белки. 1. Белковые молекулы как основа жизни. Биологические функции белков
 Скачать 39.46 Kb.
|
|
1. Белковые молекулы как основа жизни. Биологические функции белков. Белки - это высокомолекулярные азотсодержащие органические соединения, мало отличающиеся по элементарному составу, но резко отличающиеся по химическому составу, строению, свойствам, функциям. Белки - основа жизни. Биологические функции: 1) - каталитическая (ферментативная): рибонуклеаза, химотрипсин, лизоцим. 2) - транспортная: обеспечивают транспорт шлаков, газов и т.д. 3) - пищевая и запасная (резервная): яичный альбумин, казеин молока и глиадин пшеницы. 4) - рецепторная: белки биомембран. 5) - сократительная и двигательная: актин и миозин. 6) - структурная: кератин, коллажем, эластин, фосфопротеины. 7) - защитная: антитела сыворотки крови. 8) - регуляторная: регуляция содержания глюкозы в крови инсулином. 3. Аминокислоты, входящие в состав белков, их строение, классификации, свойства. Понятие о заменимых и незаменимых аминокислотах. Общая структурная особенность аминокислот - наличие амино- и карбоксильной групп, соединенных с одним и тем же а-углеродным атомом. Классификация: 1) по химическому строению радикалов: -алифатические-ароматические-гетероциклические 2) по растворимости из радикалов в воде: -аминокислоты с неполярными радикалами -с полярными незаряженными радикалами -с полярными отрицательно заряженными радикалами -с полярными положительно заряженными радикалами 3) по биологическому и физиологическому значению: -незаменимые - не могут синтезироваться организмом из других соединений и целиком поступают с пищей (валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин, триптофан) -заменимые - синтезируются в организме (аланин, глицин, серин, цистеин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, тирозин, оксипролин) 4. Молекулярная масса белков. Размеры и форма белковых молекул. Белки глобулярные и фибриллярные, свойства, представители. Белки - высокомолекулярные соединения, но могут сильно отличаться по молекулярной массе, которая колеблется от 6000 до 1 000 000 Д и выше. Молекулярная масса белка зависит от количества аминокислотных остатков в полипептидной цепи, а для олигомерных белков - и от количества входящих в него протомеров. По форме белки делятся на глобулярные и фибриллярные. К глобулярным относят белки, соотношение продольной и поперечной осей которых не превышает 1:10, т.е. белковая молекула имеет форму эллипса. Глобулярные белки водорастворимы. К ним относятся миоглобин и гемоглобин. Фибриллярные белки имеют вытянутую, нитевидную структуру, в которой соотношение продольной и поперечной осей составляет более 1:10. Фибриллярные белки выполняют главным образом опорные функции, обеспечивая прочность тканей. К фибриллярным белкам относят коллагены, эластин, кератин, миозин и фибрин. 5. Физико-химические свойства белков: ионизация, гидратация, растворимость. Факторы стабилизации белков в коллоидном состоянии. 1 - Гидратация - способность белков удерживать воду с образованием гидраты ой оболочки. 2 - Растворимость - способность белков растворяться в воде и других растворителях -растворимые: глобулярные белки биологических жидкостей (кровь, моча, слюна) -нерастворимые: белки тканей и органов (белок мышцы, актин, миозин, белки кожи, кератин, коллаген. 3 - Ионизация - способность белков приобретать заряд, характеризуется изо электрические состоянием и изоэлектрической точкой. Изоэлектрические состояние - состояние молекул белка, при котором суммарный заряд равен 0. Изоэлектрическая точка - значение pH, при котором наблюдается ИЗС. Главными факторами стабилизации белков в коллоидном растворе служат заряд белковой молекулы и ее гидратная оболочка. 6. Белок как амфотерный коллоид. Заряд белковой молекулы, факторы, его определяющие. Белки являются амфотерными полиэлектролитами, т.е. сочетают в себе, подобно аминокислотам, кислотные и основные свойства. Однако природа групп, придающих амфотерные свойства белкам, далеко не та же, что у аминокислот. Кислотно-основные свойства аминокислот обусловлены прежде всего наличием α-амино- и α-карбоксильной групп (кислотно-основная пара). В молекулах белков эти группы участвуют в образовании пептидных связей, а амфотерность белкам придают кислотно-основные группы боковых радикалов аминокислот, входящих в белок. Заряд белковой молекулы зависит от содержания в ней кислых и основных аминокислот, а точнее, от ионизации кислых и основных групп бокового радикала этих аминокислот. 