Размещено на http://www.allbest.ru/

Карагандинский государственный медицинский университет

Лекция

«Строение и функции белков»

Дисциплина Биологическая химия

Время (продолжительность) 50 минут

Караганда 2009г.

Тема: Введение. Строение и функции белков

Цель: ознакомить студентов с особенностями структурной организации и физико-химическими свойствами белков

План лекции: протеин белок аминокислота

1.Представление о белках как важнейшем классе органических веществ и структурно-функциональном компоненте организма человека.

2.Первичная, вторичная и третичная структура белков. Понятие об активном центре белков.

3.Общая характеристика олигомерных белков.

4.Физико-химические свойства белков. Денатурация белков. Факторы, вызывающие денатурацию белков. Понятие о шаперонах. Медицинское значение

1. Представление о белках как важнейшем классе органических веществ и структурно-функциональном компоненте организма человека

БЕЛКИ или ПРОТЕИНЫ - это высокомолекулярные азотсодержащие органические вещества, линейные гетерополимеры, структурным компонентом которых являются аминокислоты, связанные пептидными связями.

В природе встречаются десятки тысяч различных белков. И все они отличаются друг от друга по пяти основным признаком.

Основные различия в строении белковых молекул

1. По количеству аминокислот

2. По соотношению количества различных аминокислот. Например, в белке соединительной ткани коллагене 33% от общего количества аминокислот составляет глицин, а в молекуле белкового гормона инсулина, вырабатываемого в поджелудочной железе, содержание глицина гораздо меньше - всего 8%.

3. Различная последовательность чередования аминокислот. Это означает, что даже при одинаковом соотношении разных аминокислот в каких-нибудь двух белках порядок их расположения этих аминокислот различен, то это будут разные белки.

4. Количество полипептидных цепей в различных белках может варьировать от 1 до 12, но если больше единицы, то обычно четное (2, 4, 6 и т.п.)

5. По наличию небелкового компонента, который называется «ПРОСТЕТИЧЕСКАЯ ГРУППА». Если ее нет, то это - простой белок, если есть - сложный белок

2. Первичная, вторичная и третичная структура белков. Понятие об активном центре белков

Формируется за счет COOH-группы одной аминокислоты и NH2-группы соседней аминокислоты. В названии пептида окончания названий всех аминокислот, кроме последней, находящейся на «С»-конце молекулы меняются на «ил». Например, тетрапептид: валил-аспарагил-лизил-серин

ПЕПТИДНАЯ СВЯЗЬ формируется ТОЛЬКО ЗА СЧЕТ АЛЬФА-АМИНОГРУППЫ И СОСЕДНЕЙ COOH-ГРУППЫ ОБЩЕГО ДЛЯ ВСЕХ АМИНОКИСЛОТ ФРАГМЕНТА МОЛЕКУЛЫ. Если карбоксильные и аминогруппы входят в состав радикала, то они никогда не участвуют в формировании пептидной связи в молекуле белка. Аминокислоты, соединенные пептидной связью в полипептидную цепь, называются первичной структурой белка.

Архитектуры белков сложны и разнообразны. Однако и в белках прослеживается набор "стандартных" структур. Прежде всего здесь речь идет о регулярных вторичных структурах белка: об е-спирали и 2-структуре; е-спирали часто изображаются спиральными лентами (Рис.1) или цилиндрами, а вытянутые 2-структурные участки (слипаясь, они образуют листы) стрелками (Рис.1). Беспорядочный клубок - это участки, не имеющие правильной, периодической пространственной организации.

Слайд - рисунок. 1. Регулярные вторичные структуры белков

е -спираль - образуется внутрицепочечными водородными связями между NH-группой одного остатка аминокислоты и CO-группой четвертого от нее остатка; 2 -структура (складчатый лист) - образуется межцепочечными водородными связями или связями между участками одной полипептидной цепи изогнутой в обратном направлении; Но конформация этих участков также строго обусловлена аминокислотной последовательностью.

Содержание е -спиралей и 2 -структур в разных белках различно: у фибриллярных белков - только е -спираль или только 2 -складчатый лист; а у глобулярных белков - отдельные фрагменты полипептидной цепи: либо е -спираль, либо 2 -складчатый лист, либо беспорядочный клубок. В одном и том же белке могут присутствовать все три способа укладки полипептидной цепи.

