Причинява се от взаимодействието на аминокиселинни остатъци, които са далеч един от друг в линейна последователност. Фактори за поддръжка:
водородни връзки
хидрофобни взаимодействия (необходими за протеиновата структура и биологичните функции)
дисулфидни и солни мостове
йонни и ван дер ваалсови връзки.
В повечето протеини на повърхността на молекулите има остатъци от аминокиселинни радикали, които имат хидрофилни свойства. HC са радикали, които са хидрофобни, разположени вътре в молекулите. Това разпределение е важно при формирането на нативната структура и свойства на протеина.
В резултат на това протеините имат хидрарна обвивка и стабилизирането на третичната структура се дължи до голяма степен на хидрофобни взаимодействия. Например, 25-30% от аминокиселинните остатъци в глобулиновите молекули имат изразени хидрофобни радикали, 45-50% съдържат йонни и полярни радикални групи.
Страничните вериги на аминокиселинните остатъци, които са отговорни за структурата на протеините, се отличават по размер, форма, заряд и способност да образуват водородни връзки, също и по химическа реактивност:
алифатни странични вериги, например, валин, аланин.
Именно тези остатъци образуват хидрофобни взаимодействия.
хидроксилиран алифатен (серия, треонин). Тези аминокиселинни остатъци участват в образуването на водородни връзки, както и естери, например със сярна киселина.
ароматни - това са остатъци от фенилаланин, тирозин, триптофан.
аминокиселинни остатъци с основни свойства (лизин, аргинин, хистидин). Преобладаването на такива аминокиселини в полипептидната верига придава на протеините техните основни свойства.
остатъци с киселинни свойства (аспарагинова и глутаминова киселини)
Протеините, съдържащи няколко полипептидни вериги, имат кватернерна структура. Това се отнася до начина, по който веригите са разположени една спрямо друга. Такива ензими се наричат субединици. Понастоящем е обичайно да се използва терминът „домейн“, който се отнася до компактната глобуларна единица на протеинова молекула. Много протеини се състоят от няколко такива единици с маса от 10 до 20 kDa. В протеини с голямо молекулно тегло отделните домени са свързани чрез относително гъвкави участъци на PPC. В тялото на животните и хората има още по-сложни структурни организации на протеини, пример за които могат да бъдат мултиензимните системи, по-специално комплексът пируват декарбоксилаза.
При определени стойности на pH и температура PPC обикновено има само една конформация, която се нарича нативна и в която протеинът в тялото изпълнява своята специфична функция. Почти винаги тази единствена конформация енергийно надделява над десетки и стотици варианти на други конформации.
Няма задоволителна класификация на протеините; условно се класифицират според тяхната пространствена структура, разтворимост, биологични функции, физикохимични свойства и други характеристики.
1. Според структурата и формата на техните молекули белтъците се делят на:
кълбовиден (сферичен)
фибриларен (подобен на нишка)
2. по химичен състав се делят на:
Прости, които се състоят само от аминокиселинни остатъци
Сложни, те съдържат молекули с непротеинов характер. Класификацията на сложните протеини се основава на химическата природа на небелтъчните компоненти.
Един от основните видове класификация:
Въз основа на изпълняваните биологични функции:
Ензимна катализа. В биологичните системи всички химични реакции се катализират от специфични ензимни протеини.
Известни са над 2000 бр
ензими. Ензимите са мощни биокатализатори, които ускоряват реакциите поне 1 милион пъти.
Транспорт и съхранение
Транспортът на много малки молекули и различни йони често се извършва от специфични протеини, например хемоглобин, миоглобин, които пренасят кислород. Пример за съхранение: Феритинът се натрупва в черния дроб.
механична опора. Високата еластичност на кожата и костите се дължи на наличието на фибриларен протеин - колаген.
имунна защита. Антителата са силно специфични протеини, които могат да разпознават и свързват вируси, бактерии и клетки на други организми.
Генериране и предаване на импулси. Отговорът на нервните клетки на импулси се медиира от рецепторни протеини
регулиране на растежа и диференциацията. Строго регулиране на последователността на експресия на генетична информация е необходимо за растежа на клетъчната диференциация. Във всеки даден момент от живота на организма се експресира само малка част от генома на клетката. Например, под въздействието на специфичен протеинов комплекс във висшите организми се образува мрежа от неврони.
