Первичная структура белков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Первичная структура белков

Пептидная связь, ее характеристика (прочность, кратность, компланарность, цис-,транс- изомерия). Значение первичной структуры для нормального функционирования белков (на примере гемоглобина S).

Первичная структура - понятие, обозначающее последовательность аминокислотных остатков в белке Пептидная связь - основной вид связи, определяющий первичную структуру Возможно и присутствие дисульфидных связей между двумя остатками цистеина в одной полипептидной цепи с образованием цистина. Такая же связь (дисульфидный мостик) может возникать и между остатками цистеина, принадлежащими разным полипептидным цепям в белковой молекуле, сополимерном образовании. пептидный компланарность белок

Аминокислотные остатки в пептидной цепи белков чередуются не случайным образом, а расположены в определённом порядке. Линейную последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи называют "первичная структура белка".

Первичная структура каждого индивидуального белка закодирована в участке ДНК, называемом геном. В процессе синтеза белка информация, находящаяся в гене, сначала переписывается на мРНК, а затем, используя мРНК в качестве матрицы, на рибосоме происходит сборка первичной структуры белка.

Каждый из 50 000 индивидуальных белков организма человека имеет уникальную для данного белка первичную структуру. Все молекулы данного индивидуального белка имеют одинаковое чередование аминокислотных остатков в белке, что в первую очередь отличает данный индивидуальный белок от любого другого

Характеристика пептидной связи

Пептидная связь имеет характеристику частично двойной связи, поэтому она короче, чем остальные связи пептидного остова, и вследствие этого мало подвижна. Электронное строение пептидной связи определяет плоскую жёсткую структуру пептидной группы. Плоскости пептидных групп расположены под углом друг к другу.

Связь между б-углеродным атомом и б-аминогруппой или б-карбоксильной группой способна к свободным вращениям (хотя ограничена размером и характером радикалов), что позволяет полипептидной цепи принимать различные конфигурации.

Пептидные связи обычно расположены в транс-конфигурации, т.е. б-углеродные атомы располагаются по разные стороны от пептидной связи. В результате боковые радикалы аминокислот находятся на наиболее удалённом расстоянии друг от друга в пространстве.

Пептидные связи очень прочны и самопроизвольно не разрываются при нормальных условиях, существующих в клетках (нейтральная среда, температура тела). В лабораторных условиях гидролиз пептидных связей белков проводят в запаянной ампуле с концентрированной (6 моль/л) соляной кислотой, при температуре более 105 °С, причём полный гидролиз белка до свободных аминокислот проходит примерно за сутки.

В живых организмах пептидные связи в белках разрываются с помощью специальных протеолитических ферментов (от англ, protein - белок, lysis - разрушение), называемых также протеазами, или пептидгидролазами.

Для обнаружения в растворе белков и пептидов, а также для их количественного определения используют биуретовую реакцию (положительный результат для веществ, содержащих в своём составе не менее двух пептидных связей).

Замена аминокислоты на поверхности гемоглобина А

В молекуле гемоглобина S (так назван аномальный гемоглобин) мутантными оказались 2 в-цепи, в которых глутамат, высокополярная отрицательно заряженная аминокислота в положении 6 была заменена валином, содержащим гидрофобный радикал.

В дезоксигемоглобине S имеется участок, комплементарный другому участку таких же молекул, содержащему изменённую аминокислоту. В результате молекулы дезоксигемоглобина начинают "слипаться", образуя удлинённые фибриллярные агрегаты, деформирующие эритроцит и приводящие к образованию аномальных эритроцитов в виде серпа.

В оксигемоглобине S комплементарный участок "замаскирован" в результате изменения конформации белка. Недоступность участка препятствует соединению молекул оксигемоглобина S друг с другом. Следовательно, образованию агрегатов HbS способствуют условия, повышающие концентрацию дезоксигемоглобина в клетках (физическая работа, гипоксия, уменьшение рН, условия высокогорья, полёт на самолёте).

Так как "серповидные" эритроциты плохо проходят через капилляры тканей, они часто закупоривают сосуды и создают тем самым локальную гипоксию. Это повышает концентрацию дезоксигемоглобина S в эритроцитах, скорость образования агрегатов гемоглобина S и ещё большую деформацию эритроцитов. Нарушение доставки О 2 в ткани вызывает боли "даже некроз клеток в данной области.

Серповидно-клеточная анемия - гомозиготное рецессивное заболевание; проявляется только в том случае, когда от обоих родителей наследуются 2 мутантных гена в-цепей глобина. После рождения ребёнка болезнь не проявляется до тех пор, пока значительные количества HbF не заместятся на HbS. У больных выявляют клинические симптомы, характерные для анемии: головокружение и головные боли, одышка, учащённое сердцебиение, боли в конечностях, повышенную восприимчивость к инфекционным заболеваниям.

