Главная / Молекулы и клетки / Ферменты, переваривающие белки

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

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


Соединение химотрипсиногена с субстратами или ингибиторами химотрипсина

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…


Последовательность аминокислот

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,…


Расположение активных остатков серина

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…


Сходность структур химотрипсиногена и трипсиногена

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…


Гистидин в химотрипсине и в трипсине

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…


Серин в трипсине и химотрипсине

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,…


Гидролизация субстрата

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,…


Структура ферментов

Нам еще не до конца понятна взаимосвязь между структурой всей молекулы фермента и его активным центром. В большинстве случаев сохранение трехмерной структуры всей молекулы — необходимое условие для поддержания конформации активного центра. Поэтому многие воздействия, изменяющие конформацию белка, приводят к утрате ферментативной активности. В трипсине, химотрипсине и карбоксипептидазах содержится около 200—300 аминокислотных остатков на молекулу,…


Активация зимогена

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

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.…