Изменения белков Те участки генома, которые кодируют белки, изменились на удивление мало. Различия в аминокислотных последовательностях белков у человека и шимпанзе составляют значительно менее 1 %, да и из этих немногочисленных различий большая часть либо не имеет

Глава 2. Строение и функции белков Белки – высокомолекулярные азотсодержащие органические соединения, состоящие из аминокислот, соединенных в полипептидные цепи с помощью пептидных связей, и имеющие сложную структурную организацию.История изучения белковВ 1728 г.

Уровни структурной организации белков Первичная структура – строго определенная линейная последовательность аминокислот в полипептидной цепочке.Стратегические принципы изучения первичной структуры белка претерпевали значительные изменения по мере развития и

Посттрансляционные изменения белков Многие белки синтезируются в неактивном виде (предшественники) и после схождения с рибосом подвергаются постсинтетическим структурным модификациям. Эти конформационные и структурные изменения полипептидных цепей получили

Глава 23. Обмен аминокислот. Динамическое состояние белков организма Значение аминокислот для организма в первую очередь заключается в том, что они используются для синтеза белков, метаболизм которых занимает особое место в процессах обмена веществ между организмом и

Переваривание белков в желудочно-кишечном тракте Переваривание белков начинается в желудке под действием ферментов желудочного сока. За сутки его выделяется до 2,5 литров и он отличается от других пищеварительных соков сильно кислой реакцией, благодаря присутствию

Расщепление белков в тканях Осуществляется с помощью протеолитических лизосомальных ферментов катепсинов. По строению активного центра выделяют цистеиновые, сериновые, карбоксильные и металлопротеиновые катепсины. Роль катепсинов:1. создание биологически активных

Роль печени в обмене аминокислот и белков Печень играет центральную роль в обмене белков и других азотсодержащих соединений. Она выполняет следующие функции:1. синтез специфических белков плазмы: - в печени синтезируется: 100 % альбуминов, 75 – 90 % ?-глобулинов, 50 %

Характеристика белков сыворотки крови Белки системы комплемента – к этой системе относятся 20 белков, циркулирующих в крови в форме неактивных предшественников. Их активация происходит под действием специфических веществ, обладающих протеолитической активностью.

Лиганды - это вещества, способные специфически связываться с активным центром молекул определённой структуры.

Биолигандами я предлагаю называть те лиганды, которые осуществляют биорегуляцию в живых организмах за счёт своего связывания с рецепторными молекулами-мишенями. (© Сазонов В.Ф., 2012. © kineziolog.bodhy.ru, 2012.)

Лиганды в биорегуляции (биолиганды) - это фактически сигнальные управляющие вещества, способные передавать управляющие команды за счёт своего связывания с активным центром молекулярных рецепторов, обладающих специфичностью к ним.

Таким образом, можно сказать, что именно биолиганды осуществляют хеморегуляцию , т.е. химическое управление клетками, организмом, его частями или совокупностью организмов.

Механизм действия биолигандов

По влиянию лигандов на конформацию белков белок-лигандные взаимодействия можно разделить на несколько классов.

Взаимодействия класса I:

Лиганд, связываясь с белком, не вызывает существенных изменений конформации, но стабилизирует структуру белка.
Пример - связывание ионов Са2* с лизоцимом. В присутствии лиганда (ионов Са2") для денатурации лизоцима требуются большие концентрации соответствующего агента (мочевины или гуанидингидрохлорида).
Видимо, в данном случае с помощью Са2< образуются дополнительные связи между радикалами.

Взаимодействия класса II:

Лиганд значительно меняет третичную структуру белка, и только в таком состоянии белок становится достаточно активным.
Пример - связывание ионов Са2* с кальмодулином - внутриклеточным рецептором этих ионов. Связав два иона Са2*, кальмодулин приобретает способность влиять на активность многих белков клетки.

Взаимодействия класса III:

В отсутствие лиганда белок находится в т. н. состоянии расплавленной глобулы: имеет достаточно компактную глобулярную форму, но без какой-либо определенной третичной структуры - последняя формируется лишь при связывании лиганда.
Пример такого белка - лактальбумин (компонент ферментного комплекса синтеза лактозы). Это небольшой белок, содержащий 4 дисульфидные связи и прочно связывающий 1 ион Са* . Видимо, данный ион является ключевым структурообразующим элементом. При его удалении третичная структура белка разрушается. Но глобулярная форма и размер глобулы сохраняются благодаря стабилизирующему влиянию дисульфидных связей.

