Вопрос Белки. Разнообразие. Функции
 Скачать 362.81 Kb.
|
|
ВОПРОС № 8. Вторичная структура. Вторичная структура – регулярная пространственная конформация пептидного скелета. Роль радикалов относительно мала. Стабилизируют ее водородные связи между функциональными группами пептидного остова, а не радикалами. Наиболее распространенным элементом вторичной структуры является правая α-спираль (αR). Пептидная цепь здесь изгибается винтообразно (ось выделена оранжевым цветом). α-Спираль стабилизирована почти линейными водородными связями между NH-группой и СО-группой четвертого по счету аминокислотного остатка. Таким образом, в протяженных спиральных участках каждый аминокислотный остаток принимает участие в формировании двух водородных связей. Неполярные или амфифильные α-спирали с 5-6 витками часто обеспечивают заякоривание белков в биологических мембранах. Радикалы все – на наружной стороне спирали. В образовании водородных связей участвуют практически все атомы кислорода и водорода пептидных групп. В результате ?-спираль "стягивается" множеством водородных связей. Препятсствия для спирали:
Вытянутые конформации пептидной цепи называются "β-складчатым листом", так как плоскости пептидных связей расположены в пространстве подобно равномерным складкам листа бумаги. B складчатых структурах также образуются поперечные межцепочечные водородные связи. Если цепи ориентированы в противоположных направлениях, структура называется антипараллельным складчатым листом (βα), а если цепи ориентированы в одном направлении, структура называется параллельным складчатым листом (βn). В складчатых структурах α-С-атомы располагаются на перегибах, а боковые цепи ориентированы почти перпендикулярно средней плоскости листа, попеременно вверх и вниз. Энергетически более предпочтительной оказывается βα-складчатая структура с почти линейными H-мостиками. В растянутых складчатых листах отдельные цепи чаще всего не параллельны, а несколько изогнуты относительно друг друга. ВОПРОС № 9. Третичная структура белка. Третичная структура белка – пространственная конформация всей пептидной цепи белка, а не только пептидного скелета. При этом понятие «третичная структура», в отличие от «четвертичная структура», касается конформации макромолекулы, состоящей из одной полипептидной цепи. Образуется за счет взаимодействий радикалов аминокислот, располагающихся на значительных расстояниях друг от друга в полипетидной цепи. Связи: - Гидрофобные (обычно гидрофобные радикалы стремятся объединиться внутри глобулы в виде гидрофобного ядра водорастворимых белков) - Ван-дер-Ваальсовы (в гидрофобном ядре) - Ионные (как и все гидрофильные радикалы - на поверхности молекулы; между отрицательно заряженными карбоксильными группами радикалов аспарагиновой и глутаминовой кислот и положительно заряженными группами радикалов лизина, аргинина или гистидина) - Водородные (между гидрофильными незаряженными группами (такими как -ОН, -CONH2, SH-группы) и любыми другими гидрофильными группами) - Ковалентные (дисульфидные связи, образующиеся за счёт взаимодействия SH-групп двух остатков цистеина) - такие связи распространены в белках, секретируемых клеткой во внеклеточное пространство. Полагают, что эти ковалентные связи стабилизируют кон-формацию белков вне клетки и предотвращают их денатурацию. К таким белкам относят гормон инсулин и иммуноглобулины. Третичная структура в значительной степени предопределена первичной структурой. Усилия по предсказанию третичной структуры белка основываясь на первичной структуре известна как задача предсказания структуры белка. Третичная структура — пространственное взаимное расположение элементов вторичной структуры, стабилизированное различными типами взаимодействий (ковалентные, ионные и гидрофильно-гидрофобные). Супервторичная структура – устойчивые сочетания элементов вторичных структур. Это бета- бочонок (1 домен пируваткиназы), альфа-спираль-поворот-альфа-спираль (ДНК-связывающие белки), цинковый палец (ДНК-связывающие белки), лейциновая застежка-молния (гистоны). Супервторичная структура типабетта-бочонка Такая структура действительно напоминает бочонок, где каждая бетта-структура расположена внутри и связана с алтфа-спиральным участком полипептидной цепи, находящимся на поверхности молекулы. . Структурный мотив"?-спираль-поворот-?-спиралъ" В данный структурный мотив входят две ?-спирали: одна более короткая, другая более длинная, которые соединены поворотом полипептидной цепи. Более короткая а-спираль располагается поперёк бороздки, а более длинная ?