Тіманюк В.О., Животова О.М. Біофізика

Подождите немного. Документ загружается.

тропоколаген.

Іншим типом конформацій є βFформа (рис. 3.16). Така структура

утворюється сукупністю декількох поліпептидних ланцюгів (рис.

3.17) або з одного ланцюга, декілька разів вигнутого (кросFβFформа)

(рис. 3.18) і стабілізується водневими зв’язками, що виникають між

поруч розташованими ланцюгами. У результаті утворюється струк-

тура типу складчастого шару. Окремі ланцюги в такій структурі мо-

жуть розташовуватися паралельно й антипаралельно. У паралельній

βFформі кути

складають 61° і 239°, а в антипаралельній — 380° і

325°, відповідно.

У білках зустрічаються і неупорядковані ділянки, на яких кути

мають значення, відмінні від тих, що були зазначені вище.

Частка неупорядкованих ділянок у деяких білках може склада-

ти до 50–60%. Так, наприклад, у гемоглобіні 75% поліпептидних

ланцюгів знаходяться у вигляді αFспіралі, а залишені 25% являють

собою неупорядковані ділянки. Останні забезпечують вигини лан-

цюгів у просторі, зокрема, такі ділянки знаходяться в місці вигину

кросFβFформи.

Імовірність зустріти ту або іншу амінокислоту в αF, βFформах або

неупорядкованих ділянках різна. Так, наприклад, у αFспіралях час тіше

усього зустрічаються такі амінокислоти як глутамінова кислота, аланін,

лейцин, у βFформах — метіонін, валін, ізолейцин, у неупорядкованих

ділянках — гліцин і пролін (останній не здатний

утворювати водневих зв’язків, тому що насправді є

не аміноF, а іміно ки слотою). Знаючи частоту зуст-

річаємості амінокислот у різних видах конформацій

білка, можна на підставі інформації про первинну

структуру з деякою імовірністю (до 70%) передба-

чити вторинну.

Поліпептидний ланцюг стабілізується в просторі

не тільки водневими зв’язками, але і гідрофобними

взаємодіями, іонними і дисульфідними (–S–S–)

зв’язками, останні утворюються між амінокислотни-

ми залишками далеко віддаленими один від одного в

ланцюзі. У результаті цих взаємодій білковий ланцюг

виявляється складеним в деяку компактну структуру,

у якій чергуються упорядковані і неупорядковані

ділянки (третинна структура білка).

Деякі білкові молекули містять у своєму складі

не одну, а кілька поліпептидних ланцюгів (субоди-

ниць). Кожний ланцюг має свою третинну структуру

і зв’язаний з іншими ланцюгами нековалентними

Рис. 3.15. Розта-

шування водневих

зв’язків у α[спіралі

білка.

зв’язками, формуючи четвертинну структуру. Білки, що володіють

четвертинною структурою, мають у своєму складі точно певне число

субодиниць, наприклад, у гемоглобіні їх чотири.

Зв’язки, що стабілізують вторинну, третинну і четвертинну структури,

є слабкими (крім ковалентних дисульфідних). Тому зміна умов навко-

лишнього середовища може привести до їхнього розриву й утворення

нових зв’язків. Утворюється нова конформація, енергетично вигідна в

даних умовах, тобто відбувається конформаційний перехід.

Серед амінокислот, що входять до складу білків, є як гідрофільні

(аргінін, аспарагін, гістидин, глутамін, лізин, серин, тирозин і тре-

онін), так і гідрофобні (інші 12). До складу того самого білка входять,

як правило, і ті, і інші амінокислоти. Так як білкова молекула є рух-

ливою, то вона у воді (полярному розчиннику) прагне згорнутися

таким чином, щоб її гідрофільні амінокислоти контактували з ним,

а гідрофобні були “заховані” усередині. У результаті усередині мо-

лекули утворюється гідрофобне ядро, покрите зверху гідрофільною

оболонкою. Така структура називається білковою глобулою (від лат.

globulus — кулька). Її утворення забезпечує формування компактної

структури при великій молекулярній масі.

