Основы функционирования белков. Активный центр белков и его специфическое взаимоденствие с лигандом как основа биологических функций всех белков

В первичной структуре белка содержится информация о его биологической Функции. При реализации этой функции белок обязательно взаимодействует с лигандом, в качестве которого могут быть и макромолекулы, и низкомолеку­лярные органические и неорганические вещества. Данное взаимодействие высо­коспецифично и определяется строением активного центра.

Активный центр белка - участок белковой молекулы, состоящий из ради­калов аминокислотных остатков функциональных групп, сближенных при формировании третичной структуры и отвечающих за специфическое взаимодействие с лигандом.

После перемещения лиганда в активный центр между его функциональны­ми группами и радикалами аминокислот активного центра образуются специфи­ческие нековалентные связи (ионные, водородные, гидрофобные) или времен­ные ковалентные. Если лиганд - макромолекула (ДНК, РНК, полисахарид или белок), то активный центр взаимодействует не с целой молекулой, а только с определенным комплементарным участком лиганда

Каждый индивидуальный белок имеет уникальный активный центр, по­зволяющий избирательно связываться со специфическим лигандом и выполнять свою биологическую функцию; в этом состоит основное свойство белков.

Комплементарность взаимодействующих молекул как основа специфичности при связывании белка с лигандом. Обратимость связывания. Ингибиторы белковых функций. Яды и лекарства как ингибиторы белков.

Высокая специфичность взаимодействия данного белка со своим лигандом обеспечивается их пространственным и химическим соответствием - комплементарностью. Для эффективной работы активного центра важны химиче­ские свойства составляющих его аминокислот и их точная взаимоориентация в пространстве. Любые нарушения в общей конформации белка, вызванные то­чечными мутациями в его первичной структуре или изменениями параметров окружающей среды (температура, рН, концентрация солей), приводят к дефор­мации активного центра и нарушению связывания белка с лигандом. Это ведет к частичной или полной утрате белком своей биологической активности.

Обратимость связывания.

Взаимодействие белка с лигандом - процесс обратимый. Скорость взаимо­действия белок - лиганд определяется концентрациями белка и лиганда в рас­творе, а также степенью их комплементарности. Этот процесс характеризуется константой диссоциации и описывается уравнением: P+LóPL

Отношение константы скорости распада комплекса к константе скорости связывания белка с лигандом называется константой диссоциации комплека

Константа диссоциации лиганд-белкового комплекса численно равна той концентрации субстрата, при которой осуществляется 50% оккупация участков связывания.

Кдиcс.= Кр/Кс= ([P]x[L])/[PL]

По величине константы диссоциации можно судить о комплементарности между белком и лигандом: чем меньше Кдисс, тем больше молекул белка связа­но с лигандом, тем выше степень комплементарности.

Ингибиторами функции белка являются молекулы, способные образовы­вать устойчивые комплексы с белком, изменять конформацию белковой моле­кулы и искажать, таким образом, структуру активного центра белка. Измененная конформация активного центра нарушает взаимодействие с лигандом и приво­дит к утрате биологической функции (биологической активности).

Молекула, схожая по структуре с лигандом, называется структурным ана­логом лиганда, она тоже может взаимодействовать с активным центром белка. Аналог, конкурирующий с лигандом за связывание в активном центре и умень­шающий его биологическую активность, называется конкурентным ингибито­ром белка.

Некоторые лекарственные препараты являются аналогами естественных ли-гандов белков. Например, при модификации химической структуры нейромедиатора можно получить вещества, которые также связываются с белком-рецептором, но при этом физиологический эффект усиливается или уменьшает­ся. Такие вещества называются соответственно агонистами и антагонистами.

ПРИМЕР АДРЕНАЛИНА:

В молекуле адреналина связывание с бэта-адренорецептором обеспечивается одно­временно двумя участками - в левой части молекулы структурой катехолового кольца (бензольное кольцо, содержащее 2 гидроксильные группы), а в правой части метильной группой. При взаимодействии с активным центром рецептора адреналин изменяет конформацию рецептора, и эти конформационные измене­ния передаются внутрь клетки, активируя аденилатциклазу. (Кдис=5х10^-6)

В молекуле структурного аналога - изопротеринола за счет дополнительной метильной группы повышено гидрофобное взаимодействие с рецептором. Изопро-теринол обладает действием, подобным действию адреналина, однако, его Кдис(0,4х10^-6) ниже, что отражает более высокую степень комплементарности взаимодействия этого агониста с бэта-адренорецептором, что увеличивает проведение биологиче­ского сигнала через рецептор.

Антагонисты бэта-адренорецепторов характеризуются ещё более высокой комплементарностью взаимодействия с рецептором (их Кдисс очень низкая=0,0034-0,0046х10^-6), однако препятствуют действию адреналина (т.е. являются его конкурентными ингиби­торами). Причина этого состоит в отсутствии структуры катехолового кольца у альпренолола и отсутствие двух гидроксильных групп в молекуле пропранолола.

Ингибирующее действие некоторых ядов объясняется их практически не­обратимым связыванием с белками организма. альфа-Нейротоксин яда кобры при поступлении в чужой организм специфически взаимодействует с холинергиче-скими рецепторами постсинаптических мембран и блокирует их работу. D-тубокурарин (яд кураре) является конкурентным ингибитором ацетилхолина при связывании с рецептором.

Четвертичная структура белков. Понятие о мономерной, димерной и олигомерной организации четвертичной структуры белков Особенности строения и функционирования олигомерных белков на примере гемсодержащнх белков - гемоглобина и миоглобина.

Четвертичной структурой белков называют пространственное взаимо­расположение нескольких полипептидных цепей (субъединиц или протомеров), объединенных слабыми (гидрофобными, ионными, водородными) взаимо­действиями. Белки, состоящие из двух и более субъединиц, называются олигомерными. Белковая субъединица - протомер, может состоять как из одной, так и из двух полипептидных цепей.

Число субъединиц в олигомере, как правило, зависит от его функции и варьируется от двух (гексокиназа) до нескольких десятков, а иногда и сотен (пируватдегидрогеназный комплекс состоит из 312 субъединиц). Олигомерные белки могут включать в свой состав:

- одинаковые субъединицы (гексокиназа),

- разные, иногда повторяющиеся, субъединицы (гемоглобин взрослого че­ловека состоит из 2 альфа- и 2 бэта-субъединиц).

При формировании четвертичной структуры строго соблюдается принцип комплементарности - пространственное и химическое соответствие поверхно­стей субъединиц. В процессе образования третичной структуры белка на его по­верхности возникают уникальные контактные участки. Активные группы ради­калов аминокислот на контактирующем участке одной субъединицы образуют слабые химические связи с активными группами радикалов на контактирующем участке другой субъединицы с высокой специфичностью, исключающей ошибки формирования четвертичной структуры.