Функционирование белков

1. Биохимия

Функционирование белков

2. Функционирование белков

Набор индивидуальных белков выполняет в клетке
множество разнообразных и сложных функций.
Необходимое условие для функционирования белков
- присоединение к нему другого вещества, которое
называют "лиганд".
Лигандами могут быть как низкомолекулярные
вещества, так и макромолекулы. Взаимодействие
белка с лигандом высокоспецифично, что
определяется
строением
участка
белка,
называемого центром связывания белка с лигандом
или активным центром.

3. Активный центр белков

Активный центр белков - определённый участок
белковой молекулы, как правило, находящийся в её
углублении
("кармане"),
сформированный
радикалами
аминокислот,
собранных
на
определённом пространственном участке при
формировании третичной структуры и способный
комплементарно связываться с лигандом.
В линейной последовательности полипептидной цепи
радикалы, формирующие активный центр, могут
находиться на значительном расстоянии друг от
друга.

4. Специфичность связывания лиганда

5. Активный центр белков

Набор аминокислот, входящих в состав активного центра
называется «ансамблем». Это название связано с тем,
что объединение таких аминокислот в единый
функциональный комплекс изменяет реакционную
способность их радикалов, подобно тому, как меняется
звучание музыкального инструмента в ансамбле.
Уникальные свойства активного центра зависят не только
от химических свойств формирующих его аминокислот,
но и от их точной взаимной ориентации в пространстве.
Поэтому даже незначительные нарушения общей
конформации белка могут привести к изменению
химических и функциональных свойств радикалов,
формирующих активный центр, нарушать связывание
белка с лигандом и его функцию.

6. Активный центр белков

При денатурации активный центр белков
разрушается, и происходит утрата их
биологической активности.
Часто активный центр формируется таким
образом,
что
доступ
воды
к
функциональным группам его радикалов
ограничен, т.е. создаются условия для
связывания
лиганда
с
радикалами
аминокислот.

7. Активный центр белков

• В некоторых случаях лиганд присоединяется только
к одному из атомов, обладающему определённой
реакционной
способностью,
например
присоединение О2 к железу миоглобина или
гемоглобина. Однако свойства данного атома
избирательно
взаимодействовать
с
О2
определяются
свойствами
радикалов,
окружающих атом железа.
Основное свойство белков, лежащее в основе их
функций, - избирательность присоединения к
определённым участкам белковой молекулы
специфических лигандов.

8. Лиганды

Лиганды обладают разнообразной химической природой: это
могут быть неорганические (часто ионы металлов) и
органические
вещества,
низкомолекулярные
и
высокомолекулярные вещества.
Существуют лиганды, которые изменяют свою химическую
структуру при присоединении к активному центру белка
(изменения субстрата в активном центре фермента);
Некоторые лиганды, присоединяющиеся к белку только в момент
функционирования
(например,
О2,
транспортируемый
гемоглобином), и лиганды, постоянно связанные с белком,
выполняющие вспомогательную роль при функционировании
белков (например, железо, входящее в состав гемоглобина).
В олигомерных белках (белки с четвертичной структурой) белкипротомеры являются лигандом для других протомеров.

9. Степень диссоциации

Так как присоединение лиганда к белку является
обратимой реакцией, то её (как и любую другую
обратимую реакцию) можно охарактеризовать с
помощью константы равновесия – константы
диссоциации Kдис:
P+L↔PL
Kдис = [PL]/[L][P]
Чем меньше Kдис, тем прочнее связь между лигандом
и белком. Иногда, для оценки устойчивости
комплекса белок-лиганд (PL) используется обратная
величина – константа связывания:
Kсв=1/Kдис

10. Изменение активности белков

Не смотря на то, что взаимодействие между белком и лигандом
специфично можно подобрать похожее на лиганд вещество,
при связывании которого активным центром белка меняется
его(белка) активность.
Если активность белка при этом падает, то такой лиганд
называется «ингибитором белка».
Если вещество, замещающее лиганд, обладает похожей
структурой, то оно называется «структурным аналогом
лиганда».
При совпадении этих двух факторов (лиганд похож на
естественный и уменьшает активность белка) вещество
называется «конкурентным ингибитором белка».
Такие вещества используются человечеством в медицине, и
животными в качестве природных ядов.