Основну роль у формуванні білкової глобули грають саме гідрофоб-

ні взаємодії, які сприяють виштовхуванню неполярних амінокислот

із водяного середовища, а не виграш енергії при утворенні водневих

зв’язків між полярними амінокислотами і водою, тому що приблизно

така ж кількість енергії виділяється і при формуванні водневих зв’язків

між амінокислотами в білку.

Форма глобули визначається співвідношенням числа поляр-

них і неполярних амінокислотних залишків. Якщо в білку b = b

(де b — відношення числа полярних залишків до неполярних,

— відношення об’єму гідрофільної фази до об’єму гідрофобного

Рис. 3.16. Розта-

шування водневих

зв’язків у β[формі.

Рис. 3.17. β[шар із кількох поліпеп-

тидних ланцюгів.

Рис. 3.18. Крос[β[форма.

ядра), то глобула буде прагнути утворити сферу. При b > b

, тобто

полярних залишків більше, ніж необхідно, щоб покрити гідрофобне

ядро, глобула прийме витягнуту форму. При b < b

полярних залишків

не вистачає і частині гідрофобного ядра приходиться контактувати з

водою. Щоб уникнути цього кілька таких молекул утворюють комп-

лекс одна з однією. На рисунку 3.19 наведені можливі форми білкових

глобул у залежності від параметра b.

§ 18. Ферментний каталіз

Однією з основних функцій білків є ферментативна. БілкиFферменти

здатні прискорювати біохімічні реакції в 10

–10

разів у порівнянні з

тим, якби ці реакції відбувалися без участі ферментів.

Відповідно до формули Арреніуса, константа швидкості реакції

дорівнює:

(3.5)

де А — константа, що визначає частоту зіткнень молекул, які реагують;

акт

— енергія активації — висота потенційного бар’єра, який повинна

перебороти система для здійснення реакції; R — універсальна газова

стала; T — температура; множник визначає долю молекул,

енергія яких перевищує енергію активації.

Ферменти ніколи не зрушують хімічної рівноваги в реакціях, обумо-

вленої різницею вільних енергій продукту і субстрату. Ці реакції відбу-

ваються й у відсутності ферменту, але з набагато меншою швидкістю.

Роль ферментів зводиться до зменшення енергії активації даної реакції,

а, отже, відповідно до (3.5), — збільшення константи швидкості.

Ферменти мають високу специфічність і, як правило, каталізують

тільки певні реакції або реакції за участю вузького класу сполук. Пер-

абв

Гідрофобне ядро

Гідрофільна оболонка

Рис. 3.19. Різні форми білкової глобули: а) сфера (b = b

); б) еліпсоїд (b > b

);

в) надмолекулярні структури (b < b

шою моделлю, що пояснювала специфічність ферменту, стала модель

Фішера, відповідно до якої субстрат стерично відпо відає активному

центру ферменту (ділянці ферменту, до якої приєднується субстрат).

Ця модель одержала назву ключFзамок. Відповідно до більш пізньої

моделі Кошланда (моделі індукованої відповідності), приєднання

певного субстрату викликає конформаційні перебудови у ферменті, у

результаті чого його каталітичні групи орієнтуються в просторі таким

чином, що виявляються здатними здійснити перетворення субстрату

в продукт. Ця модель пояснює той факт, що приєднання до ферменту

деяких речовин, структурно схожих на субстрат, не приводить до їхніх

хімічних перетворень.