Други функции на пептидите и протеините включват хормонални. След като човек се научи да синтезира хормонални пептиди, те започнаха да имат изключително важно биомедицинско значение. Пептидите са различни антибиотици, например валиномицин, противотуморни лекарства. В допълнение, протеините изпълняват механични защитни функции (кератин на косата или мукозни образувания, покриващи стомашно-чревния тракт или устната кухина).
Основната проява на съществуването на всеки жив организъм е възпроизвеждането на собствен вид. В крайна сметка наследствената информация е кодирането на аминокиселинната последователност на всички протеини в тялото. Протеиновите токсини влияят на човешкото здраве.
Молекулната маса на протеините се измерва в далтони (Da), единица за маса, почти равна на масата на водорода (-1000). Термините далтон и молекулно тегло се въвеждат взаимозаменяемо. Mr на повечето протеини варира от 10 до 100 000.
Доказано е съществуването на 4 нива на структурна организация на една белтъчна молекула.
Първична протеинова структура– последователността на подреждане на аминокиселинните остатъци в полипептидната верига. В протеините отделните аминокиселини са свързани една с друга пептидни връзки, възникващи от взаимодействието на а-карбоксилни и а-амино групи на аминокиселини.
Към днешна дата е дешифрирана първичната структура на десетки хиляди различни протеини. За да се определи първичната структура на протеина, аминокиселинният състав се определя с помощта на методи на хидролиза. След това се определя химическата природа на крайните аминокиселини. Следващата стъпка е определяне на последователността на аминокиселините в полипептидната верига. За тази цел се използва селективна частична (химична и ензимна) хидролиза. Възможно е да се използва рентгенов дифракционен анализ, както и данни за комплементарната нуклеотидна последователност на ДНК.
Вторична структура на протеина– конфигурация на полипептидната верига, т.е. метод за опаковане на полипептидна верига в специфична конформация. Този процес не протича хаотично, а в съответствие с програмата, заложена в първичната структура.
Стабилността на вторичната структура се осигурява главно от водородни връзки, но ковалентните връзки - пептидни и дисулфидни - имат известен принос.
Разглежда се най-вероятният тип структура на глобуларните протеини а-спирала. Усукването на полипептидната верига става по посока на часовниковата стрелка. Всеки протеин се характеризира с определена степен на спирализация. Ако хемоглобиновите вериги са 75% спирални, тогава пепсинът е само 30%.
Типът конфигурация на полипептидните вериги, открити в протеините на косата, коприната и мускулите, се нарича б-структури. Сегментите на пептидната верига са подредени в един слой, образувайки фигура, подобна на сгънат на акордеон лист. Слоят може да бъде образуван от две или повече пептидни вериги.
В природата има протеини, чиято структура не съответства нито на β-, нито на a-структурата, например колагенът е фибриларен протеин, който съставлява по-голямата част от съединителната тъкан в човешкото и животинското тяло.
Третична структура на протеина– пространствена ориентация на полипептидната спирала или начинът, по който полипептидната верига е разположена в определен обем. Първият протеин, чиято третична структура е изяснена чрез рентгенов дифракционен анализ, е миоглобинът на кашалота (фиг. 2).
При стабилизирането на пространствената структура на протеините, освен ковалентните връзки, основна роля играят нековалентните връзки (водородни, електростатични взаимодействия на заредени групи, междумолекулни ван дер ваалсови сили, хидрофобни взаимодействия и др.).
Според съвременните концепции третичната структура на протеина след завършване на неговия синтез се образува спонтанно. Основната движеща сила е взаимодействието на аминокиселинните радикали с водните молекули. В този случай неполярните хидрофобни аминокиселинни радикали са потопени вътре в протеиновата молекула, а полярните радикали са ориентирани към водата. Процесът на образуване на естествената пространствена структура на полипептидна верига се нарича сгъване. Протеините, наречени придружители.Те участват в сгъването. Описани са редица наследствени заболявания на човека, чието развитие е свързано с нарушения, дължащи се на мутации в процеса на сгъване (пигментоза, фиброза и др.).