Гетерозиготные индивидуумы, имеющие один нормальный ген НЬА, а другой ген HbS, в крови имеют лишь следовые количества серповидных клеток и нормальную продолжительность жизни; клинические симптомы болезни у них обычно не проявляются.

Для диагностики наличия HbS в эритроцитах человека используют метод электрофореза, основанного на движении заряженных белков в электрическом поле. Так как в HbS отрицательно заряженные группы глутамата в в-цепях заменены незаряженным валином, HbS в щелочной среде будет двигаться медленнее, чем НЬА.

Серповидно-клеточная: анемия - первый описанный пример молекулярной болезни.

Почти все встречающиеся замены аминокислот на поверхности молекулы гемоглобина безвредны. Гемоглобин S - редкое исключение

Биосинтез гема. Схема процесса, химизм первых двух реакций, место протекания. Регуляция активности ферментов АЛК-синтазы и АЛК-дегидратазы. Источники железа для синтеза гема, всасывание железа, транспорт в крови, депонирование.

Гемоглобин - это сложный белок, простетической группой которого является гем. Основная роль гемоглобина - перенос кислорода и углекислого газа.

Гем - комплекс железа (Fe+2) c протопорфирином.

Биосинтез гема

Наиболее активно гем синтезируется в костном мозге и печени.

В костном мозге гем синтезируется для образования гемоглобина в ретикулоцитах, в печени - гем нужен для синтеза цитохрома P450.

Предшественниками синтеза гема являются глицин и сукцинил-КоА, поэтому путь синтеза гема называется глициносукцинатный цикл.

Первые две реакции приводят к образованию порфобилиногена. Далее идёт образование линейных тетрапирролов, которые завершается синтезом протопорфирина IX. Протопорфирин IX присоединяет Fe2+ с помощью фермента - феррохелатазы (гем-синтезы) и образуется гем.

Регуляция синтеза гема

Регуляторными ферментами являются АЛК (аминолевулинатсинтетаза) и аминолевулинатдегидрогеназа.

АЛК - синтаза является главным регуляторным ферментом, коферментом которого служит ПФ.

Аллостерическими ингибиторами АЛК-синтетазы служит гем и гемоглобин.

На уровне трансляции АЛК-синтазы регуляция осуществляется концентрацией железа.

В точке инициации мРНК АЛК-синтазы имеется шпилечная петля, которая называется железочувствительный элемент (IRE).

Регуляторный железосвязывающий белок при высокой концентрации железа связывается с железом и вызывает снижение сродства этого белка к IRE - элементу мРНК АЛК-синтетазы и продолжение трансляции.

При низких концентрациях железа увеличивается сродство железосвязывающего белка к IRE-элементу мРНК АЛК-синтетазы и трансляция аминолевупинатсинтетазы тормозится.

Недостаток ПФ и лекарства - аналоги ПФ снижают активность АЛК-синтетазы.

Стероиды, барбитураты, сульфаниламиды, эстрогены - индукторы синтеза АЛК.

Нарушения синтеза гема - Порфирии

Порфирии - болезни, связанные с нарушением работы ферментов синтеза гема. Первичные порфирии обусловлены генетическими дефектами ферментов синтеза гема, вторичные связаны с нарушениями регуляции синтеза гема.

В зависимости от основной локализации патологического процесса различают печёночные и эритропоэтические наследственные порфирии. При этом эритропоэтические порфирии сопровождаются накоплением порфиринов в нормобластах и эритроцитах, а печёночные - в гепатоцитах.

Порфириногены не окрашены, но на свету они легко переходят в порфирины, которые проявляют красную флуоресценцию в ультрафиолетовых лучах.

В коже на солнце кислород реагирует с порфиринами и переходит в синглетное состояние. В этой форме он вызывает ПОЛ клеточных мембран и разрушение клеток, поэтому порфирии часто сопровождаются фотосенсибилизацией и изъязвлением открытых участков кожи.

Аминолевулинат и порфириногены являются нейротоксинами, что приводит к нейропсихическим расстройствам.

Приём лекарств - индукторов АЛК - синтетазы - сульфаниламидов, барбитуратов, диклофенака, вольтарена, стероидов, истогенов - может вызвать обострение порфирии.

В период полового созревания при повышении образования в-стероидов идёт индукция синтеза АЛК-синтетазы и проявляются симптомы порфирий.

Порфирии наблюдаются и при отравлении солями свинца, т.к. свинец ингибирует АЛК-дегидратазу и феррохелатазу.

Обмен железа

Источником железа для синтеза гема служат пищевые продукты и железо, освобождающееся при распаде эритроцитов.

В гем-содержащих белках железо находится в составе гема.

В негемовых железосодержащих белках железо непосредственно связывается с белком. К таким белкам относят трансферрин, ферритин, рибонуклеотидредуктазу, ксантиноксидазу и др.

