Лиганды. Активный центр белков и избирательность связывания его с лигандом

Активный центр белков – определённый участок белковой молекулы, как правило, находящийся в её углублении, 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.

Высокая специфичность связывания белка с лигандом обеспечивается комплементарностью структуры активного центра белка и структуры лиганда.

Под комплементарностью понимают пространственное и химическое соответствие взаимодействующих молекул. Лиганд должен обладать способностью входить и пространственно совпадать с конформацией активного центра. Это совпадение может быть неполным, но благодаря конформационной лабильности белка, активный центр способен к небольшим изменениям и «подгоняется» под лиганд. Кроме того, между функциональными группами лиганда и радикалами аминокислот, образующих активный центр, должны возникать связи, удерживающие лиганд в активном центре. Связи между лигандом и активным центром белка могут быть как нековалентными (ионными, водородными, гидрофобными), так и ковалентными.

Характеристика активного центра

Активный центр белка – относительно изолированный от окружающей белок среды участок, сформированный аминокислотными остатками. В этом участке каждый остаток, благодаря своему индивидуальному размеру и функциональным группам, формирует «рельеф» активного центра.

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 в результате точечных изменений его первичной структуры или условий окружающей среды могут привести к изменению химических и функциональных свойств радикалов, формирующих активный центр, нарушать связывание белка с лигандом и его функцию. 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.

Центр связывания белка с лигандом часто располагается между доменами. Например, протеолитический фермент трипсин, участвующий в гидролизе пептидных связей пищевых белков в кишечнике, имеет 2 домена, разделённых бороздкой. Внутренняя поверхность бороздки формируется аминокислотными радикалами этих доменов, стоящими в полипептидной цепи далеко друг от друга (Сер 177 , Гис 40 , Асп 85).

Разные домены в белке могут перемещаться друг относительно друга при взаимодействии с лигандом, что облегчает дальнейшее функционирование белка. Основное свойство белков, лежащее в основе их функций – избирательность присоединения специфических лигандов к определённым участкам белковой молекулы.

Многообразие лигандов:

Лигандами 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);

Существуют лиганды, присоединяющиеся к белку только в момент функционирования (например, О 2 , транспортируемый гемоглобином), и лиганды, постоянно связанные с белком, выполняющие вспомогательную роль при функционировании белков (например, железо, входящее в состав гемоглобина).

ГЛАВА 3
ФЕРМЕнТЫ. МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ

Ферментами или энзимами называют специфические белки, входящие в состав всех клеток и тканей живых организмов и выполняющие роль биологических катализаторов.

Общие свойства ферментов и неорганических катализаторов:

1. Не расходуются в процессе реакции.

2. Оказывают свое действие при малых концентрациях.

3. Не оказывают влияния на величину константы равновесия реакции.

4. Их действие подчиняется закону действующих масс.

5. Не ускоряют термодинамически невозможных реакций.

Отличия ферментов от неорганических катализаторов .

1. Термолабильность ферментов.

2. Зависимость активности ферментов от рН среды.

3. Специфичность действия ферментов.

4. Скорость ферментативных реакций подчиняется определенным кинетическим закономерностям.

5. Активность ферментов зависит от действия регуляторов – активаторов и ингибиторов.

6. Ряд ферментов при формировании третичной и четвертичной структуры подвергаются постсинтетической модификации.

7. Размеры молекулы ферментов обычно намного превышают размеры их субстратов.

Структура молекулы ферментов

По строению ферменты могут быть простыми и сложными белками. Фермент, являющийся сложным белком называют холоферментом . Белковая часть фермента называется апоферментом, небелковая часть – кофактором. Различают два типа кофакторов :

1. Простетическая группа – прочно связана с апоферментом, часто ковалентными связями.

2. Кофермент – небелковая часть, легко отделяемая от апофермента. Часто коферментами служат производные витаминов.

К коферментам относятся следующие соединения:

Производные витаминов;

Гемы, входящие в состав цитохромов, каталазы, пероксидазы, гуанилатциклазы, NO-синтазы и являющиеся простетической группой ферментов;

Нуклеотиды – доноры и акцепторы остатка фосфорной кислоты;

Убихинон или кофермент Q, участвующий в переносе электронов и протонов в цепи тканевого дыхания;

Фосфоаденозилфосфосульфат, участвующий в переносе сульфата;

Глутатион, участвующий в окислительно-восстановительных реакциях.

Таблица 3.1.

