Биологический каталог




Биологическая химия

Автор Д.Г.Кнорре, С.Д.Мызина

ращений. Большое число соединений, найденных в живых организмах, представляют собой различные комплексы. В качестве примера можно привести гем, который представляет собой комплекс железа с плоской молекулой протопорфирина:

В живой материи широко представлены . различные регулярные полимеры. Например, чрезвычайно широко распространенная в растительном мире целлюлоза является полисахаридом, состоящим из повторяющихся молекул /З-Б-глюкозы. Однако такие молекулы не могут образовать даже самые простейшие формы жизни. Последние характеризуются значительно высоким уровнем организации и, следовательно, требуют значительно более сложных и специализированных соединений. Таковыми являются белки и нуклеиновые кислоты — сложные полимерные молекулы, обязательные компоненты живых организмов. Структура и функции этих соединений будут детально описаны в последующих главах этой книги. Задача данной главы — показать основные принципы организации биополимеров, продемонстрировать, как эти принципы позволяют выполнять основополагающие функции живых организмов: передавать из поколения в поколение

13

наследственную информацию, осуществлять метаболизм (совокупность химических реакций, протекающх в организме) и обеспечивать эволюцию живых существ.

Среди большого числа различных функций, выполняемых белками, в первую очередь следует отметить их роль в протекании метаболических процессов. Многочисленные химические превращения в клетке осуществляются в мягких условиях при температурах, близких к 40°С, и значениях рН среды, близких к нейтральным. В этих условиях скорости протекания большинства химических превращений в живых организмах ничтожно малы, поэтому обязательно присутствие специальных биологических катализаторов — ферментов (энзимов). Даже такая простая реакция, как дегидратация угольной кислоты

С02 + Н20 ^ нсо- + Г

до диоксида углерода, катализируется в живых организмах специальным ферментом — карбоаншдразой. Как правило, ферменты — это либо белки, либо комплексы белков с каким-либо кофактором — ионом металла или специальной органической молекулой.

Белки представляют собой полимеры, построенные из ?-аминокислот, соединенных так называемой пептидной связью. Таким образом, с химической точки зрения, они являются полипептидами. На сегодняшний день может считаться установленным, что все белки строятся из набора 20 различных аминокислот. Следовательно, белки могут различаться длиной полипептидной цепи, числом каждой из 20 аминокислот, присутствующих в полимерной молекуле, и порядком чередования аминокислотных остатков вдоль цепи. Из двадцати различных аминокислот, содержащих N аминокислотных остатков, можно построить 20^ различных полипептидов. Поэтому даже для сравнительно короткого полипептида, содержащего всего 100 аминокислотных остатков, это число будет равно 20100 = = 10130. Эта величина превышает суммарное число нуклонов во всей доступной наблюдению части Вселенной на 50 порядков. Поэтому число мыслимых аминокислотных последовательностей может рассматриваться как практически неисчерпаемое. Кроме участия в биокатализе белки выполняют и многие другие разнообразные и важные функции, которые будут рассмотрены как в этой, так и в последующих главах книги. Однако уже только тот факт, что белки выполняют функции ферментов, свидетельствует об их абсолютной необходимости для живых организмов. Конечно, ни каталитическая, ни какая другая функция белков отнюдь не присущи полипептидам как классу полимерных молекул. Она присуща белку со строго определенной последовательностью аминокислот и только в определенных условиях. Скорее всего среди бесчисленного множества мыслимых аминокислотных последовательностей лишь небольшая часть соответствует каким-либо функционально значимым белкам.

Структура полимерных молекул, построенных из повторяющихся единиц и содержащих ?-связи в пределах основной цепи, является гибкой в силу возможности внутреннего вращения вокруг большинства таких связей. При этом каждый поворот может радикально изменить взаимное расположение двух фрагментов полимерной молекулы, образующих эту ?-связь. Это происходит без каких-либо химических изменений, и эти состояния рассматриваются как различные конформации, а сами структуры — как различные конформеры. При достаточно высоких температурах может реализовываться огромное число различных конформеров,

находящихся в состоянии непрерывного взаимопревращения. В химии высокомолекулярных соединений такое состояние полимерной молекулы называют статистическим клубком.