Третичная структура глобулярных белков представляет ориентацию в пространстве полипептидной цепи, содержащей е -спирали, 2 -структуры и участки без периодической структуры (беспорядочный клубок). Дополнительное складывание скрученной полипептидной цепи образует компактную структуру. Это происходит, прежде всего, в результате взаимодействия между боковыми цепями аминокислотных остатков. Существует несколько видов взаимодействия между R-группами, в основном нековалентного характера (рис.2):

Связи, стабилизирующие третичную структуру:

1. электростатические силы притяжения между R-группами, несущими противоположно заряженные ионогенные группы (ионные связи);

2. водородные связи между полярными (гидрофильными) R-группами;

3. гидрофобные взаимодействия между неполярными (гидрофобными) R-группами;

4. дисульфидные связи между радикалами двух молекул цистеина. Эти связи ковалентные. Они повышают стабильность третичной структуры, но не всегда являются обязательными для правильного скручивания молекулы. В ряде белков они могут вообще отсутствовать.

Слайд-рисунок 2. Типы связей, возникающие между радикалами аминокислот при формировании третичной структуры белка. 1 -- ионная связь; 2 -- водородная связь; 3 -- гидрофобные взаимодействия; 4 -- дисульфидная связь.

Гидрофобные радикалы аминокислот имеют тенденцию к объединению внутри глобулярной структуры белков, образуя плотное гидрофобное ядро. Гидрофильные ионизированные и неионизированные радикалы аминокислот в основном расположены на поверхности белка и определяют его растворимость в воде.

Конформационная лабильность белков -- это способность белков к небольшим изменениям кон-формации за счет разрыва одних и образования других слабых связей.

На поверхности глобулы образуется участок, который может присоединять к себе другие молекулы, называемые лигандами. Например, лиганд белка-фермента - субстрат; лиганд транспортного белка - транспортируемое вещество; лиганд антитела (иммуноглобулина) - антиген; лиганд рецептора гормона или нейромедиатора - гормон или нейромедиатор.

Центр связывания с лигандом, или активный центр, формируется из радикалов аминокислотных остатков, сближенных на уровне третичной структуры. В линейной пептидной цепи они могут находиться на расстоянии, значительно удаленном друг от друга.

Белки проявляют высокую специфичность (избирательность) при взаимодействии с лигандом. Высокая специфичность взаимодействия белка с лигандом обеспечивается комплементарностью структуры активного центра структуре лиганда.

Комплементарность -- это пространственное и химическое соответствие взаимодействующих поверхностей.

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. Центры связывания белка с лигандом часто располагаются между доменами. Разные домены в белке могут перемещаться относительно друг друга при взаимодействии с лигандом. В некоторых белках домены выполняют самостоятельные функции, связываясь с различными лигандами. Такие белки называются многофункциональными.

3. Общая характеристика олигомерных белков

Многие белки имеют в своем составе несколько полипептидных цепей. Такие белки называют олигомерными. а отдельные цепи -- протомерами. Протомеры в олигомерном белке соединены множеством слабых, нековалентных связей (гидрофобных, ионных, водородных). Взаимодействие протомеров осуществляется благодаря комплементарности их контактирующих поверхностей. Количество протомеров в белках может сильно варьировать: гемоглобин содержит 4 протомера, фермент аспартаттранскарбамоилаза -- 12 протомеров, в белок вируса табачной мозаики входит 2120 протомеров, соединенных нековалентными связями. Следовательно, белки с четвертичной структурой могут иметь очень большую молекулярную массу. Каждый протомер служит лигандом для других протомеров.

Слайд-рисунок 3. Уровни организации белков

Количество и порядок соединения протомеров в белке называется четвертичной структурой.

Олигомерные белки могут содержать разное количество протомеров (например, димеры, тетрамеры, гексамеры и т. д.). В состав олигомерных белков могут входить одинаковые или разные протомеры, например гомодимеры -- белки содержащие 2 одинаковых протомера, гетеродимеры -- белки, содержащие 2 разных протомера. Различные по структуре протомеры могут связывать разные лиганды.

Взаимодействие одного протомера со специфическим лигандом вызывает конформационные изменения всего олигомерного белка и изменяет сродство других протомеров к лигандам. Это явление носит название кооперативных изменений конформации протомеров. У олигомерных белков появляется новое по сравнению с одноцепочечными белками свойство -- способность к аллостерической регуляции их функций.