Взаимодействия класса IV:

Без лиганда у белка не до конца сформирована вторичная структура и полностью отсутствует третичная структура. При этом пептидная цепь частично развернута.
Пример белка остеокальцин, содержащийся в матриксе костей. Он содержит всего около 50 аминокислотных остатков и способен связывать 5 ионов Са". Связывание сопровождается существенным уменьшением объема глобулы, формированием третичной структуры и объединением глобул в димеры. Т. е. в данном случае лиганд необходим для появления у белка и четвертичной структуры.

Взаимодействия класса V:

В отсутствие лиганда белковая цепь практически полиостью развернута, т. е. представляет собой случайный клубок. Взаимодействие же с лигандом приводит к полному формированию пространственной структуры белка.
Пример - цитохром с, один из белков цепи переноса электронов в митохондриях. Его лиганд гем (сходный с гемом гемоглобина). Удаление тема приводит к почти полному разворачиванию белковой молекулы.

Взаимодействия класса VI:

Связывание лиганда вызывает масштабные подвижки доменов или субъединиц белка.
Пример - взаимодействие гемоглобина (НЬ) с кислородом. В ходе этого процесса происходят многочисленные и сложные конформационные превращения. В том числе соседние субъединицы поворачиваются друг относительно друга на 10 15".
В результате при связывании молекулы 02 с гемом одной субъединицы повышается сродство к кислороду соседних субъединиц. Это обозначается как кооперативный эффект и имеет большое физиологическое значение.
Завершая данный пункт, сделаем два замечания:
а) во-первых, как видно, лиганды действительно могут очень существенно влиять на конформацию белка;
б) во-вторых, для белка, имеющего несколько лигандов (особенно если последние связываются с разными частями молекулы), характер подобного влияния для разных лигандов может быть совершенно разным.
Например, по-разному воздействуют на структуру гемоглобина такие его лиганды, как гем и кислород.
Поэтому, в отличие от авторов изложенной здесь систематизации (В. Н. Уверского и Н. В. Нарижневой), мы говорили не о классах белков, а о классах белок-лигандных взаимодействий.

Основным свойством белка, обеспечивающим его функцию, является избирательное взаимодействие с определенным веществом - лигандом.

Лигандами могут быть вещества разной природы, как низкомолекулярные соединения, так и макромолекулы, в том числе и белки. На белковых молекулах есть участки, к которым присоединяется лиганд - центры связывания или активные центры. Центры связывания формируются из аминокислотных остатков, сближенных в результате формирования вторичной и третичной структуры.

Связи между белком и лигандом могут быть нековалентными и ковалентными. Высокая специфичность взаимодействия («узнавания») белка и лиганда обеспечивается комплементарностью структуры центра связывания пространственной структуре лиганда.

Под комплементарностью понимают химическое и пространственное соответствие активного центра белка и лиганда. Взаимодействие между белком Р и лигандом L описывается уравнением:

белок + лиганд↔ белково-лигандный комплекс.

4 (1). Гемоглобин - аллостерический белок. Конформационные изменения молекулы гемоглобина. Кооперативный эффект. Регуляторы сродства гемоглобина к кислороду. Структурные и функциональные различия миоглобина и гемоглобина.

Гемоглобин: аллостерический белок
Переход в процессе эволюции от мономерного миоглобина к тетрамерному гемоглобину сопровождался появлением новых свойств. Молекула гемоглобина значительно сложнее, чем молекула миоглобина. Прежде всего гемоглобин помимо 0 2 транспортирует Н + и С0 2 . Во-вторых, связывание кислорода гемоглобином регулируется специфическими компонентами внутренней среды, а именно Н + , С0 2 и органическими фосфорными соединениями. Эти регуляторы оказывают сильнейшее влияние на способность гемоглобина связывать кислород, несмотря на то что они присоединяются к белку в участках, отстоящих далеко от гема. Вообще так называемое аллостериче-ское взаимодействие, т.е. взаимодействие между пространственно разделенными участками, имеет место во многих белках. Аллостерические эффекты играют важнейшую роль в регуляции и интеграции молекулярных процессов в биологических системах. Гемоглобин является наиболее изученным аллостерическим белком, и потому имеет смысл более подробно рассмотреть его структуру и функцию.