С помощта на методите за рентгенов дифракционен анализ е доказано съществуването на нива на структурна организация на белтъчната молекула, междинни между вторичната и третичната структура. Домейне компактна глобуларна структурна единица в полипептидна верига (фиг. 3). Открити са много протеини (например имуноглобулини), състоящи се от домени с различна структура и функции, кодирани от различни гени.
Всички биологични свойства на протеините са свързани със запазването на тяхната третична структура, която се нарича роден. Белтъчната глобула не е абсолютно твърда структура: възможни са обратими движения на части от пептидната верига. Тези промени не нарушават цялостната конформация на молекулата. Конформацията на протеиновата молекула се влияе от pH на околната среда, йонната сила на разтвора и взаимодействието с други вещества. Всички влияния, водещи до нарушаване на нативната конформация на молекулата, са придружени от частична или пълна загуба на биологичните свойства на протеина.
Кватернерна протеинова структура- метод за полагане в пространството на отделни полипептидни вериги, които имат еднаква или различна първична, вторична или третична структура, и образуването на структурно и функционално единна макромолекулна формация.
Нарича се белтъчна молекула, състояща се от няколко полипептидни вериги олигомер, и всяка верига, включена в него - протомер. Олигомерните протеини често са изградени от четен брой протомери; например, молекулата на хемоглобина се състои от две а- и две b-полипептидни вериги (фиг. 4).
Около 5% от протеините имат кватернерна структура, включително хемоглобин и имуноглобулини. Структурата на субединицата е характерна за много ензими.
Протеиновите молекули, които изграждат протеин с кватернерна структура, се образуват отделно върху рибозомите и едва след завършване на синтеза образуват обща супрамолекулна структура. Протеинът придобива биологична активност само когато съставните му протомери се комбинират. В стабилизирането на кватернерната структура участват същите видове взаимодействия, както и в стабилизирането на третичната структура.
Някои изследователи признават съществуването на пето ниво на структурна организация на протеина. това метаболизъм -полифункционални макромолекулни комплекси от различни ензими, които катализират целия път на субстратни трансформации (синтетази на висши мастни киселини, пируват дехидрогеназен комплекс, дихателна верига).
Специфика на първичната структура на протеина. Характеристики на образуването на пептидна връзка. Определящата роля на първичната структура при формирането на по-високи нива на организация на протеиновата молекула.
Първична структура на протеин.
Първичната структура на протеините е линейна полипептидна верига от аминокиселини, свързани с пептидни връзки. Първичната структура е най-простото ниво на структурна организация на протеинова молекула. Висока стабилност му придават ковалентните пептидни връзки между α-аминогрупата на една аминокиселина и α-карбоксилната група на друга аминокиселина.
Ако иминогрупата на пролин или хидроксипролин участва в образуването на пептидна връзка, тогава тя има различен външен вид.
Когато в клетките се образуват пептидни връзки, карбоксилната група на една аминокиселина първо се активира и след това се комбинира с аминогрупата на друга. Лабораторният синтез на полипептиди се извършва приблизително по същия начин.
Пептидната връзка е повтарящ се фрагмент от полипептидна верига. Той има редица характеристики, които засягат не само формата на първичната структура, но и по-високите нива на организация на полипептидната верига:
Копланарност – всички атоми, включени в пептидната група, са в една равнина;
Способността да съществува в две резонансни форми (кето или енолна форма);
Транспозиция на заместителите спрямо C-N връзката;
Способността да образуват водородни връзки и всяка от пептидните групи може да образува две водородни връзки с други групи, включително пептидни.
Изключение правят пептидните групи, включващи аминогрупата на пролин или хидроксипролин. Те могат да образуват само една водородна връзка (виж по-горе). Това влияе върху образуването на вторичната структура на протеина. Полипептидната верига в областта, където се намира пролин или хидроксипролин, лесно се огъва, тъй като не се държи, както обикновено, от втора водородна връзка.
4. Вторична структура на протеина. Връзки, които стабилизират вторичната структура, α-спирала. Фактори, които нарушават спирализацията. Структура на β-лист, особености на конформационната структура.
Вторичната структура на протеина е конфигурацията на полипептидната верига, т.е. метод за нагъване на полипептидна верига в специфична конформация.
