Хондроитинсульфаты (ХС). Это полимеры, структурной единицей которых является димер, состоящий из глюкуроновой кислоты и N-ацетилгалактозамина (сульфатирован по 4 или 6 положению).

ХС-ты входят в состав опорной, костной ткани, хрящей, сухожилий. Наличие сульфатной группировки и ОН-группы глюкуроновой кислоты придаёт этим соединениям дополнительные отрицательные заряды в растворе, и эти полимеры являются полианионами. Поэтому они легко притягивают Са²⁺ и таким образом в процессах минерализации играют определённую роль в связывании Са. В межклеточном матриксе протеогликаны организованы в своеобразные комплексы («ерш из ершиков»). Такой комплекс содержит до 160 протеогликанных единиц.

Гепарин. Полимер, структурной единицей является димер, состоящий из глюкуроновой кислоты, связанной с N-ацетилглюкозамином, сульфатированым 4 или по 6 положению серной кислотой.

Гепарин не является структурным компонентом межклеточного матрикса. Он вырабатывается тучными клетками соединительной ткани и после их цитолиза выделяется в межклеточное пространство и кровеносное русло. В крови может соединяться с неспецифическими белками. Гепарин – естественный природный коагулянт, препятствует свёртыванию крови.

 

ПГ выполняют следующую роль:

1. роль «рессор» – смягчают нагрузки на суставные поверхности (в хрящах, суставных поверхностях);

2. ограничивают диффузию и проницаемость межклеточного вещества для различных молекул и крупных частиц. Гиалуроновая кислота подвергается гидролизу под действием фермента – гиалуронидазы. В норме, в здоровой ткани, фермент и субстрат находятся в равновесии. при патологических процессах количество фермента может увеличится, что приводит к гидролизу гиалуроновой кислоты и нарушению проницаемости. При этом разрываются b-1,4-гликозидные связи;

3. являются поливалентными анионами. Способны связывать большие количества ионов Na⁺ и др. катионов и участвуют в регуляции водно-солевого обмена;

4. Гиалуроновая кислота может присутствовать в свободном виде, например в хрусталике глаза, суставной жидкости. Она имеет консистенцию геля и выполняет различные функции.

 

Фосфопротеины

Белки, где в качестве простетической группы – фосфорная кислота. Присоединение фосфорной кислоты к полипептидной цепи идет с образованием сложноэфирной связи с АК СЕР или ТРЕ.

Типичными фосфопротеинами являются: казеин молока (1% фосфорной кислоты), желток куриного яйца (вителлин), икра рыб (ихтулин). Большое количество ФП содержится в нервных клетках. Для ФП характерен широкий диапазон функций в метаболизме. За счет фосфорилирования и дефосфорилирования ферментов происходит регуляция их активности.

 

ФЕРМЕНТЫ

Ферменты – это биологические катализаторы белковой природы. В одной клетке до 10 тыс. молекул фермента, которые катализируют 2000 ферментативных реакций. 1800 тыс. ферментов выделены, но их строение не расшифровано. Старое название ферментов – энзимы, а наука, их изучающая – энзимология.

По своей химической природе ферменты – это белки, они имеют несколько уровней структурной организации и обладают всеми другими свойствами белков. Очень большое количество ферментов не имеют 4-ую структуру, т.е. являются олигомерами.

Ферменты могут быть простыми и сложными. Простые состоят только из полипептидной цепи, а сложные имеют пептидную (апофермент) и небелковую части (кофермент). Далее идёт рис. [апофермент+кофермент=холофермент – обладает полноценной функциональной активностью]. По отдельности ни апофермент, ни кофермент, не выполняют функции так, как холофермент.

Строение ферментов. В пространственной структуре фермента условно выделяют ряд участков, которые выполняют соответствующие им функции. Активный центр (АЦ) – участок в молекуле фермента, где происходит связывание и химическое превращение субстрата (S). Субстрат – вещество, подвергающееся химическому превращению (например, для фермента лактатдегидрогеназы (ЛДГ) субстратом будет молочная кислота). В активном центре выделяется контактный участок и каталитический участок. Контактный участок – это место активного центра, в котором происходит связывание фермента с субстратом по принципу комплементарности, т.е. именно контактный участок обеспечивает специфическое сродство субстрата ферменту. Образовавшийся комплекс носит название фермент-субстратный комплекс. Каталитический участок (центр) – это место в активном центре фермента, где происходит химическое превращение субстрата [рис. изображён фермент-субстратный комплекс, а именно контактный участок, каталитический участок, активный центр и субстрат].