Розглянемо кінетику ферментативних реакцій. У найпростішому

випадку приєднання субстрату до вільного ферменту Е

приводить до

утворення ферментFсубстратного комплексу [ES] із константою швид-

кості реакції k

. Із комплексу або утворюється продукт Р (константа k

)

або комплекс розпадається на субстрат і фермент (константа k

–1

Загальна концентрація ферменту в цьому випадку дорівнює

] = [E

] + [ES

]. (3.6)

Швидкість зміни концентрації ферментFсубстратного комплексу

складає

або з урахуванням (3.6)

(3.7)

Якщо в системі концентрація субстрату набагато перевищує кон-

центрацію ферменту ([S

]>>[E

]), то кількість існуючих у кожний момент

ферментFсубстратних комплексів залишається пос тійною (v

= 0), тобто

система знаходиться в стаціонарному стані. У цьому випадку з (3.7)

одержуємо концентрацію ферментFсубстратного комплексу

(3.8)

де — константа Міхаеліса.

З урахуванням (3.8) швидкість ферментативної реакції дорівнює

(3.9)

Залежність швидкості ферментативної реакції від концентрації суб-

страту наведена на рисунку 3.20. При збільшенні концентрації субстрату

швидкість прагне до деякого максимального значення

Тоді вираз (3.9) прийме вигляд (рівняння Міхаеліса—Ментен)

(3.10)

Як бачимо, константа Міхаеліса чисельно дорівнює концентрації суб-

страту, при якій швидкість реакції дорівнює половині максимальної.

Для кількісного визначення величин k

і v

max

рівняння (3.10) пере-

творюють до вигляду (метод Лайнуівера — Берка)

(3.11)

Графік рівняння (3.11) наведений на рисунку 3.21. При 1/[S

] = 0

одержуємо 1/v = 1/v

max

, величина k

визначається як тангенс кута на-

хилу прямої.

Деякі речовини, які зв’язуються із ферментом, зменшують швидкість

ферментативної реакції (інгібітори) або збільшують (активатори). У

якості інгібіторів або активаторів, що мають загальну назву модифіка-

торів, можуть виступати природні фізіологічні речовини, які регулюють

ферментативну активність, а також цілий ряд лікарських препаратів.

Розрізняють конкурентні і неконкурентні інгібітори. Конкурентні

інгібітори зв’язуються з активним центром ферменту, створюючи ком-

плекс ферментFінгібітор ЕI, але в продукт не перетворюються.

У випадку присутності в системі конкурентного інгібітора, відповідно

до схеми на рисунку 3.22,а, швидкість зміни концентрації комплексів

ферментFсубстрат (ES) і ферментFінгібітор (EI) приймуть вигляд, від-

повідно

(3.12)

(3.13)

а загальна концентрація ферменту складе

] = [E

] + [ES

] + [EI

]. (3.14)

Вирішуючи спільно рівняння (3.12), (3.13) і (3.14) за умови встановлен-

ня стаціонарного стану, висловимо концентрацію ферментFсубстратного

комплексу в присутності конкурентного інгібітора

де k

= k

–3

Звідси швидкість ферментативної реакції в присутності конкурен-

тного інгібітора складе

(3.15)

У цьому випадку максимальна швидкість реакції не змінюється в

порівнянні з максимальною швидкістю у відсутність конкурентного

інгібітора

Однак при малих концентраціях субстрату швидкість реакції

зменшується в порівнянні з тією, що була у відсутність конкурент-

ного інгібітора (рис. 3.23). Це можна пояснити тим, що при високих

концентраціях субстрату ([S

]

→∞

) фермент зв’язується переважно з

ним, а не з інгібітором, концентрація якого виявляється значно ниж-

че концентрації субстрату ([I

] << [S

]). При невисоких концентраціях

субстрату [S

]

≈

], фермент утворює комплекси як із субстратом, так і з

інгібітором, що зменшує швидкість реакції. Для досягнення швидкості,

що складає половину максимальної, концентрацію субстрату тепер

потрібно збільшити в (1 + k

) раз.

У координатах Лайнуівера — Берка рівняння (3.15) прийме вигляд:

де k’

= k

(1 + k

I) – константа Міхаеліса в присутності конкурентного

Рис. 3.20. Залежність швидкості v

ферментативної реакції від концентрації

субстрату [S].

