Номер 7, страница 377 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 66. Белки. Глава 6. Биологически активные вещества - номер 7, страница 377.

Условие.

7. Известно, что денатурированный определённым способом фермент рибонуклеаза на воздухе восстанавливает свою активность. Какие связи были разрушены при денатурации и каков механизм ренатурации?

Решение.

Решение 2.

Какие связи были разрушены при денатурации?

Денатурация фермента рибонуклеазы, при которой сохраняется возможность последующего восстановления активности (ренатурации), затрагивает связи, стабилизирующие его третичную и вторичную структуры, но не первичную (последовательность аминокислот). В классическом эксперименте Кристиана Анфинсена, который и установил этот факт, для денатурации рибонуклеазы использовали мочевину и восстановитель (β-меркаптоэтанол). При таком воздействии были разрушены следующие типы связей:

• Нековалентные связи: Эти слабые взаимодействия в совокупности определяют уникальную пространственную укладку полипептидной цепи. К ним относятся:
  • Водородные связи: образуются между различными группами в полипептидной цепи (например, между пептидными группами в α-спиралях и β-листах, а также между полярными боковыми радикалами аминокислот). Мочевина, как хаотропный агент, эффективно их разрушает.
  • Гидрофобные взаимодействия: возникают между неполярными боковыми радикалами аминокислот, которые в водной среде стремятся сгруппироваться вместе, формируя ядро белковой глобулы. Мочевина ослабляет эти взаимодействия, нарушая структуру окружающих молекул воды.
  • Ионные связи (солевые мостики): электростатические взаимодействия между противоположно заряженными боковыми группами аминокислот (например, между NH₃⁺ группой лизина и COO⁻ группой аспартата).
  • Ван-дер-ваальсовы силы: слабые неспецифические взаимодействия между близко расположенными атомами.

• Ковалентные дисульфидные связи: Молекула рибонуклеазы стабилизирована четырьмя дисульфидными мостиками (-S-S-), которые образуются в результате окисления тиольных групп (-SH) восьми остатков аминокислоты цистеина. Эти прочные ковалентные связи являются ключевым элементом третичной структуры. Для их разрыва используется восстановитель, например β-меркаптоэтанол, который восстанавливает дисульфидные связи обратно до сульфгидрильных групп.

При этом пептидные связи, соединяющие аминокислоты в полипептидную цепь (первичная структура), в условиях обратимой денатурации остаются нетронутыми.

Ответ: При обратимой денатурации рибонуклеазы были разрушены нековалентные связи (водородные, гидрофобные, ионные, ван-дер-ваальсовы), определяющие вторичную и третичную структуру, а также ковалентные дисульфидные связи, стабилизирующие третичную структуру. Первичная структура белка (пептидные связи) не была нарушена.

Каков механизм ренатурации?

Механизм ренатурации рибонуклеазы лежит в основе одного из центральных положений структурной биологии — термодинамической гипотезы Анфинсена. Она гласит, что вся информация, необходимая для сворачивания белка в его уникальную и биологически активную трехмерную структуру, закодирована в его первичной структуре, то есть в аминокислотной последовательности.

Процесс восстановления (ренатурации) происходит спонтанно после удаления денатурирующих агентов и включает следующие ключевые этапы:

1. Удаление денатурирующих агентов. Мочевину и β-меркаптоэтанол удаляют из раствора, например, с помощью диализа. Это создает условия (водная среда, физиологический pH), в которых нативная конформация белка является термодинамически наиболее стабильной.
2. Спонтанное сворачивание (фолдинг). Развернутая полипептидная цепь начинает самопроизвольно сворачиваться. Этот процесс управляется поиском состояния с минимальной свободной энергией. Основной движущей силой на начальных этапах является гидрофобный эффект: неполярные (гидрофобные) аминокислотные остатки стремятся "спрятаться" от контактов с водой, формируя ядро будущей белковой глобулы.
3. Формирование нативной конформации. По мере сворачивания восстанавливаются многочисленные нековалентные взаимодействия (водородные связи, ионные мостики и др.). Эти взаимодействия направляют и фиксируют полипептидную цепь в правильной конформации, приводя к образованию элементов вторичной и третичной структуры.
4. Восстановление дисульфидных связей. Правильная укладка цепи сближает в пространстве именно те остатки цистеина, между которыми должны образоваться дисульфидные мостики в активном ферменте. Присутствующий в воздухе кислород действует как мягкий окислитель. Он отнимает атомы водорода от сульфгидрильных групп (-SH), что приводит к образованию ковалентных дисульфидных связей (-S-S-). Это "замыкает" и окончательно стабилизирует нативную структуру. Если бы окисление произошло до сворачивания (в хаотическом состоянии), дисульфидные связи образовались бы случайным образом, и активный фермент не получился бы.

Таким образом, ренатурация — это иерархический и самопроизвольный процесс, в котором аминокислотная последовательность диктует конечную трехмерную структуру белка.

Ответ: Механизм ренатурации заключается в самопроизвольном сворачивании полипептидной цепи после удаления денатурирующих агентов, которое управляется информацией, заложенной в первичной структуре белка. Процесс включает формирование гидрофобного ядра, восстановление нековалентных связей и, наконец, окисление (например, кислородом воздуха) сульфгидрильных групп цистеинов с образованием правильных дисульфидных мостиков, что окончательно фиксирует биологически активную конформацию.