Обусловлена взаимодействием аминокислотных остатков, далеко отстоящих друг от друга в линейной последовательности. Факторы поддержания:
водородные связи
гидрофобные взаимодействия (нужны для структуры и биологических функций белка)
дисульфидные и солевые мостики
ионные и ван-дер-ваальсовы связи.
В большинстве белков на поверхности молекул находятся остатки аминокислотных радикалов, обладающих гидрофильными свойствами. УВ - радикалы, которые являются гидрофобными расположены внутри молекул. Такое распределение имеет важное значение в формировании нативной структуры и свойств белка.
В результате белки имеют гидрарную оболочку, а стабилизация третичной структуры во многом обусловлена гидрофобными взаимодействиями. Например, 25-30% аминокислотных остатков в молекулах глобулина имеют выраженные гидрофобные радикалы, 45-50% содержат ионные и полярные радикальные группы.
Боковые цепи аминокислотных остатков, которые отвечают за структуру белков различают по размеру, форме, заряду и способности образовывать водородные связи, также по химической реактивности:
алифатические боковые цепи, например, у валина, аланина. Именно эти остатки формируют гидрофобные взаимодействия.
гидроксилированные алифатические (серии, треонин). Эти аминокислотные остатки принимают участие в формировании водородных связей, а также сложных эфиров, например, с серной кислотой.
ароматические - это остатки фенилаланина, тирозина, триптофана.
аминокислотные остатки с основными свойствами (лизин, аргинин, гистидин). Преобладание в полипептидной цепи таких аминокислот придает белкам основные свойства.
остатки, обладающие кислотными свойствами (аспарагиновая и глутаминовая кислоты)
амидные (аспарагин, глутамин)
Белки, содержащие несколько полипептидных цепей, обладают четвертичной структурой. Здесь подразумевается способ укладки цепей относительно друг друга. Такие ферменты называют субъединицами. В настоящее время принято использовать термин «домен», которым обозначают компактную глобулярную единицу белковой молекулы. Многие белки состоят из нескольких таких единиц с массой от 10 до 20кДа. В белках большой молекулярной массы отдельные домены соединяются относительно гибкими участками ППЦ. В организме животных и человека присутствуют ещё более сложные структурные организации белков, примером которых могут быть мультиферментные системы, в частности пируватдекарбоксилазный комплекс.
При определенных значениях рН и температуры ППЦ обладает, как правило, только одной конформацией, которая называется нативной и при которой белок в организме выполняет свою специфическую функцию. Почти всегда эта единственная конформация в энергетическом отношении преобладает над десятками и сотнями вариантов других конформаций.
Удовлетворительной классификации белков не существует, они условно классифицируются по пространственному строению, растворимости, биологическим функциям, физико - химическим свойствам и другим признакам.
1. по строению и форме молекул белки подразделяют на:
глобулярные (сферические)
фибриллярные(нитевидные)
2. по химическому составу делятся на:
Простые, которые состоят только из аминокислотных остатков
Сложные, имеют в составе молекулы соединения небелковой природы. Классификация сложных белков основана на химической природе небелковых компонентов.
Один из главных типов классификации:
З.по выполняемым биологическим функциям:
Ферментативный катализ. В биологических системах все химические реакции катализируются специфическими белками-ферментами. Известно более 2000
ферментов. Ферменты - мощные биокатализаторы, которые ускоряют реакцию как минимум в 1 млн. раз.
Транспорт и накопление
Перенос многих молекул небольшого размера и различных ионов часто осуществляется специфическими белками, например гемоглобином, миоглобином, которые переносят кислород. Пример накопления: ферритин накапливается в печени.
координированное движение. Белки являются основным компонентом сократительных мышц (актиновые и миозиновые волокна). Движение на микроскопическом уровне - это расхождение хромосом во время митоза, движение сперматозоидов за счёт жгутиков.
механическая опора. Высокая упругость кожи и костей обусловлена наличием фибриллярного белка - коллагена.
иммунная защита. Антитела - это высокоспецифические белки, способные узнавать и связывать вирусы, бактерии, клетки других организмов.
Генерирование и передача импульсов. Ответ нервных клеток на импульсы опосредован рецепторными белками
регуляция роста и дифференцировки. Строгая регуляция последовательности экспрессии генетической информации необходима для роста дифференцировки клеток. В любой отрезок времени жизни организма экспрессируется только небольшая часть генома клетки. Например, под действием специфического белкового комплекса формируется сеть нейронов у высших организмов.
К другим функциям пептидов и белков относят гормональные. После того как человек научился осуществлять синтез гормональных пептидов, они стали иметь исключительно важное биомедицинское значение. Пептидами являются различные антибиотики, например, валиномицин, противоопухолевые препараты. Кроме того белки выполняют функции механической защиты (кератин волос или слизистые образования, выстилающие ЖКТ или полость рта).
Основное проявление существования любых живых организмов - это воспроизведение себе подобных. В конечном итоге, наследственная информация представляет собой кодирование последовательности аминокислот всех белков организма. На здоровье человека влияют белковые токсины.
Молекулярная масса белков измеряется в дальтонах (Да) - это единица массы, практически равная массе водорода (-1,000). Термин дальтон и молекулярная масса вводятся как взаимозаменяемые. Mr большинства белков находится в пределах от 10 до 100000.
Доказано существование 4 уровней структурной организации белковой молекулы.