Рис. 3.21. Графік Лайнуівера – Берка.

інгібітора (див. рис. 3.24, крива 2).

Неконкурентний інгібітор зв’язується із ферментFсубстратним

комплексом, створюючи неактивний комплекс ESI. У цьому випадку,

відповідно до схеми на рисунку 3.22,б, швидкість зміни концентрації

комплексів ферментFсубстрат (ES) і ферментFсубстратFінгібітор (ESI)

складають, відповідно

а загальна концентрація ферменту

] = [E

] + [ES

] + [ESI

Тоді швидкість ферментативної реакції в стаціонарному стані в при-

сутності неконкурентного інгібітора складе

де k

= k

–4

У цьому випадку максимальна швидкість реакції буде дорівнюва-

ти:

тобто зменшиться в порівнянні з максимальною швидкістю у відсут-

ність неконкурентного інгібітора в (1 + k

І) раз (рис. 3.24, крива 3).

Існує ряд ферментів, кінетика яких не підпорядковується рівнянню

Міхаеліса — Ментен. Залежність швидкості ферментативної реакції від

концентрації субстрату для них має вигляд, відмінної від гіперболи. У

більшості випадків це явище можна пояснити таким чином.

Деякі ферменти складаються з кількох субодиниць і мають кілька

центрів зв’язування субстрату. Приєднання субстрату до одного з центрів

Рис. 3.22. Схеми процесів із конкурентним (а) і неконкурентним (б) інгібіруванням.

а б

зв’язування викликає такі конформаційні перебудови у ферменті, що

полегшують приєднання субстрату до наступного центру (так званий

кооперативний ефект). У цьому випадку залежність швидкості фермен-

тативної реакції від концентрації субстрату має SFобразний вигляд.

Розглянемо явище кооперативності на прикладі білка гемоглобіну,

що складається з чотирьох субодиниць і чотирьох центрів зв’язування,

і порівняємо його кінетику з міоглобіном, мономерним білком з од-

ним центром зв’язування. Незважаючи на те, що ці білки являються

не ферментами, а транспортними білками, що постачають організм

киснем, кінетичні рівняння для них подібні до рівнянь для ферментів,

що виявляють властивість кооперативності, як гемоглобін, або тих, що

не виявляють, як міоглобін.

Реакцію утворення комплексу ліганду L із мономерним білком E

можна представити як

де k — константа зв’язування, яка дорівнює

(3.16)

Ступінь насичення білка лігандом, тобто відношення зайнятих

центрів зв’язування до їхнього загального числа, дорівнює:

або з урахуванням (3.16)

(3.17)

Рис. 3.23. Залежність швидкості фермен-

тативної реакції від концентрації суб-

страту у відсутність (1) і присутність (2)

конкурентного інгібітора.

Рис. 3.24. Графік Лайнуівера – Берка:

1 – без інгібітора; 2 – у присутності кон-

курентного інгібітора; 3 – у присутності

неконкурентного інгібітора.

Рівняння (3.17) подібно рівнянню Міхаеліса — Ментен і графіч но

являє собою гіперболу (рис. 3.25, крива 1).

Для опису ступеня насичення гемоглобіну використовують рівняння,

запропоноване Хіллом

(3.18)

де k

— константа зв’язування; h — параметр кооперативності.

При h = 1 кооперативність відсутня і рівняння (3.18) приходить до

вигляду (3.17). При h > 1 кооперативність позитивна, тобто приєднання

одного ліганду до центру зв’язування полегшує зв’язування з іншими,

при h < 1 кооперативність негативна. Для гемоглобіну h = 2,8. На рисунку

3.25 наведена залежність насичення міоглобіну і гемоглобіну в залеж-

ності від парціального тиску кисню рО

, пропорційного концентрації.