7. Понятие об изоэлектрической точке и изоэлектрическом состоянии белков. Белки нейтральные, кислые, основные. Изоэлектрические состояние - состояние молекул белка, при котором суммарный заряд равен 0. Изоэлектрическая точка - значение pH, при котором наблюдается ИЗС. Суммарный заряд белковой молекулы, естественно, зависит от рН среды: в кислой среде он положителен, в щелочной отрицателен. У кислых белков рН1 < 7, у нейтральных рН1 около 7, а у основных рН1 > 7. При значениях рН среды ниже его изоэлектрической точки белок будет нести положительный заряд, а выше — отрицательный заряд. 8. Понятие о дифильности белков. Гидратация белков и факторы, ее определяющие. Дифильность — свойство молекул веществ, обладающих одновременно гидрофильными и гидрофобными свойствами. Гидратация - способность белков удерживать воду с образованием гидраты ой оболочки. Гидратация отдельных белков зависит от строения. Расположенные на поверхности белковой глобулы гидрофильные группы притягивают молекулы воды, строго ориентируя из на поверхности. В ИЭТ способность белко адсорбировать влагу наименьшая. 9. Типы осадочных реакций на белки. Механиз обратимого осаждения. Дробное высаливание, условия высаливание альбуминов и глобулинов плазмы крови. Цветные реакции: -биуретовая: на пептидную связь -нингидриновая: на все а-аминокислоты -ксантопротеиновая: на циклические ароматические аминокислоты -реакция Милона: на тирозин -реакция Фоля: на серосодержащие Механизм обратимого осаждения: 1-разрушение гидратной оболочки 2-потеря заряда 3-сегментация (выпадение осадка) 4- добавление воды приводит к растворению осадка. Дробное высаливание - ? Разделение белков плазмы крови человека на фракции достигается при использовании различных концентраций этанола при низкой температуре (от -3 до -5) по методу Кона. 10. Необратимое осаждение белков. Механизм и признаки денатурации белков. Использование реакций необратимого осаждения белков в клинической практике. Необратимое осаждени - денатурация - идет под действием солей тяжелых металлов, концентрированными кислотами (HNO3 используется для определения белка в моче; ТХУК и сульфосалициловая кислота используется для определения следов белка) Механизм: 1-разрушение гидратной оболочки 2-потеря заряда 3-сегментация (выпадение осадка) 4-гидрофобизация молекул. 11. Уровни структурной организации белков. Первичная структура, типы связей, стабилизирующих первичную структуру, характеристика первичной структуры. Варианты первичной структуры. 4 уровня структурной организации: первичная, вторичная, третичная и четвертичная. Линейную последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи называют "первичная структура белка". Пептидная связь образуется за счет -карбоксильной группы одной аминокислоты и -аминной группы другой. Типы связей: ковалентные пептидные связи, дисульфидные мостики. Первичная структура задана генетически. Примеры: инсулин, пепсин, химотрипсин. 13. Зависимость биологических свойств белков от первичной структуры. Видовая специфичность первичной структуры, ее закономерности. На примере серповидноклеточной анемии: Если у гемоглобина А в в-цепи под шестым номером глицин заменяется на валин, то в крови образуется гемоглобин S, что приводит к тому, что эритроциты приобретают форму серпа или полумесяца, они могут склеиваться, хуже переносят кислород, наблюдается гипоксия и в раннем возрасте дети приобретают малокровие, что приводит к летальному исходу. А если глицин в положении 6 меняется на лизин - образуется HbC, который по функциям не отличается от гемоглобина А. Видовая специфичность: чем ближе организм находится на эволюционной лестнице, тем больше белки похожи по аминокислотному составу. 14. Расшифровка первичной структуры белков, используемые методы, значение расшифровки структуры. Значение расшифровки первичной структуры. Расшифровка первичной структуры белка — основа для получения предварительной информации о более высоких уровнях структуры (вторичной, третичной, четвертичной), для выяснения топографии функциональных групп в активном центре белка и построения модели его функционирования. Чтобы определить аминокислотную последовательность белка, прежде всего разделяют его полипептидные цепи (если макромолекула состоит из нескольких цепей), затем определяют аминокислотный состав цепей, N-, С-концевые аминокислотные остатки, аминокислотные последовательности. Анализ аминокислотного состава включает полный гидролиз исследуемого белка или пептида и количественное определение всех аминокислот в гидролизате. Количественное определение аминокислот в гидролизате проводят с помощью аминокислотного анализатора, работающего на принципе хроматографического разделения на ионообменных смолах. Наибольшее распространение для определения N-концевых остатков находит дансильный метод. Многие генетические болезни - результат нарушения в аминокислотной последовательности белков. Информация о первичной структуре нормального и мутантного белка может быть полезна для диагностики и прогнозирования развития заболеваний. 