-спираль - в большой бороздке, образуя не-ковалентные специфические связи радикалов аминокислот с нуклеотидами ДНК (рис. 1-17). Супервторичная структура в виде "цинкового пальца" "Цинковый палец" - фрагмент белка, содержащий около 20 аминокислотных остатков, в котором атом цинка связан с радикалами четырёх аминокислот: обычно с двумя остатками цистеина и двумя - гистидина. Два близко лежащих остатка цистеина отделены от двух других остатков гистидина (или цистеина) аминокислотной последовательностью, состоящей примерно из 12 аминокислотных остатков. Этот участок белка образует ?-спираль, которая может специфично связываться с регуляторными участками большой бороздки ДНК. Специфичность взаимодействия ДНК-связывающего белка с определённой областью ДНК зависит от последовательности аминокислотных остатков, расположенных в области "цинкового пальца". Супервторичная структура в виде "лейциновой застёжки-молнии" Объединение протомеров или отдельных белков в комплексы иногда осуществляется с помощью структурных мотивов, называемых "лейциновая застёжка-молния". На поверхности каждой из двух взаимодействующих полипептидных цепей или белков имеется ?-спиральный участок, содержащий по крайней мере 4 остатка лейцина. Лейциновые остатки располагаются через каждые 6 аминокислот один от другого. Так как каждый виток ?-спирали содержит 3,6 аминокислотных остатка, радикалы лейцина находятся на поверхности каждого второго витка. Лейциновые остатки ?-спирали одного белка могут взаимодействовать с лейциновыми остатками другого белка с помощью гидрофобных взаимодействий, соединяя их вместе ВОПРОС № 10. Четвертичная структура. Многие белки содержат в своём составе только одну полипептидную цепь. Такие белки называют мономерами. К мономерным относят и белки, состоящие из нескольких цепей, но соединённых ковалентно, например дисульфидными связями (поэтому инсулин следует рассматривать как мономерный белок). Четвертичная структура – форма пространственной организации, свойственная только состоящим из двух и более полипептидных цепей белкам и обусловленная различными вариантами взаиморасположения и взаимодействия отдельных полипептидных цепей. Стабилизирована теми же гидрофобными, ионными и водородными связями между радикалами, что и в третичной структуре, но между элементами разных цепей. Отдельные полипептидные цепи в таком белке носят название протомеров, или субъединиц. Белок, содержащий в своём составе несколько протомеров, называют олигомерным. При этом, комплексы из одинаковых субъединиц называются гомо-олигомерами (гексокиназа), а из разных — гетеро-олигомерами (ЛДГ). Взаимодействие между протомерами – по принципу комплементарности (пространственное и химическое соответствие взаимодействующих поверхностей, формируемых радикалами). В местах контакта – слабые связи радикалов, обычно много гидрофобных радикалов. Кооперативные свойства – изменения в одной части молекулы приводят к изменению в других частях всех остальных. ВОПРОС № 11. Физико-химические свойства белков. Гидратация. Белки связывают воду, т. е. проявляют гидрофильные свойства. При этом они набухают, увеличивается их масса и объем. Набухание белка сопровождается его частичным растворением. Гидрофильность отдельных белков зависит от их строения. Имеющиеся в составе и расположенные на поверхности белковой макромолекулы гидрофильные, аминные и карбоксильные группы притягивают к себе молекулы воды, строго ориентируя их на поверхности молекулы. Окружающая белковые глобулы гидратная (водная) оболочка препятствует агрегации, а следовательно, способствует устойчивости растворов белка и препятствует его осаждению. Белки, благодаря присутствию в их составе ионных и полярных группировок (–NH2; –COOH; –SH; –OH и т.д.) существуют в водных растворах в виде заряженных частиц. В зависимости от соотношения в белке основных (NH-аминных) и кислых (–СООН карбоксильных) группировок и рН среды молекула белка в водном растворе приобретает положительный или отрицательный заряд. Большинство белков животного происхождения содержат в своем составе больше дикарбоновых аминокислот аспарагиновой и глютаминовой и поэтому в водных растворах они заряжаются отрицательно (белки-анионы). Некоторые белки содержат в своем составе значительные количества диаминокислот (аргинина, лизина, гистидина) и поэтому заряжаются положительно (белки-катионы В изоэлектрической точке белки обладают наименьшей способностью связывать воду, происходит разрушение гидратной оболочки вокруг белковых молекул, поэтому они соединяются, образуя крупные агрегаты. Агрегация белковых молекул происходит и при их обезвоживании с помощью некоторых органических растворителей, например этилового спирта. Это приводит к выпадению их в осадок. При изменении рН среды макромолекула белка становится заряженной, и его гидратационная способность меняется. При добавлении щелочи или кислоты к белку, выпавшему в осадок в изоэлектрическом состоянии, наступает перезарядка его молекул, и белок вновь переходит в раствор – растворяется. Увеличение pH в кислую сторону – аминокислоты все положительны. Увеличение