Занятие 4. Универсальность строительных и функциональных блоков на молекулярном

биологических систем

глицин,


пролин,


аланин и его производные. Если не придерживаться номенклатуры

IUPAK, то становится понятным – кроме глицина и пролина, все остальные аминокислоты являются производными от аланина, который является структурной основой (носителем) функциональной части – различных радикалов (малых молекул), которые, возможно, в период становления биоты были основными организаторами гиперциклов, приведших к появлению жизни.

аланин

CH2
+ CH2
+ CH2

трехмерной структуры белка, его гидрофильных или гидрофобных участков, активных центров

ферментов и рецепторных участков, является объектом посттрансляционной модификации белков – присоединения дополнительных радикалов к уже синтезированному белку.

части), то можно разделить аминокислоты на четыре класса:
–аминокислоты с неполярными

(гидрофобными) R-группами (аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, пролин, триптофан, фенилаланин);
–аминокислоты с полярными (гидрофильными) незаряженными R-группами (глицин, серин, треонин, цистеин, тирозин, аспарагин, глутамин);
–аминокислоты с отрицательно заряженными R-группами (кислые аминокислоты – аспарагиновая и глутаминовая кислоты);
–аминокислоты с положительно заряженными R-группами (основные аминокислоты – лизин, аргинин, гистидин).

как полимера нарушается остатками аминокислот (радикалами), а также включением в

цепь глицина или пролина. Пролин необходим для осуществления поворота белковой цепи в обратном направлении.

Аланиновую цепь можно считать аналогом рибозофосфатного остова РНК и ДНК.

Структурная часть белка
Функциональная часть белка

функциональная (нерегулярная) часть – нуклеотидами

Структурная часть РНК
Функциональная часть РНК –

нуклеотиды

функциональная (нерегулярная) часть – нуклеотидами

Структурная часть ДНК
Функциональная часть ДНК –

нуклеотиды

и специализированные функции – стандартны, их число относительно невелико.
Из них

формируется все разнообразие ферментативных, рецепторных и структурных молекул.
То есть, из небольшого набора функциональных блоков как из кубиков формируется большое количество более сложных функциональных структур.

– рибозим).

Катализаторы снижают энергию активации химических реакций (энергетический, или активационный,

барьер), не влияя на полное изменение свободной энергии в ходе реакции и на конечное состояние равновесия, ускоряют достижение состояния равновесия химической реакции

и четвертого факультативного
максимально удален от активного центра
отсутствует у

50% энзимов

1. Апофермент – тело фермента
(белковая часть)

Активный центр состоит из

4. Аллостерический центр

2. субстратного центра

3. каталитического центра

формируемого субстратным и каталитическим центрами;
В активном центре выделяют два участка:

2) субстратный(ядерный, контактный) центр – связывается с субстратом и определяет селективность фермента (способность связываться только с определенной молекулой, либо группой похожих молекул);
3) каталитический центр – непосредственно осуществляющая химическую реакцию часть фермента, не селективен и может входить в структуру различных ферментов, поэтому количество различных видов каталитических центров значительно меньше, чем число ферментов;
4) аллостерический центр – группа далеко удаленных от активного центра аминокислот апофермента, регулирует активность фермента метаболитами субстратного разложения

аминокислоты),
либо 2) дополнительно содержать кофактор:

витамин (органический акцептор катализируемого химического радикала, связан с каталитическим центром нековалентными связями),

атом микроэлемента (Br, Fe, I, Co, Mn, Cu, Mo, Se, F, Cr, Zn) – «оттягивает» на себя часть общей электронной оболочки катализируемого химического радикала, делая его более подвижным, и отрывает его от катализируемой молекулы, связаны с каталитическим центром нековалентными связями

простетическая группа – сложная органическая молекула (полисахарид, гликопептид, гликолипид, протеолипид), связанная с активным центром ковалентной связью.

валентных связей:
1) меняет валентные углы, длины и энергию связей,
2)

захватывает и механически перемещает реакционноспособную группу атомов (радикал) в необходимое место другой молекулы, где создает новую ковалентную связь.
Образован уникальной группой атомов, находящихся в уникальной трехмерной конфигурации, обеспечивающей функциональность.
Вся остальная часть молекулы энзима или рибозима служит только основой организации уникальной трехмерной конфигурации атомов каталитического центра, и обеспечивает необходимые для осуществления химической реакции конформационные перемещения катализируемых радикалов в трехмерном пространстве.

специфичных аминокислотных остатков, которые являются хорошими донорами или акцепторами протонов.

Такие группы представляют собой мощные катализаторы многих органических реакций (Доноры -СООН -NH3+ -SH, Акцепторы -СОО- -NH2 -S-)
2. Ковалентный катализ – ферменты реагируют со своими субстратами, образуя при помощи ковалентных связей очень нестабильные фермент-субстратные комплексы, из которых в ходе внутримолекулярных перестроек образуются продукты реакции.