Если фермент – сложный белок, то обычно простетическая часть находится тоже в активном центре и участвует в формировании активного центра. Активный центр занимает небольшую часть молекулы фермента, обычно располагается в углублении, и в его образовании участвует небольшое число аминокислотных остатков (до 20). Аминокислотные остатки могут быть удалены друг от друга, но при формировании пространственной структуры фермента они располагаются в области активного центра.

В формировании активного центра могут участвовать остатки, несущие следующие функциональные группы: NH₂ (ЛИЗ, АРГ), COOH (ГЛУ, АСП), OH (СЕР, ТРЕ), SH (ЦИС), имидазольное кольцо (ГИС). В качестве единиц, участвующих в формировании активного центра, могут выступать кофакторы - ионы металлов (Cu²⁺, Fe²⁺ и т.д.), а также коферменты. В сложном ферменте АК-остатки активного центра создают условия для правильной его конформации и помогают кофакторам в связывании, ориентации, а, следовательно, и в превращении субстрата.

Боковые группы остальных аминокислот не участвуют в образовании активного центра, но обеспечивают правильную пространственную конформацию активного центра и влияют на его реакционную способность.

Ряд ферментов могут содержать аллостерический центр. [рис. фермента с аллостерическим и активным центрами] Эти ферменты относят к аллостерическим ферментам. К аллостерическому центру присоединяются различные вещества, отличные по строению от субстрата. Эти вещества могут изменять конформацию активного центра, т.е. влиять на связывание и превращение субстрата, они называются аллостерическими эффекторами. Все аллостерические эффекторы делятся на положительные – активаторы, и отрицательные – ингибиторы.

 

Строение коферментов

Коферменты в каталитических реакциях осуществляют транспорт различных групп атомов, электронов или протонов. Коферменты связываются с ферментами:

- ковалентными связями;

- ионными связями;

- гидрофобными взаимодействиями и т.д.

Один кофермент может быть коферментом для нескольких ферментов. Многие коферменты являются полифункциональными (например, НАД, ПФ). В зависимости от апофермента зависит специфичность холофермента.

Все коферменты делят на две большие группы: витаминные и невитаминные.

Коферменты витаминной природы – производные витаминов или химические модификации витаминов.

1 группа: тиаминовые – производные витамина В1. Сюда относят:

- тиаминмонофосфат (ТМФ);

- тиаминдифосфат (ТДФ) или тиаминпирофосфат (ТПФ) или кокарбоксилаза;

- тиаминтрифосфат (ТТФ).

 

ТПФ имеет наибольшее биологическое значение. Входит в состав декарбоксилазы кетокислот: ПВК, a-кетоглутаровая кислота. Этот фермент катализирует отщепление СО₂.

Кокарбоксилаза участвует в транскетолазной реакции из пентозофосфатного цикла.

2 группа: флавиновые коферменты, производные витамина В2. Сюда относят:

- флавинмононуклеотид (ФМН);

- флавинадениндинуклеотид (ФАД).

Ребитол и изоалоксазин образуют витамин В2. Витамин В2 и остаток фосфорной к-ты образуют ФМН. ФМН в соединении с АМФ образуют ФАД.

[рис. изоалоксазиновое кольцо соединено с ребитолом, ребитол с фосфорной к-той, а фосфорная к-та – с АМФ]

 

ФАД и ФМН являются коферментами дегидрогеназ. Эти ферменты катализируют отщепление от субстрата водорода, т.е. участвуют в реакциях окисления–восстановления. Например СДГ – сукцинатдегидрогеназа – катализирует превращение янтарной к-ты в фумаровую. Это ФАД-зависимый фермент. [рис. COOH-CH₂-CH₂-COOH® (над стрелкой – СДГ, под – ФАД и ФАДН₂) COOH-CH=CH-COOH]. Флавиновые ферменты (флавинзависимые ДГ) содержат ФАД, который в них является первоисточником протонов и электронов. В процессе хим. реакций ФАД превращается в ФАДН₂. Рабочей частью ФАД является 2 кольцо изоалоксазина; в процессе хим. реакции идет присоединение двух атомов водорода к азотам и перегруппировка двойных связей в кольцах.

3 группа: пантотеновые коферменты, производные витамина В3 – пантотеновой кислоты. Входят в состав кофермента А, НS-КоА. Этот кофермент А является коферментом ацилтрансфераз, вместе с которой переносит различные группировки с одной молекулы на другую.

4 группа: никотинамидные, производные витамина РР - никотинамида:

Представители:

- никотинамидадениндинуклеотид (НАД);

- никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ).