15. Вторичная структура белка и ее варианты. Роль водородных связей в стабилизации вторичной структуры. Характеристика а-спирали и в-структуры. Ломанная спираль. Вторичная структура - пространственная структура белка, когда остатки аминокислот внутри большой структуры достигают повторяющейся зависимости одна от другой - а-спираль либо в-структура. Создаются водородные связи. а-спираль: в данном типе структуры пептидный остов закручивается в виде спирали за счет образования водородных связей между атомами кислорода карбонильных групп и атомами азота аминогрупп, входящих в состав пептидных групп через 4 аминокислотных остатка. Водородные связи ориентированы вдоль оси спирали, их количество обеспечивает максимально возможную стабильность а-спирали. Так как все гидрофильные группы пептидного остова обычно участвуют в образовании водородных связей, гидрофильность а-спиралей уменьшается, а их гидрофобность увеличивается. а-спиральная структура - наиболее устойчивая конформация пептидного остова, отвечающая минимуму свободной энергии. в-структура: формируется за счет образования множества водородных связей между атомами пептидных групп линейных областей одной полипептидной цепи, делающей изгибы, или между разными полипептидными цепями. Когда водородные связи образуются между атомами полипептидного остова различных полипептидных цепей, их называют межцепочечными связями. Водородные связи, возникающие внутри одной полипептидной цепи, называют внутрицепочечными. В в-структурах водородные связи расположены перпендикулярно полипептидной цепи. 16. Понятие о третичной структуре белков, разновидности. Связи, характерные для третичной структуры. Зависимость биологических свойств белков от третичной структуры. Третичная структура белков - трехмерная пространственная структура, образующаяся за счет взаимодействий между радикалами аминокислот, которые могут располагаются на значительном расстоянии друг от друга в полипептидной цепи. Стабилизируются водородными связями, электростатическими силами, гидрофобными силами, дисульфидными мостиками, определяются первичной структурой. Все биологические свойства белков (каталитические, гормональные, антигенные и др.) связаны с сохранностью их третичной структуры, которую принято называть нативной конформацией. Любые воздействия (термические, физические, химические), приводящие к нарушению этой конформации молекулы (разрыв водородных и других нековалентных связей), сопровождаются частичной или полной потерей белком его биологических свойств. 17. Мозаичность третичной структуры белков. Понятие о фолдинге, роль шаперонов в этом процессе. Лабильность пространственной структуры белков и их денатурация. Процесс сворачивания полипептидной цепи в правильную пространственную структуру получил название "фолдинг белков". Фолдинг протекает при участии специальной группы белков, которые называют "шапероны". При синтезе белков N-концевая область полипептида синтезируются раньше, чем С-концевая область. Для формирования конформации белка нужна его полная аминокислотная последовательность. Поэтому в период синтеза белка на рибосоме защиту реакционно-способных радикалов (особенно гидрофобных) осуществляют шапероны (Ш-70) 18. Конформационные перестройки молекул белков как основа их функционирования. 19. Четверичная структура белков. Протомеры и субъединицы. Зависимость биологической активности от четверичной структуры белков. Под четвертичной структурой понимают объединение отдельных полипептидных цепей с третичной структурой в функционально активную молекулу белка. Каждая отдельная полипептидная цепь называется протомером и чаще не обладает биологической активностью. Олигомерные белки содержат от 2(гексокиназа)до 312(пируватдегидрогеназа)пртомеров. Специфичность связывания протомеров за счет зависит от совокупности радикалов третичной структуры и определяется комплементарностью протомеров. Комплементарность-пространственное и химическое соответствие взаимодействующих поверхностей. В молекуле белка может быть несколько протомеров, которые при объединении образуют олигомер или мультимер. Для белков с четвертичной структурой характерно понятие субъединицы. Субъединица – это функционально активная часть молекулы белка. Примером белка с четвертичной структурой является гемоглобин, состоящий из 4 протомеров: 2 α и 2 β - цепей. Взаимодействие полипептидных цепей при формировании олигомера происходит за счет полярных групп аминокислотных остатков. Между полярными группами образуется ионная, водородные связи, гидрофобные взаимодействия. Активные центры возникают при образовании четвертичной структуры. В молекуле белка имеются прочные (ковалентные) связи, а также слабые, что обеспечивает с одной стороны стабильность молекулы, а с другой лабильность. 