Коферментные функции витаминов

1. Методы разрушения тканей и экстракции белков

2. Методы очистки белков

3. Очистка белков от низкомолекулярных примесей

11.Конформационная лабильность белков. Денатурация, признаки и факторы ее вызывающие. Защита от денатурации специализированными белками теплового шока (шаперонами).

12. Принципы классификации белков. Классификация по составу и биологическим функциям, примеры представителей отдельных классов.

13. Иммуноглобулины, классы иммуноглобулинов, особенности строения и функционирования.

14. Ферменты, определение. Особенности ферментативного катализа. Специфичность действия ферментов, виды. Классификация и номенклатура ферментов, примеры.

1. Оксидоредукпшзы

2.Трансферты

V. Механизм действия ферментов

1. Формирование фермент-субстратного комплекса

3. Роль активного центра в ферментативном катализе

1. Кислотно-основной катализ

2. Ковалентный катализ

16. Кинетика ферментативных реакций. Зависимость скорости ферментативных реакций от температуры, рН среды, концентрации фермента и субстрата. Уравнение Михаэлиса-Ментен, Кm.

17. Кофакторы ферментов: ионы металлов их роль в ферментативном катализе. Коферменты как производные витаминов. Коферментные функции витаминов в6, рр и в2 на примере трансаминаз и дегидрогеназ.

1. Роль металлов в присоединении субстрата в активном центре фермента

2. Роль металлов в стабилизации третичной и четвертичной структуры фермента

3. Роль металлов в ферментативном катализе

4. Роль металлов в регуляции активности ферментов

1. Механизм "пинг-понг"

2. Последовательный механизм

18. Ингибирование ферментов: обратимое и необратимое; конкурентное и неконкурентное. Лекарственные препараты как ингибиторы ферментов.

1. Конкурентное ингибирование

2. Неконкурентное ингибирование

1. Специфические и неспецифические ингибиторы

2. Необратимые ингибиторы ферментов как лекарственные препараты

20. Регуляция каталитической активности ферментов ковалентной модификацией путем фосфорилирования и дефосфорилирования.

21. Ассоциация и диссоциация протомеров на примере протеинкиназы а и ограниченный протеолиз при активации протеолитических ферментов как способы регуляции каталитической активности ферментов.

22. Изоферменты, их происхождение, биологическое значение, привести примеры. Определение ферментов и изоферментного спектра плазмы крови с целью диагностики болезней.

23. Энзимопатии наследственные (фенилкетонурия) и приобретенные (цинга). Применение ферментов для лечения болезней.

24. Общая схема синтеза и распада пиримидиновых нуклеотидов. Регуляция. Оротацидурия.

25. Общая схема синтеза и распада пуриновых нуклеотидов. Регуляция. Подагра.

27. Азотистые основания, входящие в структуру нуклеиновых кислот – пуриновые и пиримидиновые. Нуклеотиды, содержащие рибозу и дезоксирибозу. Структура. Номенклатура.

28. Первичная структура нуклеиновых кислот. Днк и рнк–черты сходства и различия состава, локализации в клетке, функции.

29. Вторичная структура днк (модель Уотсона и Крика). Связи, стабилизирующие вторичную структуру днк. Комплементарность. Правило Чаргаффа. Полярность. Антипараллельность.

30. Гибридизация нуклеиновых кислот. Денатурация и ренативация днк. Гибридизация (днк-днк, днк-рнк). Методы лабораторной диагностики, основанные на гибридизации нуклеиновых кислот.

32. Репликация. Принципы репликации днк. Стадии репликации. Инициация. Белки и ферменты, принимающие участие в формировании репликативной вилки.

33. Элонгация и терминация репликации. Ферменты. Асимметричный синтез днк. Фрагменты Оказаки. Роль днк-лигазы в формировании непрерывной и отстающей цепи.

34. Повреждения и репарация днк. Виды повреждений. Способы репарации. Дефекты репарационных систем и наследственные болезни.

35. Транскрипция Характеристика компонентов системы синтеза рнк. Структура днк-зависимой рнк-полимеразы: роль субъединиц (α2ββ′δ). Инициация процесса. Элонгация, терминация транскрипции.

36. Первичный транскрипт и его процессинг. Рибозимы как пример каталитической активности нуклеиновых кислот. Биороль.

37. Регуляция транскрипции у прокариот. Теория оперона, регуляция по типу индукции и репрессии (примеры).

