Ферменты, переваривающие белки
Эти ферменты, сами в свою очередь являющиеся белками, играют важную роль в процессе пищеварения. Изучение их молекулярной структуры проливает свет на механизм каталитической активности всех ферментов
Нельзя не поражаться той скорости и точности, с которыми живая клетка осуществляет множество химических реакций. Ведь эти же самые реакции в пробирке протекают неизмеримо медленнее, даже если температура и давление будут такими же, как и в клетке. Биохимики уже давно установили, что все дело здесь в замечательных катализаторах, создаваемых живой клеткой. Катализатор — это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но само при этом не расходуется. Биологические катализаторы, осуществляющие все необходимые для жизнедеятельности химические реакции, называются ферментами. Все ферменты представляют собой белки; правда, для проявления активности некоторых из них требуются коферменты — более простые неорганические или органические соединения. Каждый фермент способен ускорять химические реакции только одного специфического вида; в клетке же протекают тысячи различных реакций, и ей необходимы тысячи различных ферментов.
Функция одного важного класса ферментов состоит в расщеплении или переваривании, других белков. Такой процесс называют также лизисом (по-гречески «растворение»); отсюда термин — протеолитические ферменты. Они содержатся во всех живых организмах и гидролизуют клеточные белки. Подобный гидролиз является составной частью обмена веществ каждой клетки. Кроме того, они разрушают белковые молекулы„ поступившие в организм с пищей, до субъединиц, из которых затем синтезируются новые белки, необходимые для его существования.
Молекулы белков очень сложны; они построены из сотен и даже тысяч аминокислотных субъединиц примерно 20 различных видов. Эти субъединицы соединяются друг с другом с помощью так называемой пептидной связи в тех или иных характерных для каждого белка соотношениях, давая полипептидные цепи. При соединении двух аминокислот освобождается молекула воды.
Протеолитические ферменты способны разрывать пептидную связь, соединяющую атом углерода одного аминокислотного остатка с атомом азота другого. При этом к С-концу в месте разрыва белковой цепи присоединяется гидроксильный ион ОН- молекулы воды, а к N-концу оставшийся водородный ион Н+ (смотрите рисунки ниже).
Гидролиз белковой молекулы сводится к разрыву пептидной связи
В отсутствие катализатора гидролиз идет намного медленнее.
R — любая из боковых групп общераспространенных аминокислот,
из которых построены полипептидные цепи белков.
«Молекулы и клетки», под ред. Г.М.Франка
Как показали опыты, химотрипсиноген способен соединяться с субстратами или ингибиторами химотрипсина во многом так же, как сам химотрипсин. Следовательно, в молекуле зимогена имеется связывающий центр; каталитический же центр зимогена не способен функционировать до тех пор, пока в результате активации не будет разорвана специфическая пептидная связь. Согласно современным представлениям, при таком разрыве связи изменяется конформация белковой…
Хотя последовательность аминокислот еще ничего не говорит о трехмерной структуре белка, она очень важна для специалиста в области химии ферментов. Зная аминокислотную последовательность, можно, например, определить аминокислотные остатки, прямо или косвенно участвующие в ферментативном катализе, а также (в случае зимогенов химотрипсиногена и трипсиногена) установить расположение тех пептидных связей в молекуле, которые расщепляются при активации. Так,…
А где расположены активные остатки серина? В химотрипсиногене — в положении 195, а в трипсиногене — в положении 183. Обратите внимание на сходство в расположении этих остатков в молекулах обоих белков. Правда, в каждой молекуле два гистидина и активный серин разделены большим промежутком; тем не менее есть все основания полагать, что в активном участке трехмерной…
Итак, химотрипсиноген и трипсиноген имеют сходную структуру и механизм действия, но различную специфичность. Возможно, они произошли от общего предка. Структурные элементы, с которыми связана ферментативная активность, отличаются большой устойчивостью и не изменяются в процессе эволюции. Подобное химическое постоянство структур, связанных с биологической функцией, было уже отмечено для аминокислотной последовательности цитохрома и гемоглобина у животных разных…
Б. Хартли и Б. Килби установили, что этот субстрат гидролизуется как трипсином, так и химотрипсином. Для того чтобы начался гидролиз, необходимо, чтобы фермент встретился в растворе с субстратом и образовался так называемый ферментсубстратный комплекс. Затем эфир расщепляется на составляющие его кислый и основной компоненты. Кислый, или ацетильный, компонент соединяется с ферментом, давая начало промежуточному соединению,…
Химотрипсин содержит два остатка гистидина, а трипсин — три. Как мы увидим дальше, имеются основания полагать, что на самом деле в процессе участвуют не один, а два остатка гистидина. Первый из них отталкивает электроны по направлению к атакуемой связи, а второй притягивает электроны с противоположной стороны. Согласно такой схеме реакции, разрыв химических связей происходит только…
Одним из самых ранних наблюдений, указавших на то, что остаток серина служит компонентом активного центра трипсина и химотрипсина, явилось открытие, сделанное А. Боллсом и Ю. Дженсеном, которые установили, что активность обоих ферментов подавляется в присутствии диизопропилфторфосфата (ДФФ). За два года до этого А. Мазур и О. Бодански обнаружили, что ДФФ подавляет активность ацетилхолинэстеразы — фермента,…
Ключевым ферментом в активации зимогенов поджелудочной железы служит энтерокиназа — протеолитический фермент, выделяемый слизистой кишечника. Его основная функция заключается в превращении трипсиногена в трипсин; трипсин же затем принимает участие в активации всех остальных ферментов поджелудочной железы. Однако энтерокиназа — не единственный фермент, способный активировать трипсиноген; эту же функцию может выполнять сам трипсин, а также ряд…
Замена цинка другим металлом приводит к изменению специфичности фермента. Например, при введении в молекулу кадмия фермент перестает гидролизовать пептиды, зато их эфиры он гидролизует даже более эффективно, чем обычный фермент. Если цинк заменить медью, то фермент теряет активность. Вэлли и его сотрудники выяснили, что воздействовать на активность карбоксипептидазы можно не только с помощью различных металлов.…
Как и другие химические реакции, гидролиз белков сопровождается обменом электронами между определенными атомами реагирующих молекул. Без катализатора этот обмен протекает настолько медленно, что его невозможно измерить. Процесс можно ускорить, добавив кислоты или основания; первые дают при диссоциации Н-ионы, вторые — ОН-ионы. Кислоты и основания играют роль истинных катализаторов: они не расходуются в ходе реакции. При…