КОНФОРМАЦИОННЫМИ ИЗМЕНЕНИЯМИ В ГЕМОГЛОБИНЕ

Связывание кислорода сопровождается разрывом солевых

связей, образованных концевыми карбоксильными группами

субъединиц (рис.7) Это облегчает связывание следующих молекул

кислорода, поскольку при этом требуется разрыв меньшего числа

солевых связей. Указанные изменения заметно влияют на

вторичную, третичную и особенно четвертичную структуру

гемоглобина. При этом одна А/В-пара субъединиц поворачивается

относительно другой А/В-пары, что приводит к компактизации

тетрамера и повышению сродства гемов к кислороду (рис. 8 и 9).

КОНФОРМАЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В ОКРУЖЕНИЕ ГЕМОГРУППЫ

Оксигенирование гемоглобина сопровождается структурными

изменениями в окружении гемогруппы. При оксигенировании атом

железа, который в дезоксигемоглобине выступал на 0,06 нм из

плоскости гемового кольца, втягивает в эту плоскость (рис.

10). Вслед за атомом железа ближе к гему перемещается

проксимальный гистидин (F8), а также связанные с ним соседние

Молекула гемоглобина может находиться в двух формах - напряженной и расслабленной. Расслабленная форма гемоглобина имеет свойство насыщаться кислородом в 70 раз быстрее, чем напряженная. Изменение фракций напряженной и расслабленной формы в общем количестве гемоглобина в крови обусловливает S-образный вид кривой диссоциации оксигемоглобина, а следовательно, так называемое сродство гемоглобина к кислороду. Если вероятность перехода от напряженной формы гемоглобина к расслабленной больше, то возрастает сродство гемоглобина к кислороду, и наоборот. Вероятность образования указанных фракций гемоглобина изменяется в большую или меньшую сторону под влиянием нескольких факторов. Основной фактор - это связывание кислорода с геминовой фуппой молекулы гемоглобина. При этом чем больше геминовых фупп гемоглобина связывают кислород в эритроцитах, тем более легким становится переход молекулы гемоглобина к расслабленной форме и тем выше их сродство к кислороду. Поэтому при низком Р02, что имеет место в метаболически активных тканях, сродство гемоглобина к кислороду ниже, а при высоком Р02 - выше. Как только гемоглобин захватывает кислород, повышается его сродство к кислороду и молекула гемоглобина становится насыщенной при связывании с четырьмя молекулами кислорода. Когда эритроциты, содержащие гемоглобин, достигают тканей, то кислород из эритроцитов диффундирует в клетки. В мышцах он поступает в своеобразного депо кислорода - в молекулы миоглобина, из которого кислород используется в биологическом окислении мышц. Диффузия кислорода из гемоглобина эритроцитов в ткани обусловлена низким Р02 в тканях - 35 мм рт. ст. Внутри клеток тканей напряжение кислорода, необходимое для поддержания нормального метаболизма, составляет еще меньшую величину - не более 1 кПа. Поэтому кислород путем диффузии из капилляров достигает метаболически активных клеток. Некоторые ткани приспособлены к низкому содержанию Р02 в капиллярах крови, что компенсируется высокой плотностью капилляров на единицу объема тканей. Например, в скелетной и сердечной мышцах Р02 в капиллярах может снизиться чрезвычайно быстро во время сокращения. В мышечных клетках содержится белок миоглобин, который имеет более высокое сродство к кислороду, чем гемоглобин. Миоглобин интенсивно насыщается кислородом и способствует его диффузии из крови в скелетную и сердечную мышцы, где он обусловливает процессы биологического окисления. Эти ткани способны экстрагировать до 70 % кислорода из крови, проходящей через них, что обусловлено снижением сродства гемоглобина к кислороду под влиянием температуры тканей и рН. Эффект рН и температуры на сродство гемоглобина к кислороду. Молекулы гемоглобина способны реагировать с ионами водорода, в результате этой реакции происходит снижение сродства гемоглобина к кислороду. При насыщении гемоглобина менее 100 % низкое рН понижает связывание кислорода с гемоглобином - кривая диссоциации оксигемоглобина смещается вправо по оси х. Это изменение свойства гемоглобина под влиянием ионов водорода называется эффектом Бора. Метаболически активные ткани продуцируют кислоты, такую как молочная, и С02. Если рН плазмы крови снижается от 7,4 в норме до 7,2, что имеет место при сокращении мыщц, то концентрация кислорода в ней будет возрастать вследствие эффекта Бора. Например, при постоянном рН 7,4 кровь отдавала бы порядка 45 % кислорода, т. е. насыщение гемоглобина кислородом снижалось до 55 %. Однако когда рН снижается до 7,2, кривая диссоциации смещается по оси х вправо. В результате насыщение гемоглобина кислородом падает до 40 %, т. е. кровь может отдавать в тканях до 60 % кислорода, что на 1/з больше, чем при постоянном рН. Метаболически активные ткани повышают продукцию тепла. Повышение температуры тканей при физической работе изменяет соотношение фракций гемоглобина в эритроцитах и вызывает смещение кривой диссоциации оксигемоглобина вправо вдоль оси х. В результате большее количество кислорода будет освобождаться из гемоглобина эритроцитов и поступать в ткани. Эффект 2,3-дифосфоглицерата (2,3-ДФГ) на сродство гемоглобина к кислороду. При некоторых физиологических состояниях, например при понижении Р02 в крови ниже нормы (гипоксия) в результате пребывания человека на большой высоте над уровнем моря, снабжение тканей кислородом становится недостаточным. При гипоксии может понижаться сродство гемоглобина к кислороду вследствие увеличения содержания в эритроцитах 2,3-ДФГ. В отличие от эффекта Бора, уменьшение сродства гемоглобина к кислороду под влиянием 2,3-ДФГ не является обратимым в капиллярах легких. Однако при движении крови через капилляры легких эффект 2,3-ДФГ на снижение образования оксигемоглобина в эритроцитах (плоская часть кривой диссоциации оксигемоглобина) выражен в меньшей степени, чем отдача кислорода под влиянием 2,3-ДФГ в тканях (наклонная часть кривой), что обусловливает нормальное кислородное снабжение тканей