1. Теория оперона

2. Индукция синтеза белков. Lac-оперон

3. Репрессия синтеза белков. Триптофановый и гистидиновый опероны

39. Сборка полипептидной цепи на рибосоме. Образование инициаторного комплекса. Элонгация: образование пептидной связи (реакция транспептидации). Транслокация. Транслоказа. Терминация.

1. Инициация

2. Элонгация

3. Терминация

41. Фолдинг белков. Ферменты. Роль шаперонов в фолдинге белка. Фолдинг белковой молекулы с помощью шаперониновой системы. Болезни, связанные с нарушением фолдинга белка – прионовые болезни.

42. Особенности синтеза и процессинга секретируемых белков (на примере коллагена и инсулина).

43. Биохимия питания. Основные компоненты пищи человека, их биороль, суточная потребность в них. Незаменимые компоненты пищи.

44. Белковое питание. Биологическая ценность белков. Азотистый баланс. Полноценность белкового питания, нормы белка в питании, белковая недостаточность.

45. Переваривание белков: протеазы жкт, их активация и специфичность, оптимум рН и результат действия. Образование и роль соляной кислоты в желудке. Защита клеток от действия протеаз.

1. Образование и роль соляной кислоты

2.Механизм активации пепсина

3.Возрастные особенности переваривания белков в желудке

1. Активация панкреатических ферментов

2. Специфичность действия протеаз

47. Витамины. Классификация, номенклатура. Провитамины. Гипо-, гипер- и авитаминозы, причины возникновения. Витаминзависимые и витаминрезистентные состояния.

48. Минеральные вещества пищи, макро- и микроэлементы, биологическая роль. Региональные патологии, связанные с недостатком микроэлементов.

3. Жидкостностъ мембран

1. Структура и свойства липидов мембран

51. Механизмы переноса веществ через мембраны: простая диффузия, пассивный симпорт и антипорт, активный транспорт, регулируемые каналы. Мембранные рецепторы.

1. Первично-активный транспорт

2. Вторично-активный транспорт

Мембранные рецепторы

3.Эндергонические и экзергонические реакции

4. Сопряжение экзергонических и эндергонических процессов в организме

2. Строение атф-синтазы и синтез атф

3.Коэффициент окислительного фосфорилирования

4.Дыхательный контроль

56. Образование активных форм кислорода (синглетный кислород, пероксид водо-рода, гидроксильный радикал, пероксинитрил). Место образования, схемы реакций, их физиологическая роль.

57. Механизм повреждающего действия активных форм кислорода на клетки (пол, окисление белков и нуклеиновых кислот). Примеры реакций.

1) Инициация: образование свободного радикала (l )

2) Развитие цепи:

3) Разрушение структуры липидов

1. Строение пируватдегидрогеназного комплекса

2. Окислительное декарбоксилирование пирувата

3. Связь окислительного декарбоксилирования пирувата с цпэ

59. Цикл лимонной кислоты: последовательность реакций и характеристика ферментов. Роль цикла в метаболизме.

1. Последовательность реакций цитратного цикла

60. Цикл лимонной кислоты, схема процесса. Связь цикла с целью переноса электронов и протонов. Регуляция цикла лимонной кислоты. Анаболические и анаплеротические функции цитратного цикла.

61. Основные углеводы животных, биологическая роль. Углеводы пищи, переваривание углеводов. Всасывание продуктов переваривания.

Методы определение глюкозы в крови

63. Аэробный гликолиз. Последовательность реакций до образования пирувата (аэробный гликолиз). Физиологическое значение аэробного гликолиза. Использование глюкозы для синтеза жиров.

1. Этапы аэробного гликолиза

64. Анаэробный гликолиз. Реакция гликолитической оксидоредукции; субстратное фосфорилирование. Распространение и физиологическое значение анаэробного распада глюкозы.

1. Реакции анаэробного гликолиза

66. Гликоген, биологическое значение. Биосинтез и мобилизация гликогена. Регуляция синтеза и распада гликогена.

68. Наследственные нарушения обмена моносахаридов и дисахаридов: галактоземия, непереносимость фруктозы и дисахаридов. Гликогенозы и агликогенозы.

2. Агликогенозы

69. Липиды. Общая характеристика. Биологическая роль. Классификация липидов.Высшие жирные кислоты, особенности строения. Полиеновые жирные кислоты. Триацилглицеролы..

72. Депонирование и мобилизация жиров в жировой ткани, физиологическая роль этих процессов. Роль инсулина, адреналина и глюкагона в регуляции метаболизма жира.