[Mo-3Fe-3S] субкластером, гомоцитрат координирован с ионом Mo через два атома

кислорода. Молекула азота связывается четырьмя ионами железа.

Организация каталитического центра нитрогеназы
Klebsiella pneumonia, фермента, расщепляющего атмосферный азот

фиксацию атмосферного азота. Серые шарики — Fe,
желтые — S, 
черные — C,
большой коричневый

шарик — Mo. H и C — аминокислоты (гистидин и цистеин), к которым прикрепляется кофактор; 442 и 275 — позиции, в которых находятся эти аминокислоты в аминокислотной последовательности фермента.
Spatzal T., Aksoyoglu M., Zhang L., Andrade S.L., Schleicher E., Weber S., Rees D.C., Einsle O. Evidence for interstitial carbon in nitrogenase FeMo cofactor // Science. 2011 Nov 18;334(6058):940. doi: 10.1126/science.1214025.

http://elementy.ru/novosti_nauki/431710/Rasshifrovana_struktura_kataliticheskogo_tsentra_nitrogenazy_fermenta_rasshcheplyayushchego_atmosfernyy_azot

по механизму Кошланда – взаимного наведения. То есть, субстрат, встретившись

с молекулой собственного фермента, вызывает ее конформационную перестройку. В результате молекула фермента образует полость (карман), конгруэнтную электронной оболочке молекулы субстрата с которой он взаимодействует электростатически с образованием слабых химических связей.
Субстрат в полости субтратного центра располагается таким образом, чтобы быть максимально приближенным к каталитическому центру и после образования комплекса субстрат-фермент происходит дополнительное изменение конформации фермента, в результате которой катализируемый участок молекулы оказывается точно в каталитическом центре.

ольфакторным рецептором с собственной ферментативной активностью где он восстанавливается с

помощью двух электронов, переносимых с НАДФ (серые, синие и красные палочки), реакция сопровождается формированием запаха клубники.

HDMF – красные и желтые палочки
на следующем слайде

ФЭО (зеленый). Кофермент НАДФН обеспечивает доставку электронов для перехода предшественника

в HDMF – ключевого компонента аромата спелой клубники.

Детальный рисунок субстрат связывающего кармана (серые полупрозрачные поверхности) – показан перенос двух электронов (пунктир и красный шарик) от НАДФН к прекурсору HDMF.

Structural basis for the enzymatic formation of the key strawberry flavor compound 4-hydroxy-2,5-dimethyl-3(2H)-furanone; André Schiefner, Quirin Sinz, Irmgard Neumaier, Wilfried Schwab, and Arne Skerra; The Journal of Biological Chemistry, April 15, 2013; doi/10.1074/jbc.M113.453852+

молекулы (называемой активатором или ингибитором, а также эффектором, модулятором, регулятором)

вызывает изменение пространственной конфигурации белка-фермента (активного центра) что меняет скорость ферментативной реакции. В качестве такого регулятора может выступать продукт (метаболит) данной или одной из последующих реакций, субстрат реакции или иное вещество.
Аллостерические ферменты в большинстве случаев являются белками с четвертичной структурой, при этом активный и регуляторный центры могут находиться в разных субъединицах.

– белок хемотаксиса бактерий, привязывающийся жгутиковому двигателю, вызывает изменение направления

его вращения, регулируя таким образом кувыркающиеся движения кишечной палочки. Это регулирование достигается через фосфорилирование CheY протеина, что повышает его сродство к жгутиковому двигателю.

Amor B. R. C., SchaubM. T., S. YalirakiN., BarahonaM. Prediction of allosteric sites and mediating interactions through bond-to-bond propensities //
NATURE COMMUNICATIONS . 2016. 7:12477 | DOI: 10.1038/ncomms12477 |www.nature.com/naturecommunications

окислительно-восстановительные реакции, лежащие в основе биологического окисления. Коферментами этого класса

являются НАД, НАДФ, ФАД, ФМН, убихинон, глутатион, липоевая кислота).
II класс – Трансферазы (Трансферазы катализируют реакции переноса различных групп от одного субстрата (донор) к другому (акцептор), участвуют в реакциях взаимопревращения различных веществ, обезвреживания природных и чужеродных соединений. Коферментами являются пиридоксальфосфат, коэнзим А, тетрагидрофолиевая кислота, метилкобаламин.