4. Физико-химические свойства белков. Денатурация белков. Факторы, вызывающие денатурацию белков. Понятие о шаперонах. Медицинское значение

Индивидуальные белки различаются по физико-химическим свойствам: 1) форме молекул; 2) молекулярной массе; 3) суммарному заряду, величина которого зависит от соотношения анионных и катионных групп аминокислот; 4) соотношению полярных и неполярных радикалов аминокислот на поверхности молекул; 5) степени устойчивости к воздействию различных денатурирующих агентов. Растворимость белков зависит: от перечисленных выше свойств белков; от состава среды, в которой растворяется белок (величины рН, солевого состава, температуры, наличия других органических веществ, способных взаимодействовать с белком). Величина заряда белков -- один из факторов, увеличивающий их растворимость. При потере заряда в изоэлектрической точке белки легче агрегируют и выпадают в осадок. Это особенно характерно для денатурированных белков, у которых на поверхности появляются гидрофобные радикалы аминокислот.

На поверхности белковой молекулы имеются как положительно, так и отрицательно заряженные радикалы аминокислот. Количество этих групп, а следовательно, и суммарный заряд белков зависят от рН среды. Значение рН, при котором белок имеет суммарный нулевой заряд, называется изоэлектрической точкой (ИЭТ). В ИЭТ количество положительно и отрицательно заряженных групп одинаково, т.е. белок находится в изоэлектрическом состоянии.

Денатурация белков -- это разрушение их нативной конформации, вызванное разрывом слабых связей, стабилизирующих пространственные структуры, при действии денатурирующих агентов.

Факторы, которые вызывают денатурацию белков, можно разделить на физические и химические.

Физические факторы

1. Высокие температуры. Для разных белков характерна различная чувствительность к тепловому воздействию. Часть белков подвергается денатурации уже при 40-500С. Такие белки называют термолабильными. Другие белки денатурируют при гораздо более высоких температурах, они являются термостабильными.

5. Механическое воздействие (например, вибрация).

5. Денатурация белков. Факторы, вызывающие денатурацию белков. Ренативация белка

Химические факторы

2. Соли тяжелых металлов (например, CuSO4).

3. Органические растворители (этиловый спирт, ацетон)

4. Растительные алкалоиды.

5. Мочевина в высоких концентрациях

Денатурация сопровождается потерей биологической активности белка.

1. Уникальная трехмерная структура каждого белка разрушается, и все молекулы одного белка приобретают случайную конформацию, т.е. отличную от других таких же молекул.

2. Радикалы аминокислот, формирующие активный центр белка, оказываются пространственно удаленными друг от друга, т.е. разрушается специфический центр связывания белка с лигандом.

3. Гидрофобные радикалы, обычно находящиеся в гидрофобном ядре глобулярных белков, при денатурации оказываются на поверхности молекулы, тем самым создаются условия для агрегации белков. Агрегаты белков выпадают в осадок. При денатурации белков не происходит разрушения их первичной структуры. Удаление денатурирующих агентов диализом приводит к восстановлению конформации и функции белка, т.е. к ренативации (ренатурации).

В клетке обнаружены семейства белков - шаперонов. Шапероны принадлежат к трем белковым семействам, так называемым белкам теплового шока (hsp60, hsp70, hsp90). Свое название эти белки получили потому, что и к синтез возрастает при повышении температуры и других формах стресса. При этом они выполняют функцию защиты белков клетки от денатурации. Белки -- представители семейства hsp70 -- связываются на начальной фазе образования растущего пептида. Одни из них контролируют процесс сворачивания белка в цитоплазме, другие -- участвуют в переносе белков в митохондрии. Белки hsp60 охватывают синтезированный полипептид наподобие бочонка, тем самым обеспечивая условия для принятия правильной конформации. Также шапероны участвуют в таких фундаментальных процессах, как: ренативация частично денатурированных белков; 2) узнавание денатурированных белков и транспорт их в лизосомы; 3) формирование трехмерной структуры белков; 4) сборка олигомерных белков; 5) транспорт белков через мембраны.

Молекулярные шапероны предотвращают денатурацию белков. Частично денатурированный белок попадает в полость шаперонинового комплекса. В специфической среде этой полости в условиях изолированности от других молекул цитозоля клетки выбор возможных конформаций белка происходит до тех пор, пока не будет найдена энергетически наиболее выгодная конформация. . Шаперонзависимое формирование нативной конформаций связано с расходованием значительного количества энергии, источником которой служит АТР (рис.4).

Иллюстративный материал

Слайд-рисунок 1. Регулярные вторичные структуры белков

Слайд-рисунок 2. Типы связей, возникающие между радикалами аминокислот при формировании третичной структуры белка.

Слайд-рисунок 3. Уровни организации белков

Анимация: Функции шаперонов

Литература

1. Биохимия. Учебник /под редакцией член - корр РАН, проф. Е.С. Северина - М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004.- 784 с

2. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека: В 2-х томах. Т. 2. Пер. с англ: - М.: Мир, 1993. - 384с.

Размещено на Allbest.ru