73. Распад жирных кислот в клетке. Активация и перенос жирных кислот в митохондрии. Β-окисление жирных кислот, энергетический эффект.

74. Биосинтез жирных кислот. Основные стадии процесса. Регуляция обмена жирных кислот.

2. Регуляция синтеза жирных кислот

76. Холестерин. Пути поступления, использования и выведения из организма. Уровень холестерина в сыворотке крови. Биосинтез холестерина, его этапы. Регуляция синтеза.

Фонд холестерола в организме, пути его использования и выведения.

1. Механизм реакции

2. Органоспецифичные аминотрансферазы ант и act

3. Биологическое значение трансаминирования

4. Диагностическое значение определения аминотрансфераз в клинической практике

1. Окислительное дезаминирование

81. Непрямое дезаминирование аминокислот. Схема процесса, субстраты, ферменты, кофакторы.

3. Неокислительное дезамитровате

Высокая специфичность связывания белка с лигандом обеспечивается комплементарностью структуры активного центра белка структуре лиганда

Под комплементарностью понимают пространственное и химическое соответствие взаимодействующих молекул. Лиганд должен обладать способностью входить и пространственно совпадать с конформацией активного центра. Это совпадение может быть неполным, но благодаря конформационной лабильности белка активный центр способен к небольшим изменениям и "подгоняется" под лиганд. Кроме того, между функциональными группами лиганда и радикалами аминокислот, образующих активный центр, должны возникать связи, удерживающие лиганд в активном центре. Связи между лигандом и активным центром белка могут быть как нековалентными (ионными, водородными, гидрофобными), так и ковалентными.

1. Характеристика активного центра

Активный центр белка - относительно изолированный от окружающей белок среды участок, сформированный аминокислотными остатками. В этом участке каждый остаток благодаря своему индивидуальному размеру и функциональным группам формирует "рельеф" активного центра.

Объединение таких аминокислот в единый функциональный комплекс изменяет реакционную способность их радикалов, подобно тому, как меняется звучание музыкального инструмента в ансамбле. Поэтому аминокислотные остатки, входящие в состав активного центра, часто называют "ансамблем" аминокислот.

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 в результате точечных изменений его первичной структуры или условий окружающей среды могут привести к изменению химических и функциональных свойств радикалов, формирующих активный центр, нарушать связывание белка с лигандом и его функцию. 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.

В некоторых случаях лиганд присоединяется только к одному из атомов, обладающему определённой реакционной способностью, например присоединение О 2 к железу миоглобина или гемоглобина. Однако свойства данного атома избирательно взаимодействовать с О 2 определяются свойствами радикалов, окружающих атом железа в составе тема. Гем содержится и в других белках, таких как цитохромы. Однако функция атома железа в цитохромах иная, он служит посредником для передачи электронов от одного вещества другому, при этом железо становится то двух-, то трёхвалентным.

Основное свойство белков, лежащее в основе их функций, - избирательность присоединения к определённым участкам белковой молекулы специфических лигандов.

2. Многообразие лигандов

Лигандами 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);

существуют лиганды, присоединяющиеся к белку только в момент функционирования (например, О 2 , транспортируемый гемоглобином), и лиганды, постоянно связанные с белком, выполняющие вспомогательную роль при функционировании белков (например, железо, входящее в состав гемоглобина).

В тех случаях, когда аминокислотные остатки, формирующие активный центр, не могут обеспечить функционирование данного белка, к определённым участкам активного центра могут присоединяться небелковые молекулы. Так, в активном центре многих ферментов присутствует ион металла (кофактор) или органическая небелковая молекула (кофермент). Небелковую часть, прочно связанную с активным центром белка и необходимую для его функционирования, называют "простатическая группа". Миоглобин, гемоглобин и цитохромы имеют в активном центре простетическую группу - гем, содержащий железо.

Соединение протомеров в олигомерном белке - пример взаимодействия высокомолекулярных лигандов. Каждый протомер, соединённый с другими протомерами, служит для них лигандом, так же как они для него.

Иногда присоединение какого-либо лиганда изменяет конформацию белка, в результате чего формируется центр связывания с другими лигандами. Например, белок кальмодулин после связывания с четырьмя ионами Са 2+ в специфических участках приобретает способность взаимодействовать с некоторыми ферментами, меняя их активность.

