1) Строение молекул белков и связь с функциями

“Структура определяет функцию” — это про белки буквально.

Первичная структура — линейная последовательность аминокислот.
• Последовательность задаёт набор химических групп (заряженных, полярных, гидрофобных), от которых зависят все уровни выше.
• Мутация даже одной аминокислоты способна изменить сворачивание и функцию (классический пример — серповидноклеточный гемоглобин).

Вторичная структура — локальные элементы: α-спирали, β-слои, повороты.
• Эти мотивы обеспечивают повторяемую геометрию для построения более сложных форм: спирали часто “прошивают” мембраны (трансмембранные спирали), β-листами формируют “бочки” (поры, переносчики).

Третичная структура — трехмерная укладка всей цепи.
• Формируются активные центры ферментов — карман нужной формы и химии. Пример: каталитическая триада (Ser-His-Asp) в протеазах работает только при правильной укладке.
• Появляются алостерические сайты: связывание регулятора меняет конформацию и активность (lac-репрессор, алостерические ферменты гликолиза).
• Гидрофобное ядро стабилизирует глобулу; на поверхности — полярные и заряженные остатки для растворимости и взаимодействий.
• Домены — компактные, функционально самостоятельные “модули” (например, киназный домен + регуляторный домен). Комбинируя домены, белки приобретают новые функции (сигнальные, ДНК-связывающие, каталитические).
• Внутренне неупорядоченные участки (IDR) придают гибкость, позволяют белкам быть “узлами” сигналинга и образовывать конденсаты; они часто приобретают структуру только при связывании с партнёром.
• Посттрансляционные модификации (фосфорилирование, ацетилирование, гликозилирование, убиквитинирование) меняют заряд/массу/форму и тем самым — активность, адресацию и время жизни белка.

Четвертичная структура — сборка из нескольких субъединиц.
• Даёт кооперативность и регуляцию. Пример: гемоглобин — тетрамер, где связывание кислорода одной субъединицей облегчает его связывание другими (кооперативность позволяет эффективно работать в разных тканях).
• Мультиферментные комплексы канонически “передают” промежуточные продукты “из рук в руки”, ускоряя метаболизм и исключая утечки.

Связь типа белка с функцией
• Ферменты: компактная глобула с тщательно “вылепленным” активным центром; динамика (дыхательные движения глобулы) критична для катализа и специфичности.
• Структурные белки: удлинённые/волокнистые мотивы для прочности (коллаген — тройная спираль; кератин — спиральные канаты).
• Мембранные белки: пучки α-спиралей или β-бочки формируют каналы, насосы, рецепторы; гидрофобные участки обращены к липидам, полярные — внутрь поры для селективного транспорта.
• Транспортные/связывающие: имеют карманы для лигандов (сывороточный альбумин, переносчики ионов).
• Регуляторные/ДНК-связывающие: домены “молекулярного узнавания” (цинковые пальцы, спираль-поворот-спираль) читают последовательности нуклеиновых кислот.
• Сигнальные: модульная архитектура (SH2/SH3, PH-домены) для сборки сигнальных каскадов в нужном месте мембраны.

2) Почему скорость ферментативных реакций зависит от pH и температуры

Зависимость от pH

1. Протонирование ключевых остатков. Катализ почти всегда включает кислотно-основные шаги. Если, скажем, гистидин в активном центре должен быть протонирован, то при pH, где он депротонирован, шаг не идёт.

2. Заряды ионных пар и водородных связей. pH меняет ионизацию боковых групп (Asp/Glu, Lys/Arg, His, Tyr, Cys), что нарушает солевые мостики и H-сети, стабилизирующие правильную конформацию → падает активность или наступает частичная денатурация.

3. Связывание субстрата/кофактора. Изменение зарядов у фермента и/или субстрата ослабляет электростатическое “наведение” и посадку в карман. pH также сдвигает состояние ионов металлов в металлоферментах и их координацию.

4. Микроокружение активного центра. Внутри кармана эффективные pKa аминокислот сдвинуты относительно раствора, поэтому каждый фермент имеет оптимум pH (классика: пепсин активен в кислой среде желудка, трипсин — в слабощелочной среде кишечника). Вдали от оптимума активность образует “колокол”.

Зависимость от температуры — это баланс двух эффектов.

1. Кинетический (ускоряющий): с ростом температуры увеличивается средняя энергия молекул, чаще преодолевается энергия активации → скорость возрастает (часто ориентировочно описывается правилом Q10 ≈ 2: при +10 °C скорость примерно удваивается, пока белок стабилен).

2. Структурный (разрушающий): нагрев усиливает колебания, нарушает слабые взаимодействия (водородные связи, гидрофобный эффект, солевые мостики). При превышении некоторого порога фермент частично разворачивается или агрегирует — активность резко падает. Итог — кривая “с подъёмом и обрывом”: есть оптимум температуры.

Дополнение: адаптации
• Термофильные ферменты (из термофилов) устойчивее: более плотное гидрофобное ядро, больше солевых мостиков, иногда ионы-“скрепки”, жёсткие участки (Pro). Их оптимумы сдвинуты вверх (десятки–сотни °C).
• Психрофильные ферменты (холодолюбивых организмов) мягче и гибче — активны при низких T, но легко термолабильны.
• У эукариот дополнительные шапероны помогают переживать тепловой стресс, сохраняя/восстанавливая нативную конформацию.

Почему вместе получается “узкое окно условий”
Фермент должен одновременно: (а) иметь правильные заряды в активном центре, (б) удерживать точную 3D-геометрию, (в) оставаться достаточно гибким для индуцированного соответствия. pH и температура управляют всеми тремя параметрами, поэтому для каждого фермента существуют собственные оптимумы, а выход за пределы приводит к снижению скорости — либо из-за неправильных протонированных состояний, либо из-за потери структуры.