Нативная трехмерная структура устанавливается в результате действия целого ряда энергетических и энтропийных факторов. Изменение конформационного состояния молекулы белка за счет различных внешних воздействий (рН, температура, ионный состав) отражается и на его функциональной активности. Конформационные перестройки происходят весьма быстро. На первых стадиях они носят локальный микроконформационный характер, вызывая смещения лишь отдельных атомных групп. Распространение таких локальных смещений на остальные области макромолекулярной структуры приведет уже к общему конформационному изменению молекулы биополимера.

Миоглобин - состоит из одной полипептидной цепи, включающей 153 аминокислотных остатка, и одной железопорфириновой группы (гем) на молекулу. Миоглобин относится к гемопротеинам, могущим обратимо связывать кислород; в клетках скелетной мышцы он ответствен за резервирование кислорода, а также за увеличение скорости его диффузии через клетки. Филогенетически миоглобин - предшественник гемоглобина. Молекула не содержит дисульфидиых связей и характеризуется a-спиральностью на 77%. Гем, ответственный за связывание кислорода, находится в «гидрофобном кармане», образованном особыми, для этого предназначенными аминокислотами. Гем представляет собой макроцикл протопорфирина с координационно связанным ионом двухвалентного железа, находящимся в центре молекулы. Такая пространственная фиксация гема делает возможным связывание молекулы кислорода в качестве шестого лиганда.

Гемоглобин - «дыхательный» белок крови. Он осуществляет транспорт кислорода по кровеносной системе легких к другим органам и центрам потребления. Молекула гемоглобина состоит из четырех попарно идентичных полипептидных цепей, каждая из которых несет гем. Полипептидные цепи гемоглобина называют a и b, а симметричное строение молекулы записывают как a 2 b 2 . Образование четвертичной структуры осуществляется путем гидрофобных взаимодействий между отдельными полипептидными цепями. При присоединении кислорода к гему образуется оксигемоглобин, четвертичная структура которого лишь незначительно отличается от неоксигенированной формы.

