Главная страница

Тема № Белки



Скачать 176.87 Kb.
НазваниеТема № Белки
Дата16.03.2016
Размер176.87 Kb.
ТипДокументы

Тема № 3. Белки.

В любом живом организме содержатся тысячи белков, выполняющих разнообразные функции. Чтобы дать представление о многообразии белков, на схеме с увеличением примерно 1 х 1500000 приведен общий вид молекул (с соблюдением формы и размера) ряда вне- и внутриклеточных белков. Функции, выполняемые белками, распределяются примерно следующим образом.



Структурообразующие функции. Структурные белки отвечают за поддержание формы и стабильности клеток и тканей. В качестве примера структурного белка на схеме представлен фрагмент молекулы коллагена (см. с. 76). В заданном масштабе целая молекула коллагена размером 1500000 • 300 нм заняла бы три страницы. К структурным белкам можно отнести также гистоны, функцией которых является организация укладки ДНК в хроматине. Структурные единицы хроматина, нуклеосомы (см. с. 236), состоят из октамерного комплекса гистонов, на который навита молекула ДНК (DNA).



Транспортные функции. Наиболее известным транспортным белком является гемоглобин эритроцитов (слева внизу), ответственный за перенос кислорода и диоксида углерода между легкими и тканями (см. с. 276). В плазме крови содержатся множество других белков, выполняющих транспортные функции. Так, преальбумин переносит гормоны щитовидной железытироксин и трииодтиронин. Ионные каналы и другие интегральные мембранные белки осуществляют транспорт ионов и метаболитов через биологические мембраны.

Защитные функции. Иммунная система защищает организм от возбудителей болезней и чужеродных веществ. В качестве ключевого компонента этой системы здесь представлен иммуноглобулин G, который на эритроцитах образует комплекс с мембранными гликолипидами.

Регуляторные функции. В биохимических сигнальных цепях белки осуществляют функции сигнальных веществ (гормонов) и гормональных рецепторов. В качестве примера здесь представлен комплекс гормона роста соматотропина с соответствующим рецептором. При этом экстрацеллюлярные домены двух молекул рецептора связывают одну молекулу гормона. Связывание с рецептором активирует цитоплазматические домены комплекса и тем самым обеспечивает дальнейшую передачу сигнала. Роль низкомолекулярного белкового гормона инсулина подробно рассматривается в последующих разделах. В регуляции обмена веществ и процессов дифференцировки принимают решающее участие ДНК-ассоцированиые белки (факторы транскрипции). Особенно детально изучено строение и функции белков-активаторов катаболизма и других бактериальных факторов транскрипции.

Катализ. Среди 2000 известных белков наиболее многочисленную группу составляют ферменты. Самые низкомолекулярные из них имеют мол. массу 10-15 кДа. Белки среднего размера, как, например, приведенная на схеме алкогольдегидрогеназа, имеют мол.массу 100-200 кДа. Молекулярная масса высокомолекулярных ферментов, к которым относится глутаминсинтетаза, построенная из 12 мономеров, могут достигать 500 кДа.

Двигательные функции. Взаимодействие актина с миозином ответственно за мышечное сокращение и другие формы биологической подвижности. Гексамер миозина (слева) длиной 150 нм — один из наиболее крупных белков. Нитевидный актин (F-актин) образуется путем полимеризации относительно небольших молекул глобулярного актина (G-актин). Процессом сокращения управляют ассоциированный с F-актином тропомиозин и другие регуляторные белки.

Запасные функции. В растениях содержатся запасные белки, явлющиеся ценными пищевыми веществами. В организмах животных мышечные белки служат резервными питательными веществами, которые мобилизуются при крайней необходимости.

ПЕПТИДЫ, природные или синтетич. соед., молекулы к-рых построены из остатков -аминокислот, соединенных между собой пептидными (амидными) связями C(O) NH. Могут содержать в молекуле также неаминокислотную компоненту (напр., остаток углевода). По числу аминокислотных остатков, входящих в молекулы пептидов, различают ди-пептиды, трипептиды, тетрапептиды и т.д. Пептиды, содержащие до 10 аминокислотных остатков, наз. олигопептидами, содержащие более 10 аминокислотных остатков полипепти-дами Прир полипептиды с мол. м. более 6 тыс. наз. белками