Однако при определенных условиях полипептиды могут образовывать определенные пространственные (трехмерные) структуры. Эти структуры образуются вследствие внутримолекулярного взаимодействия друг с другом и с растворителем различных групп мономерных звеньев полимерной молекулы. Например, в 1951 г. Лайнус Полинг и Роберт Кори теоретически предсказали, что полипептиды могут образовывать спиральную структуру вследствие наличия водородных связей между карбонильным атомом кислорода г-го фрагмента и амидным атомом водорода (г + 4)-го фрагмента, что в дальнейшем нашло подтверждение на большом экспериментальном материале. Каждый белок с определенной нерегулярной последовательностью аминокислот может образовать уникальную пространственную структуру. Следует отметить, что любая тонкая биологическая функция, выполняемая белком, реализуется только при наличии такой структуры. Любое ее нарушение нагреванием или изменением рН среды (денатурация), не сопровождающееся расщеплением ковалентных связей, приводит к полной потере функциональной активности белка. Лишь небольшие белки могут легко претерпеть обратное превращение в исходное состояние. Обратное превращение денатурированного высокомолекулярного белка в исходную биологически активную структуру (ренатурация) возможно, только если использовать специальную процедуру, т.е. в том случае, если ни мономерные компоненты, ни полимерные цепи не были повреждены в процессе денатурации.

Важность пространственной структуры биополимеров может быть легко понята, если принять во внимание их'важнейшую для функционирования особенность — способность избирательно образовывать комплексы с определенными партнерами (лигандами), или, как принято говорить в биохимии, "узнавать" определенных партнеров. Способность к узнаванию существенна прежде всего в двух аспектах. Первым шагом в проявлении белком его функциональной активности чаще всего является узнапание партнера. Например, фермент образует специфический комплекс с субстратами — веществами, химическое превращение которых он катализирует. Для узнавания необходима правильная взаимная ориентация реагирующих субстратов и определенных групп белковой молекулы фермента и кофактора, если этот фермент содержит кофактор, необходимый для проявления ферментативной активности. Комплекс образуется в результате многоточечного взаимодействия между определенными атомами молекулы субстрата и соответствующими группами белковой молекулы. Однако для такого взаимодействия эти группы белка должны быть правильным образом взаимно ориентированы в белковой молекуле. Это возможно только при определенной пространственной структуре белка. Денатурация нарушает правильную ориентацию групп друг относительно друга и, следовательно, уничтожает способность к узнаванию лиган-да.

Часто белки функционируют в виде сложных высокоорганизованных комплексов, содержащих несколько полипептидных цепочек, а в некоторых случаях и других полимерных молекул или низкомолекулярных компонентов. Для формирования таких комплексов составляющие их белки должны иметь па поверхности специально организованные области, обеспечивающие определенные контакты с другими компонентами комплекса. У денатурированных белков отсутству-

ет упорядоченная поверхность и, соответственно, отсутствует возможность образования контакта с остальными компонентами комплекса.

Вследствие необходимости создания пространственной структуры белка для образования области узнавания со строго определенным взаимным положением некоторых групп изменение аминокислотной последовательности или химической природы мономерных компонентов может приводить (не неизбежно) к драматическим последствиям для проявления белком биологической активности. Изменение положения одной из аминокислот белка, непосредственно участвующей в узнавании, приводит к потере способности формировать функционально активную пространственную структуру.

Способность узнавать определенных партнеров приводит в результате к образованию специфического комплекса. Однако в наибольшем числе случаев за узнаванием следует определенный ответ системы, т.е. определенное действие. В отсутствие каких-либо химических изменений таким ответом может быть только изменение его пространственной структуры, т.е. конформации. Это означает, что первичное узнавание лиганда биополимером побуждает белок направленно изменить свою конформацию и перейти в новую структуру, резко отличающуюся от исходной. Такое изменение конформации называют направленным конформацион-ным переходом. Способность к таким переходам может рассматриваться как второе широко распространенное свойство белков, необходимое для выполнения их биологических функций.

В ряде случаев белки проявляют свою активность при наличии в их составе определенных компонентов, связанных с белковой молекулой. Это можно продемонстрировать на примере уже упоминавшегося гема. Известно большое число комплексов белков с гемом и некоторыми его структурными аналогами, которые объединяются под общим названием гемопротеиды. Центральный атом железа в теме способен образовывать шесть связей. Четыре из них расположены в плоскости гема и соединяют атом железа с четырьмя атомами азота плоской структуры порфиринового кольца, а пятая и шестая находятся перпендикулярно по обе стороны плоскости порфиринового цикла и могут давать дополнительные связи с определенными лигандами. Атом железа в геме может менять степень окисления и быть либо в ферроформе Fe2*, либо в феррпформе Fe3* и таким образом играть роль переносчика электронов и участвовать в окислительно-восст

страница 4
< 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 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109

Скачать книгу "Биологическая химия" (8.81Mb)


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

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(12.12.2017)