Коферменты НАД и НАДФ являются коферментами дегидрогеназ (НАДФ-зависимых ферментов), например малатДГ, изоцитратДГ, лактатДГ. Участвуют в процессах дегидрирования и в окислительно-восстановительных реакциях. При этом НАД присоединяет два протона и два электрона, и образуется НАДН2.

Рис. рабочей группы НАД и НАДФ: рисунок витамина РР, к которому присоединяется один атом Н и в результате происходит перегруппировка двойных связей. Рисуется новая конфигурация витамина РР + Н⁺]

5 группа: пиридоксиновые, производные витамина В6. [рис. пиридоксаля. Пиридоксаль+ фосфорная к-та= пиридоксальфосфат]

- пиридоксин;

- пиридоксаль;

- пиридоксамин.

Эти формы взаимопревращаются в процессе реакций. При взаимодействии пиридоксаля с фосфорной кислотой получается пиридоксальфосфат (ПФ).

ПФ является коферментом аминотрансфераз, осуществляет перенос аминогруппы от АК на кетокислоту – реакция переаминирования. Также производные витамина В6 входят как коферменты в состав декарбоксилаз АК.

Коферменты невитаминной природы – вещества, которые образуются в процессе метаболизма.

1) Нуклеотиды – УТФ, УДФ, ТТФ и т.д. УДФ-глюкоза вступает в синтез гликогена. УДФ-гиалуроновая к-та используется для обезвреживания различных веществ в трансверных реакциях (глюкоуронил трансфераза).

2) Производные порфирина (гем): каталаза, пероксидаза, цитохромы и т.д.

3) Пептиды. Глутатион – это трипептид (ГЛУ-ЦИС-ГЛИ), он участвует в о-в реакциях, является коферментом оксидоредуктаз (глутатионпероксидаза, глутатионредуктаза). 2GSH«(над стрелкой 2Н) G-S-S-G. GSH является восстановленной формой глутатиона, а G-S-S-G – окисленной.

4) Ионы металлов, например Zn²⁺ входит в состав фермента АлДГ (алкогольдегидрогеназы), Cu²⁺ - амилазы, Mg²⁺ - АТФ-азы (например, миозиновой АТФ-азы).

Могут участвовать в:

-присоединении субстратного комплекса фермента;

-в катализе;

-стабилизация оптимальной конформации активного центра фермента;

-стабилизация четвертичной структуры.

 

Изоферменты

Изоферменты – это изофункциональные белки. Они катализируют одну и ту же реакцию, но отличаются по некоторым функциональным свойствам в силу отличий по:

- аминокислотному составу;

- электрофоретической подвижности;

- молекулярной массе;

- кинетике ферментативных реакций;

- способу регуляции;

- стабильности и др.

Изоферменты – это молекулярные формы фермента, различия в аминокислотном составе обусловлены генетическими факторами.

Примеры изоферментов: глюкокиназа и гексокиназа.

+АДФ

 

Гексокиназа может фосфорилировать любой шестичленный цикл, гексокиназа – только превращение глюкозы. После приёма пищи, богатой глюкозой, глюкокиназа начинает работать. Гексокиназа – стационарный фермент. Он катализирует реакцию расщепления глюкозы при низких её концентрациях, поступающих в организм. Отличаются по локализации (глюкокиназа – в печени, гексокиназа – в мышцах и печени), физиологическому значению, константе Михаэльса.

Если фермент – олигомерный белок, то изоформы могут получаться в результате различной комбинации протомеров. Например, лактатдегидрогеназа состоит из 4-х субъединиц. Н – субъединицы сердечного типа, М – мышечного. Может быть 5 комбинаций этих субъединиц, а, следовательно, и 5 изоферментов: НННН (ЛДГ₁ – в сердечной мышце), НННМ (ЛДГ₂), ННММ (ЛДГ₃), НМММ (ЛДГ₄), ММММ (ЛДГ₅ – в печени и мышцах). [рис. эти 4 буквы в кружочки.

Надо отличать изоферменты от множественных форм ферментов. Множественные формы ферментов – это ферменты, которые модифицированы после своего синтеза, например фосфорилаза A и B.

 

Свойства ферментов

Общие черты ферментов и небиологических катализаторов:

1) и те, и другие катализируют только энергетически возможные реакции;

2) увеличивают скорость реакции;

3) не меняют направления реакции;

4) в ходе реакции не расходуются;

5) для обратимых процессов катализируют как прямую, так и обратную реакции, не смещая равновесия, а лишь ускоряя время его наступления.