Историческая справка. Впервые пептиды были выделены из ферментативных гидролизатов белков. Термин "пептиды" предложен Э. Фишером. Первый синтетический пептид получил T. Курциус в 1881 Э. Фишер к 1905 разработал первый общий метод синтеза пептидов и синтезировал ряд олигопептидов различного строения. Существенный вклад в развитие химии пептидов внесли ученики Э. Фишера Э. Абдергальден, Г. Лейке и M. Бергман. В 1932 M Бергман и Л. Зервас использовали в синтезе пептидов бензилоксикарбонильную группу (карбобензоксигруппу) для защиты α-аминогрупп аминокислот, что ознаменовало новый этап в развитии синтеза пептидов. Полученные N-защищенные аминокислоты (N-карбобензоксиаминокислоты) широко использовали для получения различных пептидов, которые успешно применяли для изучения ряда ключевых проблем химии и биохимии этих B-B, напр, для исследования субстратной специфичности протеолитич. ферментов. С применением N-карбобензоксиаминокислот были впервые синтезированы природные пептиды (глутатион, карнозин и др.). Важное достижение в этой области разработанный в нач. 50-х гг. P. Воганом и др. синтез пептидов методом смешанных ангидридов (подробно методы синтеза пептидов рассмотрены ниже). В 1953 В. Дю Виньо синтезировал первый пептидный гормон -окситоцин. На основе разработанной P. Меррифилдом в 1963 концепции твердофазного пептидного синтеза были созданы автоматич. синтезаторы пептидов. Получили интенсивное развитие методы контролируемого ферментативного синтеза пептидов. Использование новых методов позволило осуществить синтез гормона инсулина и др.

Успехи синтетической химии пептидов были подготовлены достижениями в области разработки таких методов разделения, очистки и анализа пептидов, как ионообменная хроматография, электрофорез на разл. носителях, гель-фильтрация, высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ), иммуно-хим. анализ и др. Получили большое развитие также методы анализа концевых групп и методы ступенчатого расщепления пептидов. Были, в частности, созданы автоматич. аминокислотные анализаторы и автоматич. приборы для определения первичной структуры пептидов-т.наз. секвенаторы.

Номенклатура пептидов. Аминокислотный остаток пептидов, несущий своб. -аминогруппу, наз. N-концевым, а несущий своб. -карбоксильную группу - С-концевым. Название пептида образуется из назв. входящих в его состав аминокислотных остатков, перечисляемых последовательно, начиная с N-концево-го. При этом используют тривиальные назв. аминокислот, в к-рых окончание "ин" заменяется на "ил"; исключение C-концевой остаток, назв. к-рого совпадает с назв. соответствующей аминокислоты. Все аминокислотные остатки, входящие в пептиды, нумеруются, начиная с N-конца. Для записи первичной структуры пептидов (аминокислотной последовательности) широко используют трехбуквенные и однобуквенные обозначения аминокислотных остатков (напр., Ala Ser -Asp Phe -GIy аланил-серил-аспарагил-фенилаланил-гли-цин).

Классификация пептидов. Все пептиды делятся на гомомерные и гетеро-мерные. Гомомерные пептиды при гидролизе образуют только аминокислоты, гетеромерные наряду с аминокислотами соед. др. классов. В зависимости от структуры неаминокислотной компоненты, гетеромерные пептиды делятся на глико-, липо-, нуклео-, фосфопептиды и др. Гомомерные и гетеромерные пептиды могут быть линейными и циклическими. Аминокислотные остатки в них м.б. соединены между собой только пептидными связями (гомодетные пептиды) или не только пептидными сложноэфирными, дисульфидными и др. (гете-родетные пептиды). Гетеродетные пептиды с встроенными в цепь гид-роксиаминокислотами наз. пептолидами. Пептиды, содержащие в молекуле остатки только одной аминокислоты, наз. гомо-полиаминокислотами, а содержащие одинаковые повторяющиеся участки (из одной или неск. аминокислотных остатков) регулярными пептидами. Особую группу гетеромерных гетеродетных пептидов образуют депсипептиды.

Структура и функции белков

Белки либо протеины количественно доминируют над всеми иными макромолекулами живой клетки. Белки принимают участие во всех биологических процессах, выполняя многообразные функции:

  • ферментативный катализ;

  • транспорт и накопление;

  • сокращение и перемещение;

  • иммунная оборона;

  • передача информации в клетку;

  • регуляция метаболизма;

  • механическая опора и пр.