В организме взрослого человека содержится 3-4 г. железа.

В пище железо находится в окислённом состоянии (Fe+3). При кислом значении pH желудка железо выделяется из солей органических кислот.

Аскорбиновая кислота (Витамин С), содержащаяся в пище, восстанавливает железо и улучшает его всасывание и в клетки слизистой оболочки кишечника поступает железо в виде Fe+2.

Апоферритин в энтероцитах связывает железо и превращается в ферритин - запасную форму железа.

Железо по крови транспортируется трансферрином.

Трансферрин - гликопротеин, который синтезируется в печени и связывает только окисленное железо (Fe+3).

Поступающее в кровь железо окисляется ферментом феррооксидазой (церулоплазмином). Этот фермент содержит медь.

Трансферрин может соединиться с одним или двумя ионами Fe+3 одновременно с анионом, образуя комплекс трансферрин - 2 (Fe+3 -).

Трансферрин взаимодействует со специфическими рецепторами клеток. В результате в цитозоле клетки образуется комплекс Ca+2 - кальмодулин - ПКС, который фосфорилирует рецептор трансферрина и вызывает образование эндосомы.

В эндосоме создаётся кислая среда при действии АТФ - зависимого протонного насоса. При этом железо освобождается из трансферрина.

Ферритин - олигомерный белок, состоит из 24 протолиров и служит для запасания железа в клетке. В разных тканях существуют его изоформы.

Ферритин имеет полость, внутри которой может содержаться до 4500 ионов Fe+3.

Fe+2 окисляют в Fe+3 тяжёлые цепи ферритина. Комплекс железа в виде гидрофосфата хранится внутри сферы, образованной белковой частью молекулы.

Наибольшая часть ферритина содержится в печени, селезёнке и костном мозге.

Значение воды для жизнедеятельности организма. Распределение воды в тканях, понятие о внутриклеточной и внеклеточной жидкостях. Водный баланс, регуляция водного обмена.

Вода и растворенные в ней вещества, числе минеральные соли, создают внутреннюю среду организма, свойства к-й сохраняются постоянными или изменяются закономерным образом при изменении функционального состояния органов и клеток.

Вода тканей является не просто растворителем или инертным компонентом: она выполняет структурную и функциональную роль. Например, взаимодействие белков с водой обеспечивает их конформацию с преимущественным расположением гидрофильных групп на поверхности белковой глобулы, а гидрофобных - внутри. Еще большее значение имеет вода для структурной организации биологических мембран и их основы - двойного липидного слоя, в котором гидрофильные поверхности каждого монослоя взаимодействуют с водой, отграничивая от нее гидрофобное пространство внутри мембраны, между монослоями.

Вода служит средством транспорта веществ как в пределах клетки и окружающего ее межклеточного вещества, так и между органами (кровеносная и лимфатическая системы). Подавляющая часть химических реакций в организме происходит с веществами, растворенными в воде. Во многих химических превращениях вода служит реагентом: это реакции гидролиза, гидратации, дегидратации, образование воды при тканевом дыхании, гидроксилазных реакциях; у растений происходит фотоокисление воды, и образующийся при этом водород используется для восстановления углекислого газа при фотосинтезе.

Почти 2/ 3 массы тела человека приходится на воду. Суточное потребление воды составляет около 2 л, к этому добавляется 0,3-0,4 л метаболической воды, образующейся при тканевом дыхании. При отсутствии питья человек погибает через несколько суток в результате дегидратации тканей, когда количество воды в организме уменьшается примерно на 12 %.

Примерно 6 % всей воды организма находится в крови, 25 % - в межклеточном матриксе (интерстициальная вода). Воду этих двух бассейнов называют внеклеточной водой. Около 70 % воды организма - внутриклеточная вода. Между тремя основными бассейнами существует интенсивный обмен жидкостью. Например, перемещение жидкости (путем диффузии) через стенки капилляров в теле человека составляет около 1500 л в I мин.

Важнейшие параметры вводно-солевого гомеостаза - осмотическое давление, рН и объём внутриклеточной и внеклеточной жидкости. Изменение этих параметров может привести к изменению АД, ацидозу или алкалозу, дегидратации и отёкам тканей. Основные гормоны, участвующие в тонкой регуляции водно-солевого баланса и действующие на дистальные извитые канальцы и собирательные трубочки почек: антидиуретический гормон (АДГ), альдостерон и предсердный натриуретический фактор (ПНФ).