концентрации –OH ведет к отрицательным аминокислотам. При ограниченном набухании концентрированные белковые растворы образуют сложные системы, называемые студнями. Студни не обладают текучестью, они упруги, обладают пластичностью, определенной механической прочностью, способны сохранять свою форму. Глобулярные белки могут полностью гидратироваться, растворяясь в воде (например, белки молока), образуя растворы с невысокой концентрацией. Гидрофильные свойства белков, т. е. их способность набухать, образовывать студни, стабилизировать суспензии, эмульсии и пены имеют большое значение в биологии и пищевой промышленности. Очень подвижным студнем, построенным в основном из молекул белка, является цитоплазма - полужидкое содержимое клетки. Белки обладают явно выраженными гидрофильными свойствами. Молекулы белка не способны проникать через полупроницаемые искусственные мембраны (целлофан, пергамент, коллодий), а также биомембраны растительных и животных тканей, хотя при органических поражениях, например, почек капсула почечного клубочка (Шумлянского-Боумена) становится проницаемой для альбуминов сыворотки крови и последние появляются в моче. ВОПРОС № 12. Денатурация Денатурация белков — термин биологической химии, означающий потерю белками их естественных свойств (растворимости, гидрофильности и др.) вследствие нарушения пространственной структуры их молекул. Первичная структура при этом не разрушается. Разрываются сравнительно слабые связи вторичной и выше структур. Молекулы принамают вид случайных кулубочков. Гидрофобное ядро разрушается, его элементы идут на поверхност. Внешние проявления денатурации сводятся к потере растворимости, особенно в изоэлектрической точке, повышению вязкости белковых растворов, увеличению количества свободных функциональных SH-групп и изменению характера рассеивания рентгеновских лучей. Наиболее характерным признаком денатурации является резкое снижение или полная потеря белком его биологической активности (каталитической, антигенной или гормональной). Денатурация бывает обратимой и необратимой. Необратимая денатурация может быть вызвана образованием нерастворимых веществ при действии на белки солей тяжелых металлов — свинца или ртути. При непродолжительном действии и быстром удалении денатурирующих агентов возможна ренатурация белка с полным восстановлением исходной трехмерной структуры и нативных свойств его молекулы, включая биологическую активность. Таким образом, при денатурации белковая молекула полностью теряет биологические свойства, демонстрируя тем самым тесную связь между структурой и функцией. Денатурацию белков вызывают факторы, способствующие разрыву гидрофобных, водородных и ионных связей, стабилизирующих конформацию белков:
ВОПРОС № 13. Коллоидные свойства растворов белков. Осаждение Белки обладают явно выраженными гидрофильными свойствами. Растворы белков имеют очень низкое осмотическое давление, высокую вязкость и незначительную способность к диффузии. Белки способны к набуханию в очень больших пределах. С коллоидным состоянием белков связан ряд характерных свойств, в частности явление светорассеяния, лежащее в основе количественного определения белков методом нефелометрии. Этот эффект используется, кроме того, в современных методах микроскопии биологических объектов. Молекулы белка не способны проникать через полупроницаемые искусственные мембраны (целлофан, пергамент, коллодий), а также биомембраны растительных и животных тканей, хотя при органических поражениях, например, почек капсула почечного клубочка (Шумлянского-Боумена) становится проницаемой для альбуминов сыворотки крови и последние появляются в моче. Факторы устойчивости:
С локальными поверхностными зарядами белка связано наличие гидратной оболочки: молекулы-диполи воды "облепляют" белок в один или несколько слоев в зависимости от величины заряда. Одно из основных качеств гидратной оболочки - упругость; при столкновении гидратирован-ных молекул белка в растворе они не слипаются, а отскакивают друг от друга, что препятствует их выпадению в осадок. Удаление этих факторов приводит к склеиванию молекул белков и выпадению их в осадок. Осаждение белков может быть обратимым и необратимым в зависимости от реактивов и условий реакции. В клинической лабораторной практике реакции осаждения используют для выделения альбуминовой и глобулиновой фракций белков плазмы крови, количественной характеристики их устойчивости в плазме, обнаружения белков в биологических жидкостях и освобождения от них с целью получения без белкового раствора. Под действием факторов осаждения белки выпадают в осадок, но после прекращения действия (удаления) этих факторов белки вновь переходят в растворимое состояние и приобретают свои нативные свойства. Одним из видов обратимого осаждения белков является высаливание. |