Любой белок имеет уникальную, присущую только ему текстуру и в настолько же мере уникальную функцию, отличную от функций иных белков.

Структура белка

Белки - данное высокомолекулярные соединения (полимеры), состоящие из -аминокислот - мономерных звеньев, соединенных друг от друга пептидными взаимосвязями.
Все 20 аминокислот, встречающиеся в белках, данное -аминокислоты, единым показателем коих считается присутствие аминогруппы - NН 2 и карбоксильной категории - СООН у -углеродного атома. -аминокислоты выделяются между собой текстурой категории R и, а значит, свойствами. Все аминокислоты возможно соединить на основе полярности R-групп, т.е. их способности взаимодействовать с водой при биологических значениях рН.

Пептидные взаимосвязи возникают при взаимодействии -аминогруппы одной аминокислоты с -карбоксильной категорией иной аминокислоты: Пептидная взаимосвязь - данная амидная ковалентная взаимосвязь, соединяющая аминокислоты в цепочку. А значит, пептиды - данные цепочки аминокислот. Полипептидная цепь имеет явное направление, т.к. у неё различные концы - или независимая -аминогруппа (N-конец), или независимая -карбоксильная категория (С-конец). Изображение очередности аминокислот в цепи наступает с N-концевой аминокислоты. С неё ведь наступает нумерация аминокислотных остатков. В полипептидной цепи постоянно повторяется категория: -NH-CH-CO-. Данная категория формирует пептидный остов. А значит, полипептидная цепь состоит из остова (скелета), имеющего систематическую, повторяющуюся текстуру, и отдельных боковых цепей R-групп. Изначальная текстура характеризуется порядком (последовательностью) чередования аминокислот в полипептидной цепи. В том числе и одни и те же по протяженности и аминокислотному составу пептиды имеют все шансы быть разными препаратами поскольку очередность аминокислот в цепи у них различная.

ло

Очередность аминокислот в белке уникальна и детерминируется генами. В том числе и не очень большие перемены первичной текстуры имеют все шансы солидно изменять качества белка. Было бы неверно сделать вывод, что любой аминокислотный остаток в белке нужен для сбережения обычной текстуры и функции белка. К примеру, обнаружены почти все варианты последовательностей гемоглобина, функционирующие неплохо. Обоснование данного заключается в понимании конформации белка и станет дано позже.

Конформация полипептидных цепей

Функциональные качества белков ориентируются их конформацией, т.е. месторасположением полипептидной цепи в месте. Уникальность конформации для любого белка ориентируется его первичной текстурой. В белках различают 2 значения конформации пептидной цепи - вторичную и третичную текстуру. Вторичная текстура белков обусловлена возможностью групп пептидной взаимосвязи к водородным взаимодействиям: C=O....HN.

По двум сторонам твердой пептидной взаимосвязи вполне вероятно вращение: и



-углы, определяющие вращение что же касается одинарных взаимосвязей С -C и C -N.

Пептид устремляется принять конформацию с максимумом водородных взаимосвязей. Впрочем вероятность их образования ограничивается тем, что пептидная взаимосвязь имеет частично двойной нрав, в следствии этого вращение около нее затруднено. Пептидная цепь покупает не свободную, а жестко явную конформацию, фиксируемую водородными взаимосвязями. Известны некоторое количество приемов укладки полипептидной цепи:

  • -спираль - возникнет внутрицепочечными водородными взаимосвязями меж NH-группой одного остатка аминокислоты и CO-группой четвертого от нее остатка;

  • -структура (складчатый лист) - возникнет межцепочечными водородными взаимосвязями либо взаимосвязями меж участками одной полипептидной цепи изогнутой в обратном направлении;

  • беспорядочный клубок - данное участки, лишенные верной, периодической пространственной организации. Хотя конформация данных участков кроме того жестко обусловлена аминокислотной последовательностью.

Содержание -спиралей и -структур в различных белках различно: у фибриллярных белков - лишь -спираль либо лишь -складчатый лист; а у глобулярных белков - отдельные фрагменты полипептидной цепи: или -спираль, или -складчатый лист, или хаотичный клубок.



Конформация полипептидных цепей: а - -спираль, б - -складчатый лист.