исключением С-С связей) путем присоединения элементов Н2О, подразделяются на 13

подклассов. Сохранены тривиальные названия, например, пепсин, трипсин. Коферменты отсутствуют. Наиболее часто встречаются следующие рабочие названия гидролаз: 1. Эстеразы – гидролиз сложноэфирных связей. 2. Липазы – гидролиз нейтральных жиров (триацилглицеролов). 3. Фосфатазы – гидролиз моноэфиров фосфорной кислоты. 4. Гликозидазы – гидролизуют О- и S-гликозидные связи. 5. Протеазы, пептидазы – гидролиз белков и пептидов. 6. Нуклеазы – гидролиз нуклеиновых кислот.).

других связей, а также обратимые реакции отщепления различных групп негидролитическим

путем. Коферментами служат пиридоксальфосфат, тиаминдифосфат, участвует магний , кобальт.
V класс – Изомеразы (ферменты, катализирующие изомерные превращения в пределах одной молекулы. Изомеразы – сложные ферменты. К их коферментам относятся пиридоксальфосфат, дезоксиаденозилкобаламин, глутатион, фосфаты моносахаридов.
VI класс – Лигазы (синтетазы – ферменты, катализирующие присоединение друг к другу двух молекул с использованием энергии высокоэнергетических связей АТФ (или других макроэргов). Лигазы – сложные ферменты. Они содержат нуклеотидные (УТФ), биотиновые (витамин Н), фолиевые коферменты.

рецепторов насчитывает более 30 и продолжает пополняться.
Во всем многообразии рецепторов

можно выделить 4 следующих типа:
рецепторы, осуществляющие контроль за функцией ионных каналов (н-холинорецепторы, глутаматные рецепторы);
рецепторы, сопряженные с эффектором через систему G-протеины — вторичные посредники или G-протеины — ионные каналы (рецепторы некоторых белковых гормонов и пептидов — ангиотензина, брадикинина, эндотелина и др.; биогенных аминов — адреналина, дофамина, гистамина, серотонина; липидов — канабиноидов, простагландинов, лейкотриенов, тромбоксанов; нуклеозидов и нуклеотидов — аденозина, АТФ, АДФ и др., а также ионов Са2+);
рецепторы, осуществляющие прямой контроль за функцией эффекторного фермента (они непосредственно связаны с тирозинкиназой и регулируют фосфорилирование белков — рецепторы инсулина и гормонов роста);
рецепторы, контролирующие транскрипцию ДНК — растворимые цитозольные или ядерные белки (рецепторы стероидных и тиреоидных гормонов).

включающие или выключающие активность других молекул.
В неактивном состоянии они связаны

с гуанозиндифосфатом (ГДФ).
При связывании рецептора с лигандом ГДФ замещается на ГТФ, в результате чего происходит активация. Процесс этот сравнительно медленный, протекающий в течение

секунд – десятков секунд.
G-белки могут стимулировать (GS), либо ингибировать (GI) аденилатциклазу или гуанилатциклазу.

Семи-доменный рецептор, расположенный в мембране, сопряжен с G-белком, состоящим из трех субъединиц ,  и .

типа – дофаминовые;
• 5-НТ-рецепторы 4, 6, 7-го типа – серотониновые;
•

Н2-рецепторы – гистаминовые;
• А2-рецепторы – аденозиновые;
• V2-рецепторы – вазопрессиновые.

Рецепторы, ингибирующие аденилатциклазу:
• α2-адренорецепторы – адреналовые;
• D2-рецепторы – дофаминовые;
• 5-НТ-рецепторы 1-го и 5-го типа – серотониновые;
• м-холинорецепторы 2-го и 4-го типа;
• А1-рецепторы – аденозиновые;
• все опиоидные рецепторы (1, 2, , ).

клеток;
2) транспорт ионов кальция в нервные окончания, клетки желез, миокард,

скелетные мышцы, тромбоциты;
3) депонирование ионов кальция в гладких мышцах.

(Brain)
С-натрийуретический пептид (выделяется в основном

эндотелием)

и полярной фосфатной группой.
Рецепторы, связанные с фосфолипазой С:
альфа1-адренорецепторы;      
Р2Y -пуриновые

рецепторы;
5-HT2-рецепторы серотонина;
V1-рецепторы вазопрессина;
М1,3-холинорецепторы;
рецепторы окситоцина;
H1 -рецепторы гистамина;
рецепторы холецистокинина

Фосфолипаза C

тирозин-специфических протеинкиназ относится к каталитическим белкам-рецепторам, однократно пронизывающим мембрану.
Каталитический

домен находится с внутренней стороны плазматической мембраны. При связывании лиганда тирозинкиназа активируется и переносит фосфатную группу от АТР на гидроксильную группу тирозинового остатка в определенных белках. К этому семейству протеинкиназ относятся рецепторы инсулина и факторов роста, такие как тромбоцитарный фактор роста и фактор роста эпидермиса

путем фосфорилирования остатков аминокислот, имеющих гидроксильные группы (серин, треонин и

тирозин).