8.Четвертичная структура белков. Особенности строенияи функционирования олигомерных белков на примере гемоглобина. Кооперативные изменения конформации протомеров. Возможность регуляции биологической функции олигомерных белков аллостерическими лигандами.

Под четвертичной структурой подразумевают способ укладки в пространстве отдельных полипептидных цепей, обладающих одинаковой (или разной) первичной, вторичной или третичной структурой, и формирование единого в структурном и функциональном отношениях макромолекулярного образования. Многие функциональные белки состоят из нескольких полипептидных цепей, соединенных не ковалентными связями, а неко-валентными (аналогичными тем, которые обеспечивают стабильность третичной структуры). Каждая отдельно взятая полипептидная цепь, получившая название протомера, мономера или субъединицы, чаще всего не обладает биологической активностью. Эту способность белок приобретает при определенном способе пространственного объединения входящих в его состав протомеров, т.е. возникает новое качество, не свойственное мономерному белку. Образовавшуюся молекулу принято называть олигомером (или мультимером). Олигомерные белки чаще построены из четного числа протомеров (от 2 до 4, реже от 6 до 8) с одинаковыми или разными молекулярными массами – от нескольких тысяч до сотен тысяч. В частности, молекула гемоглобина состоит из двух одинаковых α- и двух β-полипептидных цепей, т.е. представляет собой тетрамер.

Кооперативные изменения конформации протомеров.

Изменение конформации, а следовательно и функциональных свойств всех протомеров олигомерного белка при присоединение лиганда только к одному из них носит название-кооперативные изменения конформации протомеров.

Аллостерическая регуляция . Фермент изменяет активность с помощью нековалентно связанного с ним эффектора. Связывание происходит в участке, пространственно удаленном от активного (каталитического) центра. Это связывание вызывает конформационные изменения в молекуле белка, приводящие к изменению определенной геометрии каталитического центра. Активность может увеличиться - это активация фермента, или уменьшиться - это ингибирование «Сообщение» о присоединении аллостерического активатора передается посредством конформационных изменений каталитической субъединице, которая становится комплементарной субстрату, и фермент «включается». При удалении активатора фермент вновь переходит в неактивную форму и «выключается». Аллостерическая регуляция является основным способом регуляции метаболических путей.

В основе функционирования любого белка лежит его способность к избирательному взаимодействию с каким-либо другим веществом - лигандом. Лигандом может быть как низкомолекулярное вещество, так и макромолекула, в том числе другой белок. Лиганд присоединяется к определенному участку на поверхности белковой молекулы - центру связывания (активный центр).

Специфичность взаимодействия (узнавания) чаще всего обеспечивается комплементарностью структуры центра связывания структуре лиганда, подобно тому, как это происходит при самосборке гемоглобина из протомеров. Иногда избирательность зависит в основном от реакционной способности атома, к которому непосредственно присоединяется лиганд. Примером может служить присоединение кислорода к атому железа в миоглобине или гемоглобине. Однако и в таких случаях избирательность в значительной мере зависит от белковой части молекулы. Такой же атом железа (в составе гема) в других белках - цитохромах - функционирует совершенно иначе: он служит переносчиком электронов, получая их от одних веществ и передавая другим (при этом железо попеременно становится двух- или трехвалентным).
Связи между белком и лигандом могут быть как ковалентными, так и некова-лентными.
Центр связывания иногда занимает небольшой участок поверхности белковой молекулы (в гемоглобине центр связывания кислорода - это только область атома железа), иногда - значительную часть поверхности (например, контактные поверхности протомеров гемоглобина).
На молекуле белка может быть один, два или больше активных центров, имеющих одинаковую или разную специфичность. Например, каждый протомер гемоглобина имеет три центра для связывания с тремя другими протомерами и один центр для связывания гема. Тетрамерная молекула гемоглобина имеет четыре активных центра (атомы железа) для связывания кислорода.
Активный центр формируется из аминокислотных остатков, зачастую отстоящих далеко друг от друга в пептидной цепи. Собранными в одном месте они оказываются в результате образования вторичной и третичной структуры. Поэтому при денатурации белков активные центры разрушаются и биологическая активность утрачивается.Образование комплекса можно наблюдать по убыли концентрации свободного лиганда L или но нарастанию концентрации комплекса PL, если его образование сопровождается появлением какого-либо нового свойства, например изменением цвета или поглощения в ультрафиолетовой части спектра. Такой способ используют и для количественного определения индивидуальных белков (см. ниже).
При постоянной концентрации Р и возрастающей концентрации L концентрация PL увеличивается по гиперболической кривой, стремясь к максимуму, когда весь белок связан с лигандом (кривая насыщения). Для олигомерных белков кривая насыщения может иметь S-образную форму. Степень насыщения можно выразить в процентах концентрации комплекса от начальной (до добавления лиганда) концентрации белка [Р]0: степень насыщения равна (/[Р]0) 100 (рис. 1.29; см. также рис. 1.26).
Из уравнения равновесия реакции следует, что если [Р] = , то К = [L]. Равенство [Р] и означает полунасыщение белка, т. е. состояние, когда 50 % молекул белка связаны с лигандом, а 50 % остаются свободными: [Р] = = 1/ Последовательно, Ктсс численно равна такой концентрации лиганда, при которой достигается полунасыщение белка. На рис. 1.29 показано, как по кривой насыщения можно определить К и, тем самым, оценить сродство лиганда к белку.