20. Особенности строения и функционирования олигомерных белков на примере гемоглобина. Кооперативные изменения конформации протомеров на примере гемоглобина. Гемоглобины - родственные белки, находящиеся в эритроцитах человека и позвоночных животных. Эти белки выполняют 2 важные функции: -перенос О2 из легких к периферическим тканям; -участие в переносе СО2 и протоков из периферических тканей в легкие для последующего выведения из организма. Изменение конформации (а следовательно и функциональных свойств) всех протомеров олигомерного белка при присоединении лиганда только к одному из них носит название кооперативных изменений конформации протомеров. 21. ДОМЕННАЯ СТРУКТУРА И ЕЕ РОЛЬ В ФУНКЦИОНИРОВАНИИ БЕЛКОВ 1. Длинные полипептидные цепи часто складываются в несколько компактных, относительно независимых областей. Они имеют самостоятельную третичную структуру, напоминающую таковую глобулярных белков, и называются доменами. Благодаря доменной структуре белков легче формируется их трехмерная структура. 2. Центры связывания белка с лигандом часто располагаются между доменами (например, центр связывания трипсина с его лигандом - пищевым белком). Разные домены в белке могут перемещаться относительно друг друга при взаимодействии с лигандом (например, в молекуле гексокиназы). В некоторых белках домены выполняют самостоятельные функции, связываясь с различными лигандами. Такие белки называются многофункциональными белками. Трипсин — протеолитический фермент, участвующий в гидролизе пептидных связей в молекулах пищевых белков в кишечнике. В молекуле трипсина имеется 2 домена, разделенных бороздкой. На внутренней поверхности этих доменов, формирующих бороздку, располагаются радикалы Сер j 77, Гис4о и Асп85, участвующих в связывании фермента с пептидами и их гидролизе. Гексокиназа - фермент, катализирующий фосфори-лирование глюкозы с помощью АТФ. Активный центр располагается в расщелине между 2 доменами. При связывании гексокиназы с глюкозой окружающие ее домены смыкаются и субстрат оказывается в «ловушке», где протекает фосфорилирование. 3. Лигандами, взаимодействующими с трехмерной структурой пептидной цепи, могут быть не только низкомолекулярные органические и неорганические молекулы, но и макромолекулы — ДНК (см. рассмотренные выше примеры с ДНК-связывающими белками), РНК, полисахариды, белки. В этих случаях белок узнает определенный участок лиганда, соразмерный и комплементарный центру связывания. 22. Шапероны – семейство защитных белков. Роль шаперонов в процессах жизнедеятельности. Шапероны — класс белков, главная функция которых состоит в восстановлении правильной третичной структуры повреждённых белков, а также образование и диссоциация белковых комплексов. Термин «молекулярный шаперон» впервые был использован в 1978 году в работе Рона Ласкей, профессора эмбриологии из Кембриджского Университета[1] при описании ядерного белка нуклеоплазмина, способного предотвращать агрегирование белков-гистонов с ДНК при образовании нуклеосом. Шапероны есть во всех живых организмах, и механизм их действия, нековалентное присоединение к белкам и их «расплетение» с использованием энергии гидролиза АТФ также консервативен.Функции Многие шапероны являются белками теплового шока, то есть белками, экспрессия которых начинается в ответ на рост температуры или другие клеточные стрессы.[2] Тепло сильно влияет на фолдинг белка, а некоторые шапероны участвуют в исправлении потенциального вреда, который возникает из-за неправильного сворачивания белков. Другие шапероны участвуют в фолдинге только что созданных белков в тот момент, когда они «вытягиваются» из рибосомы. И хотя большинство только что синтезированных белков могут сворачиваться и при отсутствии шаперонов, некоторому меньшинству обязательно требуется их присутствие. Другие типы шаперонов участвуют в транспортировке веществ сквозь мембраны, например в митохондриях и эндоплазматическом ретикулуме у эукариот. Продолжают обнаруживаться новые функции шаперонов, например, участие в разрушении белка, деятельности бактериального адгезина и в реакциях на заболевания, связанные с агрегацией белков. |