Присоединение кислорода индуцирует ряд конформационных изменений в молекуле НЬ. Связывание кислорода с переводом иона Fe 2+ в низкоспиновое состояние сопровождается одновременным смещением железа в плоскость гемовой группы. Происходит поэтапный разрыв солевых мостиков между a-субъединицами. Расстояние между гемами a--субъединиц увеличивается, а между гемами b-субъединиц сокращается. В целом оксигенация переводит каждую из субъединиц из дезокси- и оксиконформацию. Разрыв четырех солевых мостиков из шести при оксигенации первых двух a-субъединиц способствует разрыву двух остальных мостиков и, следовательно, облегчает присоединение следующих молекул кислорода к остальным субъединицам, увеличивая сродство их к кислороду в несколько сотен раз. В этом и состоит кооперативный характере присоединения.

5 (1). Первичная и вторичная структуры ДНК. Правила Чаргаффа. Принцип комплементарности. Типы связей в молекуле ДНК. Биологическая роль ДНК. Молекулярные болезни - следствие генных мутаций.

Первичная структура ДНК - порядок чередования дезоксирибонуклеозидмонофосфатов (дНМФ) в полинукпеотидной цепи.

Каждая фосфатная группа в полинукпеотидной цепи, за исключением фосфорного остатка на 5"-конце молекулы, участвует в образовании двух эфирных связей с участием 3"- и 5"-углеродных атомов двух соседних дезоксирибоз, поэтому связь между мономерами обозначают 3", 5"-фосфодиэфирной.

Концевые нуклеотиды ДНК различают по структуре: на 5"-конце находится фосфатная группа, а на 3"-конце цепи - свободная ОН-группа. Эти концы называют 5"- и 3"-концами. Линейная последовательность дезоксирибонуклеотидов в полимерной цепи ДНК обычно сокращённо записывают с помощью однобуквенного кода, например -A-G-C-T-T-A-C-A- от 5"- к 3"-концу.

В каждом мономере нуклеиновой кислоты присутствует остаток фосфорной кислоты. При рН 7 фосфатная группа полностью ионизирована, поэтому in vivo нуклеиновые кислоты существуют в виде полианионов (имеют множественный отрицательный заряд). Остатки пентоз тоже проявляют гидрофильные свойства. Азотистые основания почти нерастворимы в воде, но некоторые атомы пуринового и пиримидинового циклов способны образовывать водородные связи.

Вторичная структура ДНК. В 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком была предложена модель пространственной структуры ДНК. Согласно этой модели, молекула ДНК имеет форму спирали, образованную двумя полинуклеотидными цепями, закрученными относительно друг друга и вокруг общей оси. Двойная спираль правозакрученная, полинуклеотидньхе цепи в ней антипараллельны (рис. 4-6), т.е. если одна из них ориентирована в направлении 3"→5", то вторая - в направлении 5"→3". Поэтому на каждом из концов

Рис. 4-6. Двойная спираль ДНК. Молекулы ДНК состоят из двух антипараллельных цепей с комплементарной последовательностью нукпеотидов. Цепи закручены относительно друг друга в правозакрученную спираль так, что на один виток приходится примерно 10 пар нуклеотидов.

молекулы ДНК расположены 5"-конец одной цепи и 3"-конец другой цепи.

Все основания цепей ДНК расположены внутри двойной спирали, а пентозофосфатный остов - снаружи. Полинуклеотидные цепи удерживаются относительно друг друга за счёт водородных связей между комплементарными пуриновыми и пиримидиновыми азотистыми основаниями А и Т (две связи) и между G и С (три связи) (рис. 4-7). При таком сочетании каждая

Рис. 4-7. Пурин-пиримидиновые пары оснований в ДНК.

пара содержит по три кольца, поэтому общий размер этих пар оснований одинаков по всей длине молекулы. Водородные связи при других сочетаниях оснований в паре возможны, но они значительно слабее. Последовательность нуклеотидов одной цепи полностью комплементарна последовательности нуклеотидов второй цепи. Поэтому, согласно правилу Чаргаффа (Эрвин Чаргафф в 1951 г. установил закономерности в соотношении пуриновых и пиримидиновых оснований в молекуле ДНК), число пуриновых оснований (А + G) равно числу пиримидиновых оснований (Т + С).

Комплементарые основания уложены в стопку в сердцевине спирали. Между основаниями двухцепочечной молекулы в стопке возникают гидрофобные взаимодействия, стабилизирующие двойную спираль.