· 1 В неорганической химии

o 1.1 Номенклатура лигандов

o 1.2 Характеристики лигандов

§ 1.2.1 Электронное строение

§ 1.2.2 Дентатность

§ 1.2.3 Способы координации

· 2 Примечания

В неорганической химии

Чаще всего такое связывание происходит с образованием так называемой «координационной» донорно-акцепторной связи, где лиганды выступают в ролиоснования Льюиса, то есть являются донорами электронной пары. При присоединении лигандов к центральному атому химические свойства комплексообразователя и самих лигандов часто претерпевают значительные изменения.

Номенклатура лигандов [править | править вики-текст]

1. первым в названии соединения в именительном падеже называется анион, а затем в родительном - катион

2. в названии комплексного иона сначала перечисляются лиганды в алфавитном порядке, а затем центральный атом

3. центральный атом в нейтральных катионных комплексах называются русским названием, а в анионах корнем латинского названия с суффиксом «ат». После названия центрального атома указывается степень окисления.

4. число лигандов, присоединенных к центральному атому, указывается приставками «моно», «ди», «три», «тетра», «пента», и т. д.

Характеристики лигандов [править | править вики-текст]

Электронное строение [править | править вики-текст]

Собственно, важнейшая характеристика лиганда, позволяющая оценить и спрогнозировать его способности к комплексообразованию и саморазрушению D-орбитали - разрушения соединения в целом. В первом приближении включает в себя количество электронных пар, которые лиганд способен выделить на создание координационных связей и электроотрицательность донирующего атома или функциональной группы.

Дентатность [править | править вики-текст]

Число занимаемых лигандом координационных мест центрального атома (или атомов), называется дентатностью (отлат. dens, dent- - зуб ). Лиганды, занимающие одно координационное место, называются моно дентатными (например, N H 3), два - би дентатными (оксалат-анион [O -C(=O)-C(=O)-O ] 2−). Лиганды, способные занять большее количество мест, обычно обозначают как поли дентатные. Например, этилендиаминтетрауксусная кислота (EDTA), способная занять шесть координационных мест.

Кроме дентатности, существует характеристика, отражающая количество атомов лиганда, связанных с одним координационным местом центрального атома. В английской литературе обозначается словом hapticity и имеет номенклатурное обозначение η с соответствующим надстрочным индексом. Хотя устоявшегося термина в русском языке она, по-видимому, не имеет, в некоторых источниках можно встретить кальку «гаптность» . Как пример, можно привести циклопентадиенильный лиганд в металлоцентровых комплексах, занимающий одно координационное место (то есть, являющийся монодентатным) и связанный через все пять атомов углерода: η 5 - − .

Способы координации [править | править вики-текст]

Хелатный комплексEDTA 4−

Лиганды с дентатностью больше двух способны образовывать хелатные комплексы (греч. χηλή - клешня) - комплексы, где центральный атом включен в один или более циклов с молекулой лиганда. Такие лиганды называются хелатирующими . Как пример можно привести комплексы тетрааниона той же EDTA, обратив внимание, что несколько из четырёх связей M-O в нём могут формально являться ионными .

При образовани хелатных комплексов часто наблюдается хелатный эффект - большая их стабильность по сравнению с аналогичными комплексами не-хелатирующих лигандов. Он достигается за счет большего экранирования центрального атома от замещающих воздействий и энтропийного эффекта. Например, константа диссоциации аммиачного комплекса кадмия 2+ почти в 1500 раз меньше, чем комплекса с этилендиамином 2+ . Причина этого заключается в том, что при взаимодействии гидратированного иона кадмия(II) с этилендиамином две молекулы лиганда вытесняют четыре молекулы воды. При этом число свободных частиц в системе значительно возрастает, и энтропия системы возрастает (а внутренняя упорядоченность комплекса соответствено растёт). То есть причина хелатного эффекта - увеличение энтропии системы при замещении монодентатных лигандов полидентатнымии и, как следствие, снижение энергии Гиббса.

