о

—*• Н3С-. Изопентенилпирофосфат-изомераза содержит свободные сульфгидрильные группы, вероятно, в виде радикалов цис в белковой молекуле. Именно благодаря им обеспечивается указанная выше реакция, имеющая огромное значение для синтеза полиизопреноидов и стеролов. *

135

6. Лигазы (синтетазы). Характерные черты действия ферментов этого класса выявлены совсем недавно в связи со значительными успехами в изучении механизма синтеза жиров, белков и углеводов. Оказалось, что старые представления об образовании этих соединений, согласно которым они возникают при обращении реакций гидролиза, не соответствуют действительности. Пути их синтеза принципиально иные.

Главная их особенность—сопряженность синтеза с распадом веществ, способных поставлять энергию для осуществления биосинтетического процесса. Одним из таких природных соединений является АТФ. При отрыве от ее молекулы в присутствии лигаз одного или двух концевых остатков фосфорной кислоты выделяется большое количество энергии, используемой для активирования реагирующих веществ. Лигазы же -каталитически ускоряют синтез органических соединений из активированных за счет распада АТФ исходных продуктов. Таким образом, к лигазам относятся ферменты, катализирующие соединение друг с другом двух молекул, сопряженное с гидролизом пирофос-фатной связи в молекуле АТФ или иного нуклеозидтрифосфата.

Механизм действия лигаз изучен еще недостаточно, но, несомненно, он весьма сложен. В ряде случаев доказано, что одно из участвующих в основной реакции веществ сначала дает промежуточное соединение с фрагментом распадающейся молекулы АТФ, а вслед за этим указанный промежуточный продукт взаимодействует со вторым партнером основной химической реакции с образованием конечного продукта.

В качестве примера действия лигазы можно привести синтез пантотеновой кислоты из о, у-диокси-Р, Р-диметилмасляной кислоты и Р-аланина:

NH-

НО—СН

н3с

О

II

(—СН—СООН + HaN—CHa—CHj—СООН + НО—Р—I Н,С ОН ОН

а, Y-Д и оке и-В, В - днме-тилмасляиая кислота

В-Алаиин

N-

ад

-р-о-р-о-снуэ^

ОН ОН

ОН ОН АТФ

NH,

П нтот нат-снитет за

НзС О -НО—СНа—С—СН—СО—NH—СНа—СН,—СООН + НО—Р—О Н3С ОН ОН Пантотеновая кислота

О II

+ НО—Р—О—Р—ОН

I

ОН

он

Пирофосфат

АМФ

Пантотеиатсинтетаза, как следует из приведенного уравнения, относится к группе лигаз, ускоряющих реакции синтеза С—N-связей. Эта группа лигаз насчитывает около 40 представителей. В настоящее время изучено более 75 различных лигаз, обеспечивающих важнейшие синтетические процессы в животной и растительной клетках.

Кроме ускорения реакций синтеза С—N-связей, в частности пептидных, лигазы катализируют образование связей С—С, С—О и С—S. К группе лигаз, образующих С—С-связи, относятся карбоксилазы. Они обеспечивают карбок-силирование ряда соединений, в результате чего происходит удлинение углеродных цепей. Одной из важнейших карбоксилаз является*, пируваткарбок-

136

силаза, ускоряющая реакцию образования щавелевоуксусной кислоты из пировиноградной кислоты и оксида углерода (IV):

он он он I I ( но—р—о—р-о—р=0

сн3—со-соон

Пировнноградная кислота (пируват)

о

+ cos

о +

АТФ

•ноос—сн,—со—соон + но—р—о—P—о

Щавелевоуксусная кислота

I

ОН

i

он

Н3РО,

АДФ

Эта реакция имеет исключительное значение в обмене веществ, обеспечивая взаимосвязь обмена углеводов и белков и акцептирование СС*2-

Лигазам, катализирующим синтез С—О-связей, принадлежит важнейшая роль в биосинтезе белков, так как они ускоряют реакции активирования аминокислот перед вступлением последних в пептидную связь. Одной из простейших реакций этого типа является образование аминоациладенилатов:

NH,

СН.

—сн—соон + но-

NHS Алаиин

О ii

¦ сн,—сн—со—о— р—о—сн i i

NH, ОН

Аланиладенилат

о о ii ii

но—р—о—р—он н он

Пирофосфат

137

С аминоациладенилатов аминокислоты передаются на тРНК, образуя аминоацил-тРНК, используемые непосредственно при синтезе полипептидов. Эти процессы будут детально рассмотрены в гл. VII.

Лигазы, кроме того, осуществляют ускорение реакций образования С—S-связей, являясь ацил-коэизим А-синтетазами. В качестве примера действия ацил-коэнзим А-синтетазы можно привести образование ацетил-коэнзима А из уксусной кислоты и коэнзима А (см. формулу на с. 163), протекающее сопряженно с распадом АТФ:

Ацетил-КоА-синтетаза *

СН3—COOH + HS—КоА+АТФ-»-

(ацетат-КоА-литаза)

0 о

II II

-> СН3—СО— S—КоА+АМФ+НО—Р— О—Р— ОН

1 I

ОН ОН

Ацетил-жоэвэим А Пирофосфат

Ацетил-КоА служит коферментом в реакциях трансацилирования, поэтому действие ферментов этих двух групп—лигаз и ацилтрансфераз—в живых системах тесно увязано друг с другом. Аналогичная взаимозависимость характерна и для многих других ферментов.

ЛОКАЛИЗАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ В КЛЕТКЕ

Одним из принципиальных отличий ферментов от катализаторов небиологического происхождения является кооперативный характер их действия. На уровне одиночной молекулы фермента кооперативный принцип реализуется в тонком взаимодействии субстратного, активного и аллостерического центров. Однако гораздо большее значение имеет кооперативное осуществление реакций на уровне ансамблей ферментов. Именно благодаря наличию систем ферментов—в виде мультиэизимных комплексов или еще более сложных образований—метаболонов, обеспечивающих каталитические превращения всех участников единого метаболического цикла—в клетках с большой скоростью осуществляются многостадийные процессы как распада, так и синтеза органических молекул. Ферментативный катализ в многостадийных реакциях идет без выделения промежуточных продуктов: только возникнув, они тут же подвергаются дальнейшим преоб

страница 23
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84

Скачать книгу "Основы биохимии" (16.9Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(13.12.2017)