Този процес не протича произволно, а в съответствие с първичната структура на протеина.
Вторичната структура се поддържа предимно от водородни връзки, въпреки че за някои протеини пептидните и дисулфидните ковалентни връзки имат известен принос.
Най-вероятният тип вторична структура на глобуларните протеини е α-спиралата. Полипептидната верига се усуква в спирала по посока на часовниковата стрелка. Всеки протеин се характеризира с определена степен на спирализация. Така полипептидните вериги на хемоглобина са спирализирани със 75%, а молекулата на пепсина с 30%.
Типът конфигурация на полипептидните вериги, когато сегментите на пептидната верига са подредени в един слой, образувайки структура, подобна на лист, сгънат в акордеон, се нарича структура. Този тип вторична структура се намира в протеините на мускулите, косата и коприната. -слоят може да бъде вътрешномолекулен или образуван от две или повече полипептидни вериги.
Способността за образуване на водородни връзки, които са движещата сила за образуването на α- и β-структури в една белтъчна молекула, е изразена в различна степен в различните аминокиселини. Има група спиралообразуващи аминокиселини: ала, gln, glu, leu, met, lys, gis. Val, ile, tyr, tre, phen допринасят за образуването на -структури на полипептидната верига. Наличието на сяра, gly, pro, asn, asp води до преобладаващо образуване на неподредени фрагменти в протеиновата молекула.
В природата има протеини, чиято структура не отговаря на нито една
β-, нито -структура (колаген).
5. Третична структура на протеина.Връзки, стабилизиращи третичната структура (ковалентни, йонни, хидрофобни, водородни, ван дер ваалсови).
Третичната структура на протеина е пространствената ориентация на полипептидната спирала или начинът, по който полипептидната верига е разположена в определен обем. Първият протеин, третичната структура на протеина (миоглобин на кашалота) е установен за първи път чрез рентгенов дифракционен анализ (фиг. 2).
При стабилизирането на пространствената структура на протеините, в допълнение към ковалентните връзки, основната роля принадлежи на нековалентните връзки (междумолекулни сили на Ван дер Ваалс, водородни връзки, електростатични взаимодействия на йонизирани групи, хидрофобни взаимодействия и др.).
С помощта на рентгенов дифракционен анализ е установено наличието на специфични нива на структурна организация на протеиновата молекула, междинни между вторичната и третичната структура. Домейнът е компактна глобуларна структурна единица в полипептидна верига (фиг. 3). Открити са протеини (по-специално имуноглобулини), в които има домени с различна структура и функции.
Според съвременните концепции, след края на синтеза на протеина, неговата третична структура се формира спонтанно. Процесът на формиране на естествената пространствена структура на полипептидната верига е нагъване. Основната движеща сила на сгъването е взаимодействието на аминокиселинните радикали с водните молекули. В този случай хидрофобните аминокиселинни радикали са ориентирани вътре в протеиновата молекула, а хидрофилните радикали са обърнати към водата.
Клетките съдържат протеини, наречени шаперони. Основната им функция е участие в сгъването (фиг. 4). Описани са редица човешки заболявания с наследствен характер, чиято поява е свързана с нарушаване на процеса на сгъване поради мутации (пигментоза, фиброза и др.).
Всички биологични свойства на протеините са свързани с образуването и запазването на третична структура, наречена естествена. Белтъчната глобула не е абсолютно твърда структура: възможни са обратими движения на фрагменти от полипептидната верига. Тези промени не водят до нарушаване на цялостната конформация на молекулата. Факторите, влияещи върху конформацията на протеиновата молекула, са йонната сила на разтвора, pH на средата, взаимодействието с компонентите на разтвора. Всяко влияние, водещо до нарушаване на естествената структура на молекулата, води до частична или пълна загуба на биологичните свойства на протеина.
6. Кватернерна структура на протеина.Понятие за мономери и олигомери. Зависимост на свойствата на протеина от неговата конформация. Връзка между структура и функция.
Кватернерната структура на протеина е подреждането на отделни полипептидни вериги със специфична първична, вторична или третична структура в пространството и образуването на единична макромолекулна формация.