У організмі парціальний тиск кисню змінюється в не дуже великих

межах, однак кооперативні властивості гемо глобіну, що виявляються в

SFподібній формі кривої приводять до того, що навіть при невеликих

змінах парціального тиску кисню значно змінюється ступінь насичення

гемоглобіну киснем. Якби гемоглобін не виявляв властивість коопера-

тивності, то відщеплення кисню в тканинах відбувалося б не настільки

інтенсивно.

§ 19. Біофізика нуклеїнових кислот

Будова і властивості нуклеїнових кислот визначаються їхньою функ цією

в організмі: збереженням і передачею генетичної інформації.

У ланцюзі дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) чергуються у

певному порядку мономери — нуклеотиди, зв’язані між собою кова-

лентними фосфодіефірними зв’язками фосфатних груп із вуглеводами.

Кожний із нуклеотидів має у своєму складі дезоксирибозу і залишок

фосфорної кислоти, і відрізняється від інших азотистою основою,

яких у ДНК є 4 види: аденін (А ), гуанін (Г ), тимін (Т ) та цитозин (Ц ).

Перші два з них є пуриновими, а другі — піримідиновими основами.

Певна послідовність нуклеотидів у ланцюзі складає первинну структуру

нуклеїнової кислоти.

Вторинна структура ДНК була розшифрована за допомогою рент-

геноструктурного аналізу в 1952 р. Франклін, Кріком, Уотсоном та Уіл-

кінсом. Молекула ДНК, як правило, складається з двох нуклеотидних

ланцюгів, лише в деяких вірусах зустрічаються одноланцюгові молекули

ДНК. Два ланцюги ДНК зв’язані один з одним через азотисті основи

водневими зв’язками, причому, аденін завжди утворює пару з тиміном,

а гуанін — із цитозином (рис. 3.26). Говорять, що аденін комплементар-

ний тиміну, а гуанін — цитозину, один ланцюг ДНК комплементарний

іншому. Це пояснює правила Чаргафа, які були сформульовані раніше

відкриття структури ДНК:

1) А = Т; 2) Г = Ц; 3)

=1;

=1.

Крім водневих зв’язків між парами основ стабілізація структу-

ри ДНК досягається також міжплощинними взаємодіями основ

(стекінгFвзаємодіями). Кожна комплементарна пара нуклеотидів повер-

тається щодо попередньої на деякий кут навколо осі спіралі, в результаті

утворюється вторинна структура ДНК — подвійна спіраль.

Модель Уотсона і Кріка пояснила явище самоподвоєння ДНК

— редуплікацію. У процесі редуплікації в ДНК розриваються водневі

зв’язки між основами, і на кожному з двох ланцюгів будується новий,

при цьому кожний материнський ланцюг використовується як матриця

для дочірнього. Нові нуклеотиди

приєднуються за принципом ком-

плементарності, тобто до аденіну

приєднується тимін, до гуаніну

— цитозин, до тиміну — аденін,

до цитозину — гуанін. Така мо-

дель редуплікації називається

напівконсервативною, тому що

кожна нова молекула ДНК міс-

тить у собі один материнський та

один дочірній ланцюг.

Ланцюги ДНК можуть бути

лінійними або кільцевими. У

останніх — кінці молекул кова-

лентно замкнуті. Два нуклеотидні

ланцюги однієї молекули ДНК

завжди розташовуються антипаралельно: один ланцюг — від 3’F до

5’Fкінця, другий — навпаки (рис. 3.26).

Подвійна спіраль ДНК може існувати в різних конформаціях, перехід

між якими здійснюється при зміні вологості кристалічних препаратів

ДНК, солі ДНК та деяких інших параметрів, а також може бути викли-

каний взаємодією ДНК із білками й іншими компонентами клітини.

Вважається, що фізіологічним умовам відпо відає ВFформа ДНК. Ха-

рактеристики АF, ВF і СFформ ДНК подані в таблиці 3.1, схематичні

Рис. 3.25. Криві насичення киснем міоглобіну

(1) і гемоглобіну (2) у залежності від пар-

ціального тиску кисню рО