В одинаковом белке имеют все шансы существовать все 3 приема укладки полипептидной цепи:



Третичная текстура глобулярных белков предполагает ориентацию в месте полипептидной цепи, содержащей -спирали, -структуры и участки в отсутствии периодической текстуры (хаотичный клубок).
Вспомогательное складывание скрученной полипептидной цепи образует компактную текстуру. Данное случается, для начала, в следствии взаимодействия меж боковыми цепями аминокислотных остатков. Присутствует некоторое количество видов взаимодействия меж R-группами, как правило ковалентного нрава.



Связи, стабилизирующие третичную текстуру:

  • электростатические силы притяжения меж R-группами, несущими противоположно заряженные ионогенные категории (ионные взаимосвязи);

  • водородные взаимосвязи меж полярными (гидрофильными) R-группами;

  • гидрофобные взаимодействия меж неполярными (гидрофобными) R-группами;

  • дисульфидные взаимосвязи меж радикалами 2 молекул цистеина. Данные взаимосвязи ковалентные. Они увеличивают устойчивость третичной текстуры, хотя порой считаются неотъемлемыми для верного скручивания молекулы. В ряде белков им предоставляется возможность как говорится отсутствовать.



Пространственная текстура миоглобина. В полипептидной цепи показаны лишь -углеродные атомы. Красным показан гем (небелковый составляющих).

Доменные белки содержат обособленные глобулы - домены, интеллектуальные одинаковой пептидной цепью. Домены соединены пептидными перемычками. Вторичная и третичная укладка полипептидной цепи белка всецело ориентируется его первичной текстурой.

Денатурация.

Белковая молекула имеет нативную (высокофункциональную) конформацию спасибо наличию грандиозного количества хилых взаимосвязей и резко денатурирует при изменении условий среды, от коих данные силы находятся в зависимости. Перемена температуры, ионной силы, рН, и еще обработка органическими либо какими-либо дестабилизирующими агентами имеет возможность привести к нарушению нативной конформации, что и называется денатурацией. Денатурирующие препарата образуют взаимосвязи с аминогруппами либо карбонильными группами пептидного остова либо какими-либо боковыми остатками аминокислот, подменяя личные внутримолекулярные взаимосвязи в белке, из-за этого вторичная и третичная текстуры меняются. Данные перемены не затрагивают первичную текстуру, при всем при этом биологическая активность белка утрачивается.

Ренативация

При явных условиях денатурированный белок быть может ренативирован. Данное случается при удалении денатурирующего либо дестабилизирующего фактора. К примеру, при удалении мочевины диализом полипептиды самопроизвольно возобновляют собственную нативную конформацию. Это же случается при медленном замораживании денатурированного нагреванием белка:



Это одобряет, что нрав укладки пептидной цепи предопределен первичной текстурой.

Взаимодействие белков с лигандами

Основным свойством белка, обеспечивающим его функцию, считается избирательное взаимодействие с явным препаратом - лигандом. Лигандами имеют все шансы быть препарата разной природы, как низкомолекулярные соединения, но и макромолекулы, даже белки. На белковых молекулах есть участки, к коим присоединяется лиганд - центры связывания либо интенсивные центры. Центры связывания формируются из аминокислотных остатков, сближенных в следствии формирования вторичной и третичной текстуры. Взаимосвязи меж белком и лигандом имеют все шансы быть нековалентными и ковалентными. Высокая специфичность взаимодействия («узнавания») белка и лиганда поддерживается комплементарностью текстуры центра связывания пространственной текстуре лиганда. Под комплементарностью знают химическое и пространственное соотношение интенсивного центра белка и лиганда. Взаимодействие меж белком Р и лигандом L описывается уравнением: белок + лиганд = белково-лигандный ансамбль.
Kдисс.= [P]x[L]/[PL]. Тут Кдисс. являет из себя константу диссоциации ансамбля. Из уравнения баланса реакции надлежит, что коль скоро [P] = [PL], то Кдисс.=[L]. Равноправие [P] и [PL] начинается при полунасыщении белка лигандом, т.е. 50% молекул белка связаны с лигандом; а 50% свободны. Означает, Кдисс. равна такой сосредоточения L, при коей достигается насыщение белка на 50%. Перемена сосредоточения PL при многократной сосредоточения Р и возрастающей сосредоточения L описывается гиперболической кривой. Предельная значение PL значит, что весь белок связан с лигандом (кривая насыщения):



График насыщения белка лигандом. По кривой насыщения возможно вычислить Кдисс. и, а значит, расценить сродство лиганда к белку. Нежели менее Кдисс., тем более сродство L и P.