Протеин, състоящ се от няколко полипептидни вериги, се нарича олигомер, а всяка полипептидна верига, включена в него, се нарича протомер. Олигомерните протеини, като правило, се състоят от четен брой субединици, например, молекулата на хемоглобина е изградена от две α- и две β-полипептидни вериги (фиг. 5).
Около 5% от протеините, като феритин и имуноглобулини, имат кватернерна структура. Структурата на субединицата е характерна за много ензими, предимно тези, които изпълняват сложни функции. Почти всички ДНК и РНК полимерази имат кватернерна структура. Полипептидните вериги, които изграждат протеин с кватернерна структура, се образуват отделно върху рибозомите. Едва след завършване на синтеза те се обединяват в надмолекулна структура. Протеинът придобива биологична активност на ниво кватернерна структура. Стабилизирането на кватернерната структура става с участието на същите връзки, както при образуването на третичната структура, с изключение на ковалентните връзки.
Редица изследователи признават съществуването на пето ниво на структурна организация на протеините. Полифункционални макромолекулни комплекси от различни ензими, които катализират целия път на трансформация на субстрата, се наричат метаболони (пируват дехидрогеназен комплекс, IVH синтетази, дихателна верига).
Протеин, който изпълнява специфична функция в клетъчния метаболизъм, може да бъде представен в няколко форми - изофункционални протеини или изопротеини. Няколко форми на хемоглобин се намират в човешките червени кръвни клетки: При възрастните преобладаващата форма е HbA. Ch Феталният хемоглобин HbF е характерен за ембрионалния стадий на развитие на човека. Всички форми на хемоглобини изпълняват функцията за транспортиране на кислород от белите дробове до тъканите, но свойствата на различните хемоглобини се различават.
Концепцията за нативен протеин. Концепцията за алостерични протеини.
Нативният протеин е протеин, който има определена биологична активност.
8. Основните функции на простите и сложните белтъци в организма: структурна, каталитична, рецепторна, регулаторна, транспортна, защитна, съкратителна и др.
Структурна функция. В комбинация с липидите протеините участват в образуването на клетъчни биомембрани. Структурните протеини на цитоскелета придават форма на клетките и много органели. Примери за структурни протеини са колагенът в съединителната тъкан, кератинът в косата, кожата и ноктите.
Контрактилна (моторна) функция. Съкратителната функция се осъществява от мускулни протеини (актин и миозин). Цитоскелетните протеини са необходими за сегрегацията на хромозомите по време на митоза.
Хранителна (резервна) функция. Овалбуминът (яйчен белтък) е източник на храна за плода. Казеинът, млечен протеин, също има хранителна функция.
Каталитична функция. Повечето известни в момента ензими (биологични катализатори) са протеини.
Транспортна функция. Протеинът на червените кръвни клетки хемоглобин участва в транспортирането на кислород и въглероден диоксид, изпълнявайки дихателната функция. Серумните албумини участват в липидния транспорт.
Защитна функция. В отговор на навлизането на вируси, бактерии, чужди протеини и токсини в тялото се образуват защитни протеини - антитела (имунна защита). Специфичните протеини на кръвната плазма са способни на коагулация, което предпазва от загуба на кръв по време на кървене (физическа защита).
Рецепторна функция. Клетъчните протеини образуват специфични рецептори и участват в предаването на хормонални сигнали.
Хормонална функция. Група хормони са протеини или полипептиди, например хормонът на хипофизата вазопресин.
Други важни функции на протеините са буферните свойства (осигуряване на физиологично рН на вътрешната среда), поддържане на онкотичното налягане в клетките и кръвта и др.
В тялото на хората и животните съдържанието на протеин е много по-високо, отколкото в растенията. В мускулите, белите дробове, далака, бъбреците протеините представляват повече от 70-80% от сухата маса, в черния дроб - 57%, в мозъка - 45%. Ниско съдържание на протеин в костите и зъбите - 20 и 18%. Неравномерно съдържание на протеини в различни субклетъчни органели. В хиалоплазмата (вътреклетъчния сок) има повече протеини. Ако приемем общия клетъчен протеин за 100%, тогава хиалоплазмата представлява 40%. Митохондриите и микрозомите съдържат по 20%, ядрото - 12%, лизозомите - 2%, пероксизомите - 2,5%, плазмената мембрана - 1,5% протеин.