Антидиуретический гормон, или вазопрессин - пептид с молекулярной массой около 1100 Д, содержащий 9 аминокислот, соединённых одним дисульфидным мостиком. Синтезируется в нейронах гипоталамуса в виде предшественника препрогормона, который поступает в аппарат Гольджи и превращается в прогормон. В составе нейросекреторных гранул прогормон переносится в нервные окончания задней доли гипофиза (нейрогипофиз). Во время транспорта гранул происходит процессинг прогормона, в результате чего он расщепляется на зрелый гормон и транспортный белок - нейрофизин. Гранулы, содержащие зрелый антидиуретический гормон и нейрофизин, хранятся в терминальных расширениях аксонов в задней доле гипофиза, из которых секретируются в кровоток при соответствующей стимуляции.

Стимулом, вызывающим секрецию АДГ, служит повышение концентрации ионов натрия и увеличение осмотического давления внеклеточной жидкости. При недостаточном потреблении воды, сильном потоотделении или после приёма большого количества соли осморецепторы гипоталамуса, чувствительные к колебаниям осмолярности, регистрируют повышение осмотического давления крови. Возникают нервные импульсы, которые передаются в заднюю долю гипофиза и вызывают высвобождение АДГ. Секреция АДГ происходит также в ответ на сигналы от барорецепторов предсердий. Изменение осмолярности всего на 1% приводит к заметным изменениям секреции АДГ.

Механизм действия. Для АДГ существуют 2 типа рецепторов: V1 и V2. Рецепторы V2, опосредующие главный физиологический эффект гормона, обнаружены на базолатеральной мембране клеток собирательных трубочек и дистальных канальцев - наиболее важных клеток-мишеней для АДГ, которые относительно непроницаемы для молекул воды. В отсутствие АДГ моча не концентрируется и может выделяться в количествах, превышающих 20 л в сутки (норма 1,0-1,5 л в сутки). Связывание АДГ с V2 (рис. 11-32) стимулирует аденилатциклазную систему и активацию протеинкиназы А. В свою очередь, протеинкиназа А фосфорилирует белки, стимулирующие экспрессию гена мембранного белка - аквапорина-2. Аквапорин-2 перемещается к апикальной мембране собирательных канальцев и встраивается в неё, образуя водные каналы. Это обеспечивает избирательную проницаемость мембраны клеток для воды, которые свободно диффундируют в клетки почечных канальцев и затем поступают в интерстициальное пространство. Поскольку в результате происходит реабсорбция воды из почечных канальцев и экскреция малого объёма высококонцентрированной мочи (антидиурез), гормон называют антидиуретическим гормоном. Рецепторы типа V1 локализованы в мембранах ГМК сосудов. Взаимодействие АДГ с рецептором V1 приводит к активации фосфолипазы С, которая гидролизует фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат с образованием инозитолтрифосфата и диацилглицерола. Инозитолтрифосфат вызывает высвобождение Са 2+ из ЭР. Результатом действия гормона через рецепторы V1 является сокращение гладкомышечного слоя сосудов. Сосудосуживающий эффект АДГ проявляется при высоких концентрациях гормона. Поскольку сродство АДГ к рецептору V2 выше, чем к рецептору V1, при физиологической концентрации гормона в основном проявляется его антидиуретическое действие.

Альдостерон - наиболее активный минералокортикостероид, синтезирующийся в коре надпочечников из холестерола.

Синтез и секреция альдостерона клетками клубочковой зоны непосредственно стимулируются низкой концентрацией Na+ и высокой концентрацией К+ в плазме крови. На секрецию альдостерона влияют также простагландины, АКТГ. Однако наиболее важное влияние на секрецию альдостерона оказывает ренинангиотензиновая система.

Альдостерон не имеет специфических транспортных белков, но за счёт слабых взаимодействий может образовывать комплексы с альбумином. Гормон очень быстро захватывается печенью, где превращается в тетрагидроальдостерон-3-глюкуронид и экскретируется с мочой.

Механизм действия альдостерона. В клетках-мишенях гормон взаимодействует с рецепторами, которые могут быть локализованы как в ядре, так и в цитозоле клетки. Образовавшийся комплекс гормон-рецептор взаимодействует с определённым участком ДНК и изменяет скорость транскрипции специфических генов. Результат действия альдостерона - индукция синтеза: а) белков-транспортёров Na+ из просвета канальца в эпителиальную клетку почечного канальца; б) Nа+,К+,-АТФ-азы, обеспечивающей удаление ионов натрия из клетки почечного канальца в межклеточное пространство и переносящей ионы калия из межклеточного пространства в клетку почечного канальца; в) белков-транспортёров ионов калия из клеток почечного канальца в первичную мочу; г) митохондриальных ферментов ЦТК, в частности цитратсинтазы, стимулирующих образование молекул АТФ, необходимых для активного транспорта ионов.

Суммарным биологическим эффектом индуцируемых альдостероном белков является увеличение реабсорбции ионов натрия в канальцах нефронов, что вызывает задержку NaCl в организме, и возрастание экскреции калия.

Размещено на Allbest.ru