Особые свойства ферментов:

1) высокая каталитическая активность. Металлы увеличивают скорость реакции в тысячи раз, а ферменты в миллионы раз. Например, уреаза ускоряет скорость реакции в 10¹⁴ раз. Каталаза ускоряет распад H₂O₂ в 1 млдр. раз! 2H₂O₂ ®2H₂O +O₂. Без катализатора выделения кислорода не видно. Металлический катализатор увеличивает скорость реакции в 1000 раз, а при добавлении каталазы – бурное вспенивание.

2) специфичность действия – наиболее характерная черта. Строение активного центра фермента, катализирующего реакции, различна. Структура активного центра фермента комплементарна структуре его субстрата, поэтому фермент из множества веществ присоединяет только свой субстрат – субстратная специфичность фермента.

Каждый фермент катализирует не любое превращение субстрата, а какое либо одно – специфичность пути превращения. Например, на АК ГИС действуют 2 фермента: гистидаза (отщепляет NH₃) и гистидиндекарбоксилаза (отщепляет CO₂).

 

Выделяют несколько видов специфичности:

а) абсолютная специфичность. Фермент действует только на один единственный субстрат. Пр.: уреаза разрушает мочевину: NH₂-CO-NH₂® (над стрелкой уреаза, под – вода) 2NH₃+ CO₂. Аргиназа катализирует распад аргинина.

б) групповая специфичность. Фермент действует на определённую связь в разных субстратах. Пр.: пептидазы разрывают пептидные связи [-NH-CH(R)-CO--NH-CH(R)-CO-]. Пепсин действует только на связи, образованные карбоксильной группой ароматических АК (ФЕН, ТИР, ТРИ). Эстеразы разрывают сложно-эфирную связь [-CO-NH-] в различных липидах. Гликозидазы действуют на гликозидную связь. Действие ферментов, обладающих групповой специфичностью, позволяет организму содержать небольшое количество ферментов.

в) стереоспецифичность. Фермент действует на определённый стереоизомер (D- и L-, цис- и транс-). Пр.: бутен-2-диовая кислота имеет 2 стереоизомера: транс-изомер или фумаровая к-та, и цис-изомер или малеиновая кислота.

Фумараза действует на фумаровую к-ту с превращением последней в яблочную.

В стереоспецифичности выделяют оптическую специфичность – избирательное действие ферментов на оптические изомеры. Например, под действием ЛДГ разрушается только L-форма молочной к-ты.

3) Влияние температуры (правило Вант-Гоффа). При увеличении температуры на 10 градусов скорость реакции увеличивается в 1,5-2 раза. Но для фермента это правило действует только до 40 градусов, т.к. дальше наступает тепловая денатурация фермента. Большинство ферментов в организме человека имеет оптимальную температуру 25-40 градусов [рис. графика: по оси х – температура, по у – процент активности. Рисуем горочку, оптимум – на 37-40°С].

Повышение активности фермента при увеличении температуры объясняется увеличением кинетической энергии реагирующих молекул, что приводит к увеличению числа столкновений между молекулами. При дальнейшем повышении температуры энергия становится чрезмерной, и внутри молекулы разрываются слабые связи – водородные, гидрофильные взаимодействия; происходит нарушение вторичной, третичной, четвертичной структуры фермента.

Ряд ферментов термостабильны, например, гликопротеины.

4) Влияние рН. Для поддержания третичной или четвертичной структуры фермента часто может быть необходимо наличие заряда на группе, удаленной от области связывания субстрата. Если же заряд этой группы меняется, то может происходить частичное развертывание белковой цепи, или компактизация, или диссоциация (олигомерные белки). Поэтому при отклонении рН от оптимального значения, фермент может потерять свою нативную структуру, в результате чего не происходит полноценного связывания активного центра с субстратом. Также при изменении рН может происходить изменение заряда на субстрате.

[рис. график. По х – рН, по у – процент активности. Рисуем горочку.]

Пепсин – 1.5-2, амилаза слюны - 6.8-7.2, трипсин - 7.5-8.6. Для большинства ферментов оптимум рН лежит в среде, близкой к нейтральной.

5) Скорость ферментативной реакции прямо пропорциональна кол-ву фермента (для небиологических катализаторов такой зависимости нет). Недостаток фермента в живом организме, например при неполноценном питании, генетических нарушениях, приводит к уменьшению скорости превращения веществ и наоборот.

6) Ферменты являются регулируемыми катализаторами. Так под действием различных веществ (активаторов и ингибиторов) меняется скорость ферментативной реакции.