Някои протеини съдържат фосфор (0,2-2%), желязо и други елементи. Най-постоянното съдържание на азот за протеини от животински, растителен и микробен произход е средно 16%, като на тази база количеството протеин се изчислява от съдържанието на азот: масата на азота, определена чрез анализа, се умножава по коефициент; 6,25 (100:16 = 6,25).
Размерът на протеиновите молекули варира от 1 микрон до 1 nm
Гел филтрация или метод на молекулярно сито
За разделяне на протеини често се използват хроматографски методи, базирани на разпределението на веществата между две фази, едната от които е подвижна, а другата неподвижна. Хроматографските методи се основават на различни принципи: гел филтрация, йонообмен, адсорбция, биологичен афинитет.
Методът за разделяне на протеини с помощта на гел филтрационна хроматография се основава на факта, че веществата, които се различават по молекулно тегло, се разпределят по различен начин между стационарната и подвижната фаза. Хроматографската колона е пълна с гранули от поресто вещество (сефадекс, агароза и др.). В структурата на полизахарида се образуват напречни връзки и се образуват гранули с "пори", през които лесно преминават вода и нискомолекулни вещества. В зависимост от условията могат да се образуват гранули с различен размер на порите.
Стационарната фаза е течността вътре в гранулите, в която могат да проникнат вещества с ниско молекулно тегло и протеини с ниско молекулно тегло. Протеинова смес, приложена към хроматографската колона, се измива (елуира) чрез преминаване на разтворител през колоната. Най-големите молекули също се движат заедно с фронта на разтворителя.
По-малките молекули дифундират в гранулите на сефадекс и за известно време преминават в стационарна фаза, в резултат на което движението им се забавя. Размерът на порите определя размера на молекулите, които могат да проникнат вътре в гранулите (фиг. 1-55).
Тъй като структурата на гела на Sephadex лесно се деформира под натиск, геловете започнаха да се заменят с по-твърди матрици (Sefactil, Toy-Operl), които представляват сферични гранули с различни размери на порите. Изборът на размера на порите в гранулите зависи от целите на хроматографията (други хроматографски методи ще бъдат обсъдени по-долу).
Третичната структура на протеина е начинът, по който полипептидната верига е подредена в триизмерното пространство. Тази конформация възниква поради образуването на химични връзки между аминокиселинни радикали, които са отдалечени един от друг. Този процес се осъществява с участието на молекулярните механизми на клетката и играе огромна роля в придаването на функционална активност на протеините.
Третичната структура на протеините се характеризира със следните видове химични взаимодействия:
Всички тези връзки (с изключение на ковалентната дисулфидна връзка) са много слаби, но поради количеството си стабилизират пространствената форма на молекулата.
Всъщност третото ниво на нагъване на полипептидните вериги е комбинация от различни елементи на вторична структура (α-спирали; β-листови слоеве и бримки), които са ориентирани в пространството поради химически взаимодействия между страничните аминокиселинни радикали. За схематично представяне на третичната структура на протеина, α-спиралите са обозначени с цилиндри или навити линии, сгънатите слоеве са обозначени със стрелки, а бримките са обозначени с прости линии.
Естеството на третичната конформация се определя от последователността на аминокиселините във веригата; Тази конформация осигурява функционалната активност на протеина и се нарича нативна.
В процеса на сгъване на протеинова молекула компонентите на активния център, които в първичната структура могат да бъдат значително отдалечени един от друг, се събират.
За едноверижните протеини третичната структура е крайната функционална форма. Сложните мултисубединици протеини образуват кватернерна структура, която характеризира разположението на няколко вериги една спрямо друга.
До голяма степен нагъването на полипептидната верига се определя от съотношението на хидрофилни и хидрофобни радикали. Първите са склонни да взаимодействат с водорода (съставен елемент на водата) и следователно са разположени на повърхността, докато хидрофобните секции, напротив, се втурват към центъра на молекулата. Тази конформация е енергийно най-благоприятна. В резултат на това се образува глобула с хидрофобно ядро.