Порфириновый цикл

Среди хелатирующих лигандов можно выделить класс макроциклических лигандов - молекул с достаточным для помещения атома комплексообразователя размером внутрициклического пространства. Примером таких соединений могут служитьпорфириновые основания - основы важнейших биохимических комплексов, таких, как гемоглобин, хлорофилл ибактериохлорофилл. Также в качестве макроциклических лигандов могут выступать краун-эфиры, каликсарены и др.

Лиганды также могут являться мостиковыми, образуя связи между различными центральными атомами в би- или полиядерных комплексах. Мостиковые лиганды обозначаются греческой буквой μ (мю ).

ЛИГАНДЫ

АБВГДЕЖЗИКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЭЮЯ

ЛИГАНДЫ (от лат. ligo - связываю), нейтральные молекулы, ионы или радикалы, связанные с центр. атомомкомплексного соединения. Ими м. б. ионы (Н - , Наl - , NO 3 - , NCS - и др.), неорг. молекулы (Н 2 , С n , N 2 , Р n , О 2 , S n , СО, СО 2 , NH 3 , NO, SO 2 , NO 2 , COS и др.), орг. соед., содержащие элементы главных подгрупп V, VI, VII гр. периодич. системы или p-донорную ф-цию. Большая группа лигандов-биологически важные соед. (аминокислоты, пептиды,белки, пурины, порфирины, коррины, макролиды) и их синтетич. аналоги (краун-эфиры, криптанды), а такжеполимеры с донорными атомами и хелатообразующими группировками. Лиганды могут быть связаны с центр.атомом s-, p- и d-двухцентровыми или многоцентровыми связями. В случае образования двухцентровых связей в лигандах можно выделить донорные центры (обычно атомы N, О, S, Cl или кратные связи). Многоцентровое связывание осуществляется за счет p-системы ароматич. лигандов (бензол, циклопентадиенид-анион) или гетероароматич. лигандов (пиррол, тиофен, метилпиридины). Важнейшая количеств. характеристика донорно-акцепторной способности лигандов - дентатность, определяемая числом донорных центров лигандов, участвующих в координации. По этому признаку лиганды делятся на моно-, ди-, ... полидентатные. Координац. число комплексообразователя для монодентатных лигандов совпадает с их кол-вом, для прочих равно произведению числа лигандов на их дентатность. Природа лигандов определяет типы координац. соед. (аквакомплексы,амминокомплексы, ацидокомплексы, мол. аддукты, хелаты, p-комплексы и др.); от нее зависят св-ва, строение и реакц. способность комплексных соед. и возможность их практич. применения.

Лиганд - это обязательный компонент сложных белков

У сложных белков, кроме белковой цепи, имеется дополнительная небелковая группа - лиганд (лат. ligo - связываю), то есть молекула, связанная с белком. В случае если лиганд несет структурную и/или функциональную нагрузку, он называется простетической группой .

В роли лиганда могут выступать любые молекулы:

· молекулы, выполняющие в белке структурную функцию – липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты, минеральные элементы, какие-либо другие органические соединения: гем в гемоглобине, углеводы в гликопротеинах, ДНК и РНК в нуклеопротеинах, медь в церулоплазмине,

· переносимые белками молекулы : железо в трансферрине, гемоглобин в гаптоглобине, гем в гемопексине,

· субстраты для ферментов – любые молекулы и даже другие белки.

Узнавание лиганда обеспечивается:

· комплементарностью структуры центра связывания белка структуре лиганда, иначе говоря, пространственным и химическим соответствием белка и лиганда. Они подходят друг к другу как ключ к замку, например, соответствие фермента и субстрата,

· иногда узнавание может зависеть от реакционной способности атома, к которому присоединяется лиганд. Например, связывание кислорода железом гемоглобина, или жирной кислоты с альбумином.