Четвертичная текстура и кооперативность

В белках различают первичную, вторичную, третичную и четвертичную текстуры:



Уровни структурной организации белка

Четвертичная текстура характерна для белков, возведенных из 2 либо наиболее пептидных цепей. Белки этого вида именуются олигомерами. Четвертичная текстура - именно это численность, и прием укладки полипептидных цепей (протомеров) в месте:



Четвертичная текстура гемоглобина: а - модель молекулы гемоглобина, любой протомер имеет гем (изображен в форме диска); б - схема комплементарности контактных плоскостей протомеров.

Протомеры связаны приятель с ином при помощи только нековалентных взаимосвязей (ионных, водородных, гидрофобных). Кроме того протомеры взаимодействуют приятель с ином лишь явными участками собственной плоскости (контактные участки). Обоюдное «узнавание» контактных участков случается по типу комплементарности. Любой протомер взаимодействует с иным во почти всех точках. А значит, неверные ансамбли в олигомере маловероятны. Олигомерные белки готовы взаимодействовать с несколькими лигандами в центрах, удаленных между собой. Связывание одного протомера с лигандом изменяет конформацию данного протомера, и еще всего олигомера и, также, сродство к иным лигандам. Следовательно, высокофункциональная активность олигомерных белков имеет возможность регулироваться аллостерическими лигандами. Взаимосвязь меж текстурой белка и его функцией возможно разглядеть на случае 2 родственных белков: миоглобина и гемоглобина. Миоглобин - мономер (состоит из одной полипептидной цепи), главная его функция - запасание воздуха в тканях. Имея высокое сродство к кислороду, миоглобин с легкостью присоединяет его и отдает воздух лишь при насыщенной мышечной работе, как скоро парциальное давление воздуха падает ниже 10 мм рт.ст. Гемоглобин - тетрамер (состоит из четырех протомеров). Главная функция гемоглобина - обратимое связывание с кислородом в нетяжелых, где парциальное давление воздуха высокое и гемоглобин взаимодействует с 4 молекулами воздуха. На рисунке приведены эти о способности миоглобина и гемоглобина связывать воздух:



Кривая насыщения кислородом миоглобина и гемоглобина.

Гиперболическая форма кривой у миоглобина характерна для процесса связывания одной молекулы лиганда (при таком варианте О 2 ) единственным местом в белковой молекуле, состоящей из одной полипептидной цепи. Сигмоидальная кривая, полученная для гемоглобина, характерна для белков, содержащих некоторое количество пептидных цепей и имеющих некоторое количество мест связывания. При таком варианте имеет место быть позитивный кооперативный результат, коей объясняется так: 1 связанный лиганд (О 2 ) делает легче связывание 2 молекулы О 2 со вторым гемом, что так же делает легче связывание третьей молекулы О 2 с 3 гемом, а данное делает легче связывание последней молекулы О 2 . В тканях СО 2 и Н 2 О, возникающие при катаболизме пищевых препаратов, взаимодействуют с гемоглобином и сокращают его сродство к кислороду, что делает легче поступление воздуха в ткани. В эритроцитах наличествует кроме того аллостерический лиганд 2,3-дифосфоглицерат, талантливый взаимодействовать с дезоксигемоглобином. Данное мешает обратному связыванию освободившегося воздуха с гемоглобином. Следовательно, связывание гемоглобина с аллостерическими лигандами в тканях, при что же касается высоком парциальном давлении, гарантирует поступление воздуха в ткани. Из рассмотренных примеров надлежит сделать вывод, что аллостерический результат считается эффектом связывания лиганда со нестандартным участком белка. Данное вызывает существенное перемена в белковой молекуле, коя так же оказывает большое влияние на активность иного, пространственно удаленного участка. Кооперативные перемены конформации олигомерных белков оформляют основу приспособления регуляции высокофункциональной активности не столько гемоглобина, ведь и почти всех иных белков.

Простые и трудоемкие белки

Если белки помимо пептидных цепей содержат еще составляющие неаминокислотной природы, то эти белки именуются трудоемкими. Небелковую часть именуют простетической категорией, а белковую апопротеином. Трудоемкий белок холопротеин имеет возможность диссоциировать на составляющие: Холопротеин = апопротеин + простетическая категория. Направление реакции находится в зависимости от стабильности взаимосвязи компонентов холопротеина. Простетической категорией имеют все шансы быть органические препарата, ионы металлов, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды и др. препарата.