11. Модуляторы белковых функций в медицине

Широкое применение такие лекарства нашли в регуляции
передачи возбуждения через синапсы.
Передача сигнала от нерва к нерву или от нерва к эффекторному
органу осуществляется через синапсы с помощью химических
молекул, называемых нейромедиаторами. Нейромедиатор,
выделяемый
при
прохождении
импульса
нервными
окончаниями, должен высокоспецифично взаимодействовать с
белками-рецепторами на постсинаптической мембране.
Однако, модифицируя химическую структуру нейромедиатора,
можно получить вещества, которые также связывались бы с
рецептором, но при этом менялся физиологический эффект:
уменьшался или усиливался.
В
фармакологии
такие
вещества
называют "антагонисты" и "агонисты" соответственно.

12. Модуляторы белковых функций в медицине

В качестве примера можно рассмотреть лекарства,
нарушающие проведение нервного импульса через
холинергические синапсы (синапсы, где в качестве
нейромедиатора
используется
ацетилхолин).
Холинергические белки-рецепторы неоднородны по
своей структуре и способны связываться с другими,
кроме ацетилхолина, лигандами. Их делят на 2 большие
группы:
• М-холинорецепторы,
названные
так
из-за
их
способности избирательно взаимодействовать с
мускарином (токсин мухомора);
• Н-холинорецепторы,
избирательно
связывающие
никотин.

13. Ингибирование Н-холинорецепторов

В
нервно-мышечных синапсах присутствуют Нхолинорецепторы, взаимодействие которых с
ацетилхолином вызывает сокращение мышц. Для
расслабления
мышц
в
эндоскопических
исследованиях, а также при разнообразных
хирургических операциях используют структурные
аналоги ацетилхолина, служащие ингибиторами
данных рецепторов.
Пример такого вещества - дитилин, относящийся к
группе лекарственных веществ, называемых
миорелаксантами
(вызывающими
мышечное
расслабление).

14. Ингибирование М-холинорецепторов

• Наиболее известный специфический ингибитор Мхолинорецепторов - атропин. Атропин - алкалоид,
содержащийся в некоторых растениях: красавке,
белене, дурмане. Он препятствует взаимодействию с
ацетилхолином (антагонист природного лиганда), тем
самым
устраняя
эффекты
раздражения
парасимпатических нервов.
• Так
как
ацетилхолин,
связываясь
с
Мхолинорецепторами, вызывает сокращение многих
гладких мышц, атропин (как лекарственный препарат)
снимает мышечные спазмы (спазмолитик).
• М-холинорецепторы присутствуют в разных отделах
ЦНС. Передозировка атропина может вызвать
двигательное и речевое возбуждение.

15. Ацетилхолин и его ингибиторы

16. Стимуляторы белковых функций

Некоторые структурные аналоги лигандов рецепторных белков не
являются ингибиторами, а вызывают такие же или более
сильные физиологические эффекты, чем природные лиганды.
Их более сильный и длительный эффект часто связан с тем, что
модифицированные лиганды медленнее инактивируются и
разрушаются в организме.
Например, мезатон по структуре похож на нейромедиаторы
симпатической нервной системы (норадреналин и адреналин).
Мезатон повышает тонус сосудов и АД, поэтому его используют
при гипотонии и коллапсе. Он менее подвержен действию
инактивирующих его ферментов, поэтому оказывает более
длительный и сильный эффект, чем его природные аналоги:

17. Нейротоксины

Некоторые яды, попадая в организм человека, прочно
связываются с определёнными белками, ингибируют их и тем
самым вызывают нарушения биологических функций.
Например, нейротоксины кобр и крайтов специфически
взаимодействуют
с
холинергическими
рецепторами
постсинаптических мембран, блокируя их работу, и оказывают
курареподобное действие. Нейротоксины - небольшие белки с
молекулярной массой около 7000 Д (65-70 аминокислотных
остатков). Их третичную структуру стабилизируют 4 или 5
специфических дисульфидных связей (в зависимости от вида
токсина). Сродство нейротоксинов к холинергическим
рецепторам очень высоко (Кдисс = 10-11).
Очевидно, между токсином и рецептором образуется множество
связей, что и приводит к их практически необратимому
соединению.

18. Граница между ядом и лекарством

Механизм
действия
лекарств-ингибиторов
и
нейротоксинов одинаков, поэтому между лекарствами
и ядами часто существует прозрачная граница, и эффект
их действия зависит от дозы вводимого вещества.
Так, лекарства, назначаемые в дозах, больших чем
терапевтические, могут действовать как яды, т.е.
вызывать серьёзные нарушения обмена веществ и
функций организма, а яды в микродозах часто
используют как лекарственные препараты.
Например, атропин, широко применяемый для снятия
спазмов гладких мышц, в больших дозах вызывает
возбуждение ЦНС, а в ещё больших дозах - сон,
переходящий в кому.