Функции лиганда в составе сложного белка разнообразны:

· изменяет свойства белков (заряд, растворимость, термолабильность), например, фосфорная кислота в фосфопротеинах или остатки моносахаридов в гликопротеинах,

· защищает белок от протеолиза вне и внутри клетки, например углеводная часть вгликопротеинах,

· в виде лиганда обеспечивается транспорт нерастворимых в воде соединений, например, перенос жиров липопротеинами,

· придает биологическую активность и определяет функцию белка, например, нуклеиновая кислота в нуклеопротеинах, гем в гемоглобине, углевод в рецепторных белках,

· влияет на проникновение через мембраны , внутриклеточную миграцию, сортировку и секрецию белков. Это выполняет, как правило, углеводный остаток.

Белковые модули (домены)

Обычно белки, образованные одной полипептидной цепью, представляют собой компактное образование, каждая часть которого не может функционировать и существовать отдельно, сохраняя прежнюю структуру. Однако, в некоторых случаях, при большом содержании аминокислотных остатков (более 200), в трехмерной структуре обнаруживается не одна, а несколько независимых компактных областей одной полипептидной цепи. Эти фрагменты полипептидной цепи, сходные по свойствам с самостоятельными глобулярными белками, называются модулями или доменами . Например, в дегидрогеназах два домена, один связывает НАД + и этот домен сходен по строению у всех НАД-зависимых дегидрогеназ, а другой домен связывает субстрат и отличается по структуре у разных дегидрогеназ.

Синтаза жирных кислот, представляющая одну полипептидную цепь, имеет 7 доменов, для катализа 7 реакций. Предполагается, что домены синтазы некогда объединились в один белок в результате слияния генов. Соединение модулей (доменов) в один белок способствует быстрому появлению и эволюции новых функциональных белков.

Активный центр белка – это центр связывания белка с лигандом. На поверхности глобулы образуется участок, который может присоединять к себе другие молекулы называемые лигандами . Активный центр белка формируется из боковых групп аминокислот, сближенных на уровне третичной структуры. В линейной последовательности пептидной цепи они могут находиться на расстоянии значительно удаленном друг от друга. Белки проявляют высокую специфичность при взаимодействии с лигандом. Высокая специфичность взаимодействия белка с лигандом обеспечивается комплементарностью структуры активного центра белка структуре лиганда. Комплементарность – это пространственное и химическое соответствие взаимодействующих молекул. Центры связывания белка с лигандом часто располагаются между доменами (например, центр связывания трипсина с его лигандом имеет 2 домена разделенных бороздкой).

В основе функционирования белков лежит их специфическое взаимодействие с лигандами. 50000 индивидуальных белков, содержащих уникальные активные центры, способные связываться только со специфическими лигандами и, благодаря особенностям строения активного центра, проявлять свойственные им функции. Очевидно, в первичной структуре содержится информация о функции белков.

Четвертичная структура - это высший уровень структурной организации, возможный не у всех белков. Под четвертичной структурой понимают способ укладки в пространстве полипептидных цепей и формирование единого в структурном и функциональном отношениях макромолекулярного образования. Каждая отдельно взятая полипептидная цепь, получившая название протомера или субъединицы , чаще всего не обладает биологической активностью. Эту способность белок приобретает при определенном способе пространственного объединения входящих в его состав протомеров. Образовавшуюся молекулу принято называть олигомером (мультимером) .

Четвертичную структуру стабилизируют нековалентные связи, которые возникают между контактными площадками протомеров, которые взаимодействуют друг с другом по типу комплементарности.

К белкам, имеющим четвертичную структуру, относятся многие ферменты (лактатдегидрогеназа, глутаматдегидрогеназа и др.), а также гемоглобин, сократительный белок мышц миозин. Одни белки имеют небольшое число субъединиц 2 – 8, другие сотни и даже тысячи субъединиц. Например, белок вируса табачной мозайки имеет 2130 субъединиц.

Типичным примером белка, имеющего четвертичную структуру, является гемоглобин. Молекула гемоглобина состоит из 4 субъединиц, т. е. полипептидных цепей, каждая из которых связана с гемом, из них 2 полипептидные цепи называются -2афьла и -2бета Они различаются первичной структурой и длиной полипептидной цепи.

Связи, образующие четвертичную структуру менее прочные. Под влиянием некоторых агентов происходит разделение белка на отдельные субъединицы. При удалении агента субъединицы могут вновь объединиться и биологическая функция белка восстанавливается. Так при добавлении к раствору гемоглобина мочевины он распадается на 4 составляющие его субъединицы, при удалении мочевины структурная и функциональная роль гемоглобина восстанавливается.