Такая структура исключает контакт азотистых остатков с водой, но стопка оснований не может быть абсолютно вертикальной. Пары оснований слегка смещены относительно друг друга. В образованной структуре различают две бороздки - большую, шириной 2,2 нм, и малую, шириной 1,2 нм. Азотистые основания в области большой и малой бороздок взаимодействуют со специфическими белками, участвующими в организации структуры хроматина.

Пра́вила Ча́ргаффа - система эмпирически выявленных правил, описывающих количественные соотношения между различными типами азотистых оснований в ДНК. Были сформулированы в результате работы группы биохимика Эрвина Чаргаффа в 1949-1951 гг.

До работ группы Чаргаффа господствовала так называемая «тетрануклеотидная» теория, согласно которой ДНК состоит из повторяющихся блоков по четыре разных азотистых основания (аденин, тимин, гуанин и цитозин). Чаргаффу и сотрудникам удалось разделить нуклеотиды ДНК при помощи бумажной хроматографии и определить точные количественные соотношения нуклеотидов разных типов. Они значительно отличались от эквимолярных, которых можно было бы ожидать, если бы все четыре основания были представлены в равных пропорциях. Соотношения, выявленные Чаргаффом для аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г) и цитозина (Ц), оказались следующими:

1. Количество аденина равно количеству тимина, а гуанина - цитозину: А=Т, Г=Ц.

2. Количество пуринов равно количеству пиримидинов: А+Г=Т+Ц.

3. Количество оснований с аминогруппами в положении 6 равно количеству оснований с кетогруппами в положении 6: А+Ц=Г+Т.

Вместе с тем, соотношение (A+Т):(Г+Ц) может быть различным у ДНК разных видов. У одних преобладают пары АТ, в других - ГЦ.

Правила Чаргаффа, наряду с данными рентгеноструктурного анализа, сыграли решающую роль в расшифровке структуры ДНК Дж. Уотсоном и Фрэнсисом Криком.

Комплемента́рность (в химии , молекулярной биологии и генетике ) - взаимное соответствие молекул биополимеров или их фрагментов, обеспечивающее образование связей между пространственно взаимодополняющими (комплементарными) фрагментами молекул или их структурных фрагментов вследствие супрамолекулярных взаимодействий (образование водородных связей, гидрофобных взаимодействий, электростатических взаимодействий заряженных функциональных групп и т. п.).

Взаимодействие комплементарных фрагментов или биополимеров не сопровождается образованием ковалентной химической связи между комплементарными фрагментами, однако из-за пространственного взаимного соответствия комплементарных фрагментов приводит к образованию множества относительно слабых связей (водородных и ван-дер-ваальса) с достаточно большой суммарной энергией, что приводит к образованию устойчивых молекулярных комплексов.

Вместе с тем следует отметить, что механизм каталитичекой активности ферментов определяется комплементарностью фермента и переходного состояния либо промежуточного продукта катализируемой реакции - и в этом случае может происходить обратимое образование химической связи.

Комплементарность нуклеиновых кислот

В случае нуклеиновых кислот - как олиго- так и полинуклеотидов азотистые основания нуклеотидов способны вследствие образования водородных связей формировать парные комплексы аденин -тимин (или урацил в РНК ) и гуанин -цитозин при взаимодействии цепей нуклеиновых кислот . Такое взаимодействие играет ключевую роль в ряде фундаментальных процессов хранения и передачи генетической информации: репликации ДНК , обеспечивающей передачу генетической информации при делении клетки, транскрипции ДНК в РНК при синтезе белков , кодируемых ДНК гена , хранении генетической информации в двухцепочечной ДНК и процессах репарации ДНК при её повреждении.

Принцип комплементарности используется в синтезе ДНК. Это строгое соответствие соединения азотистых оснований, соединёнными водородными связями, в котором: А-Т (Аденин соединяется с Тимином ) Г-Ц (Гуанин соединяется с Цитозином )

Ферментативный катализ

Комплементарное связывание фермент-субстрат является ключевым фактором в механизме ферментативной активности и, в отличие описанных выше ситуаций с образованием химически несвязанных комплексов может приводить к инициированию химической реакции - в случае связи фермента с субстратом комплементарность относительно невысока, однако при высокой комплементарности к переходному реакционному состоянию субстрата происходит стабилизация этого состояния, что приводит к эффекту каталитической активности ферментов: такая стабилизация переходного состояния эквивалентна снижению энергии активации и, соответственно, резкому увеличению скорости реакции.

· 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.