Тирозин Серин Треонин

Регулируют многие процессы в клетке, участвуют в передаче интегрин-зависимых сигналов

в клетку, которые побуждают ее деление.
Трансмембранные протеинкиназы (receptor protein-tyrosine kinase) – 2.7.10.1
Рецепторы, связанные с тирозиновыми протеинкиназами располагаются на поверхности клеток и связывают полипептидные факторы роста, цитокины и гормоны. Тирозиновые протеинкиназы принимают участие в передаче сигнала в клетке путем фосфорилирования специфических остатков тирозина белков-мишеней.

протеинкиназы

Human Tyr-Protein Kinase C-Scr

Первым изученным геном тирозинкиназы,
не связанной

с рецептором, был ген из
семейства Src, протоонкогенных тирозиновых
киназ. Протеинкиназы этого семейства
содержатся почти во всех клетках животных.
Было показано, что вирус саркомы
Рауса (англ.) (RSV) содержит мутантную
копию нормального клеточного гена Src.

Кребсом в 1959 году и является первым
описанным ферментом семейства

серин/треониновых протеинкиназ.
Киназа фосфорилазы превращает неактивную
гликогенфосфорилазу В в активную
форму гликогенфосфорилазу A, последняя
отщепляет от гликогена остатки
глюкозо-1-фосфата. Киназа фосфорилазы
активируется протеинкиназой А.

ферментов, активность которых зависит от уровня циклического АМФ (цАМФ) в

клетке. Протеинкиназа А является самой изученной из всех протеинкиназ, ее функции разнообразны, она участвует в регуляции метаболизма гликогена, липидов и сахаров, ее субстратами могут быть другие протеинкиназы или другие метаболические ферменты.

регулируются
Са2+/кальмодулиновым комплексом.
СаМ киназы классифицируют на два класса:
специализированные

СаМ киназы (например,
киназа легких цепей миозина, которая
фосфорилирует молекулы миозина,
вызывая мышечное сокращение) и
многофункциональные СаМ киназы (играют
роль во многих процессах: секреции
нейромедиаторов, регуляции
Транскрипционных факторов, в
метаболизме гликогена),
порядка 2 % белков головного мозга Ca2+/кальмодулин
представлены СаМ второго типа. зависимая киназа II

клеток. Их лиганды, например, стероидные или тиреоидные гормоны, обладают способностью

за счет своих гидрофобных свойств проникать через мембраны путем пассивной диффузии или активного транспорта.
Структура и функции внутренних рецепторов менее изучены, чем мембранных, поскольку их труднее выделить, не изменив при этом их первоначальной структуры. Известно присутствие рецепторов различных лигандов па рибосомах (к антибиотикам), в ядре (к стероидным и тиреоидным гормонам, тиазолидиндионам, жирным эссенциальным кислотам, фибратам), в комплексе Гольджи (к гормонам), в микросомах (к гормонам). Биологический смысл такой внутриклеточной рецепции заключается в более глубоком и продолжительном изменении функций клетки в ответ на получение внешнего сигнала.

эстрогена (белые шарики) включены в два домена рецептора.
Внутриклеточные рецепторы

рецепторами внутри клетки и регулируют скорость транскрипции специфических генов .
В

отсутствие гормона внутриклеточные рецепторы связаны обычно с другими белками в цитозоле или ядре. Например, рецепторы глюкокортикоидов образуют в цитозоле комплекс с шапероном, что препятствует связыванию рецептора с молекулой ДНК .
Взаимодействие гормона с центром связывания на С-концевом участке полипептидной цепи рецептора вызывает конформационные изменения и освобождение рецептора от шаперона. Происходит объединение 2 молекул рецептора с образованием гомодимера. Димер рецептора узнаёт специфическую последовательность нуклеотидов, которая расположена в промоторной области гена. Взаимодействие со специфическим участком ДНК HRE (от англ, hormone response element, элемент, реагирующий на воздействие гормона) обеспечивает центральный домен рецептора.

каждом "цинковом пальце" атом цинка связан с 4 остатками цистеина.
В

структуре одного "цинкового пальца" имеется последовательность аминокислот, отвечающая за связывание с ДНК, а второй "цинковый палец" содержит последовательность аминокислот, участвующую в димеризации рецепторов.
Взаимодействие комплекса гормон-рецептор с определённой последовательностью нуклеотидрв в промоторной части ДНК приводит к активации транскрипции.
Рецепторы тиреоидных гормонов всегда связаны с ДНК. В отсутствие гормонов соответствующие рецепторы ингибируют экспрессию генов. Напротив, взаимодействие с гормоном превращает их в активаторы транскрипции.

находиться в цитоплазме и ядре).

функциональные блоки, но более высокого уровня организации.