Хидрофилните радикали, които се озовават в центъра на молекулата, взаимодействат помежду си, за да образуват йонни или водородни връзки. Йонни връзки могат да възникнат между противоположно заредени аминокиселинни радикали, които са:
Водородните връзки се образуват от взаимодействието на незаредени (OH, SH, CONH 2) и заредени хидрофилни групи. Ковалентните връзки (най-силните в третичната конформация) възникват между SH групите на цистеиновите остатъци, образувайки така наречените дисулфидни мостове. Обикновено тези групи са отдалечени една от друга в линейна верига и се приближават само по време на процеса на подреждане. Дисулфидните връзки не са общи за повечето вътреклетъчни протеини.
Тъй като връзките, които образуват третичната структура на протеина, са много слаби, брауновото движение на атомите в аминокиселинната верига може да доведе до тяхното разкъсване и образуване на нови места. Това води до лека промяна в пространствената форма на отделните участъци от молекулата, но не нарушава нативната конформация на протеина. Това явление се нарича конформационна лабилност. Последният играе огромна роля във физиологията на клетъчните процеси.
Конформацията на протеина се влияе от неговите взаимодействия с други молекули или промени във физикохимичните параметри на околната среда.
Процесът на сгъване на протеин в естествената му форма се нарича сгъване. Това явление се основава на желанието на молекулата да приеме конформация с минимална стойност на свободната енергия.
Нито един протеин не се нуждае от обучаващи пратеници, за да определи своята третична структура. Моделът на сгъване първоначално е „записан“ в аминокиселинната последователност.
Въпреки това, при нормални условия, ще отнеме повече от трилион години, за да може голяма протеинова молекула да приеме естествената си конформация според първичната си структура. В жива клетка обаче този процес продължава само няколко десетки минути. Такова значително намаляване на времето се осигурява от участието на специализирани спомагателни протеини - фолдази и шаперони - в сгъването.
Сгъването на малки протеинови молекули (до 100 аминокиселини във верига) става доста бързо и без участието на посредници, както показват in vitro експерименти.
Помощните протеини, участващи в сгъването, се разделят на две групи:
И двата вида фактори участват в сгъването, но не са част от крайния продукт.
Фолдазната група е представена от 2 ензима:
По този начин фолдазите играят коригираща роля при формирането на третичната конформация на протеиновата молекула.
Шапероните се наричат по друг начин или стрес. Това се дължи на значително увеличаване на тяхната секреция при негативни въздействия върху клетката (температура, радиация, тежки метали и др.).
Шапероните принадлежат към три семейства протеини: hsp60, hsp70 и hsp90. Тези протеини изпълняват много функции, включително:
По този начин шапероните допринасят за бързото придобиване на енергийно правилна конформация, елиминирайки случайния избор на много опции и защитавайки все още незрелите протеинови молекули от ненужно взаимодействие помежду си. В допълнение, придружителите осигуряват:
В последния случай молекулата на шаперона остава свързана с протеина след завършване на процеса на сгъване.
Нарушаването на третичната структура на протеина под въздействието на всякакви фактори се нарича денатурация. Загубата на нативната конформация възниква, когато голям брой слаби връзки, които стабилизират молекулата, са унищожени. В този случай протеинът губи специфичната си функция, но запазва първичната си структура (пептидните връзки не се разрушават по време на денатурация).
По време на денатурацията настъпва пространствено увеличение на протеиновата молекула и хидрофобните области отново излизат на повърхността. Полипептидната верига придобива конформацията на произволна намотка, чиято форма зависи от това кои връзки от третичната структура на протеина са били разкъсани. В тази форма молекулата е по-податлива на ефектите на протеолитичните ензими.
Има редица физикохимични влияния, които могат да причинят денатурация. Те включват:
След прекратяване на денатуриращия ефект протеинът може да възстанови своята третична структура. Този процес се нарича ренатурация или повторно нагъване. При in vitro условия това е възможно само за малки протеини. В жива клетка повторното нагъване се осигурява от шаперони.
Биохимия- е наука за молекулярната основа на живота, занимава се с изучаването на молекули, химични реакции, процеси, протичащи в живите клетки на тялото. Разделени на:
статичен (структура и свойства на биомолекулите)
динамичен (химия на реакциите)
специални раздели (екологични, биохимия на микроорганизмите, клинични)
Ролята на биохимията при решаването на фундаментални медицински проблеми
поддържане на човешкото здраве
откриване на причините за различни заболявания и намиране на начини за тяхното ефективно лечение.
По този начин всяко заболяване или човешко заболяване е свързано с нарушаване на структурата и свойствата на метаболитите или биомолекулите и също така е свързано с промени в биохимичните реакции, протичащи в тялото. Използването на каквито и да е лечебни методи или медикаменти също се основава на разбирането и прецизното познаване на биохимията на тяхното действие.
Протеините са полипептиди с високо молекулно тегло; конвенционалната граница между протеини и полипептиди обикновено е 8000-10000 единици молекулно тегло. Полипептидите са полимерни съединения с повече от 10 аминокиселинни остатъка на молекула.
Пептидите са съединения, състоящи се от два или повече аминокиселинни остатъка (до 10 протеини съдържат само L-аминокиселини).
Има производни на аминокиселини, например колагенът съдържа хидроксипролин и хидроксилизин. γ-карбоксиглутамат се намира в някои протеини. Нарушеното карбоксилиране на глутамата в протромбина може да доведе до кървене. Фосфосеринът често се среща в протеините.
Есенциалните аминокиселини са тези, които не се синтезират в тялото или
синтезирани в недостатъчни количества или с ниска скорост.
Осем аминокиселини са незаменими за хората: триптофан, фенилаланин,
метионин, лизин, валин, треонин, изолевцин, левцин.
Биохимични функции на аминокиселините:
градивни елементи от пептиди, полипептиди и протеини,
биосинтеза на други аминокиселини (тирозинът се синтезира от фенилаланин, цистеинът се синтезира от метионин)
биосинтеза на някои хормони, например окситацин, вазопресин, инсулин
изходни продукти за образуване на глутатион, креатин
глицинът е необходим за синтеза на порфирин
p - аланин, валин, цистеин форма CoA, триптофан - никотинамид, глутаминова киселина - фолиева киселина
За биосинтеза на нуклеотиди са необходими глутамин, глицин и аспарагинова киселина; глутамин и аспарагинова киселина образуват пиримидинови бази.
11 аминокиселини са глюкогенни, т.е. могат да се метаболизират в глюкоза и други въглеводороди
фенилаланин, тирозин, левцин, лизин и триптофан участват в биосинтезата на някои липиди
10. образуване на урея, въглероден диоксид и енергия под формата на АТФ.
Първичната структура се отнася до последователността от аминокиселини във веригата; те са свързани една с друга чрез ковалентни пептидни връзки. Полипептидната верига започва с остатък със свободна аминогрупа (N - край) и завършва със свободен COOH - край.
Първичната структура също включва взаимодействието между цистеиновите остатъци с образуването на дисулфидни връзки.
По този начин първичната структура е описание на всички ковалентни връзки в протеинова молекула.
Пептидната връзка се характеризира с полярност, което се дължи на факта, че връзката между N и C е частично по природа на двойна връзка. Въртенето е трудно и пептидната връзка има твърда структура. Последователността на аминокиселините е генетично строго определена, тя определя естествената природа на протеина и неговите функции в тялото.
1951 г. - дешифрирана е вторичната структура (плътно усуканата главна верига на полипептида, която изгражда вътрешната част на пръчката, страничните вериги са насочени навън, подредени в спирала) Всички -C=O- N-H- групи на основите на веригата са свързани с водородни връзки.
Водородните връзки правят а-спиралата по-стабилна.
Друг тип вторична структура е p-нагънатият слой. Това са паралелни полипептидни вериги, които са омрежени чрез водородни връзки. Възможно е такива р-формации да се усукват, което придава на протеина по-голяма здравина.
Третият вид вторична структура е характерна за колагена. Всяка от трите полипептидни вериги на колагеновия прекурсор (тропоколаген) има спираловидна форма. Три такива спирални вериги се усукват една спрямо друга, образувайки стегната нишка.
Спецификата на този тип структура се дължи на наличието на водородни връзки само между глицинови, пролинови и хидроксипролинови остатъци, както и на вътрешно- и междумолекулни ковалентни напречни връзки.