Первичная структура белка – последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи. В белках отдельные аминокислоты связаны друг с другом пептидными связями , возникающими при взаимодействии a-карбоксильных и a-аминогрупп аминокислот.
К настоящему времени расшифрована первичная структура десятков тысяч разных белков. Для определения первичной структуры белка методами гидролиза выясняют аминокислотный состав. Затем определяют химическую природу концевых аминокислот. Следующий этап - определение последовательности аминокислот в полипептидной цепи. Для этого используют избирательный частичный (химический и ферментативный) гидролиз. Возможно применение рентгеноструктурного анализа, а также данных о комплементарной нуклеотидной последовательности ДНК.
Вторичная структура белка – конфигурация полипептидной цепи, т.е. способ упаковки полипептидной цепи в определенную конформацию. Процесс этот протекает не хаотично, а в соответствии с программой, заложенной в первичной структуре.
Стабильность вторичной структуры обеспечивается в основном водородными связями, однако определенный вклад вносят ковалентные связи – пептидные и дисульфидные.
Наиболее вероятным типом строения глобулярных белков считают a-спираль . Закручивание полипептидной цепи происходит по часовой стрелке. Для каждого белка характерна определенная степень спирализации. Если цепи гемоглобина спирализованы на 75%, то пепсина-всего на 30%.
Тип конфигурации полипептидных цепей, обнаруженных в белках волос, шелка, мышц, получил название b-структуры . Сегменты пептидной цепи располагаются в один слой, образуя фигуру, подобную листу, сложенному в гармошку. Слой может быть образован двумя или большим количеством пептидных цепей.
В природе существуют белки, строение которых не соответствует ни β-, ни a-структуре, например, коллаген - фибриллярный белок, составляющий основную массу соединительной ткани в организме человека и животных.
Третичная структура белка – пространственная ориентация полипептидной спирали или способ укладки полипептидной цепи в определенном объеме. Первый белок, третичная структура которого была выяснена рентгеноструктурным анализом - миоглобин кашалота (рис. 2).
В стабилизации пространственной структуры белков, помимо ковалентных связей, основную роль играют нековалентные связи (водородные, электростатические взаимодействия заряженных групп, межмолекулярные ван-дер-ваальсовы силы, гидрофобные взаимодействия и т.д.).
По современным представлениям, третичная структура белка после завершения его синтеза формируется самопроизвольно. Основной движущей силой является взаимодействие радикалов аминокислот с молекулами воды. При этом неполярные гидрофобные радикалы аминокислот погружаются внутрь белковой молекулы, а полярные радикалы ориентируются в сторону воды. Процесс формирование нативной пространственной структуры полипептидной цепи называют фолдингом . Из клеток выделены белки, названные шаперонами. Они участвуют в фолдинге. Описан ряд наследственных заболеваний человека, развитие которых связывают с нарушением вследствие мутаций процесса фолдинга (пигментозы, фиброзы и др.).
Методами рентгеноструктурного анализа доказано существование уровней структурной организации белковой молекулы, промежуточных между вторичной и третичной структурами. Домен - это компактная глобулярная структурная единица внутри полипептидной цепи (рис. 3). Открыто много белков (например, иммуноглобулины), состоящих из разных по структуре и функциям доменов, кодируемых разными генами.
Все биологические свойства белков связаны с сохранностью их третичной структуры, которую называют нативной . Белковая глобула не является абсолютно жесткой структурой: возможны обратимые перемещения частей пептидной цепи. Эти изменения не нарушают общей конформации молекулы. На конформацию молекулы белка оказывают влияние рН среды, ионная сила раствора, взаимодействие с другими веществами. Любые воздействия, приводящие к нарушению нативной конформации молекулы, сопровождаются частичной или полной потерей белком его биологических свойств.
Четвертичная структура белка - способ укладки в пространстве отдельных полипептидных цепей, обладающих одинаковой или разной первичной, вторичной или третичной структурой, и формирование единого в структурном и функциональном отношениях макромолекулярного образования.
Белковую молекулу, состоящую из нескольких полипептидных цепей, называют олигомером , а каждую входящую в него цепь - протомером . Олигомерные белки чаще построены из четного числа протомеров, например, молекула гемоглобина состоит из двух a- и двух b-полипептидных цепей (рис. 4).
Четвертичной структурой обладает около 5% белков, в том числе гемоглобин, иммуноглобулины. Субъединичное строение свойственно многим ферментам.
Белковые молекулы, входящие в состав белка с четвертичной структурой, образуются на рибосомах по отдельности и лишь после окончания синтеза образуют общую надмолекулярную структуру. Биологическую активность белок приобретает только при объединении входящих в его состав протомеров. В стабилизации четвертичной структуры принимают участие те же типы взаимодействий, что и в стабилизации третичной.
Некоторые исследователи признают существование пятого уровня структурной организации белков. Это метаболоны - полифункциональные макромолекулярные комплексы разных ферментов, катализирующих весь путь превращений субстрата (синтетазы высших жирных кислот, пируватдегидрогеназный комплекс, дыхательная цепь).
Специфичность первичной структуры белка. Особенности образования пептидной связи. Определяющая роль первичной структуры в формировании более высоких уровней организации белковой молекулы.
Первичная структура белка.
Первичной структурой белков называется линейная полипептидная цепь из аминокислот, соединенных между собой пептидными связями. Первичная структура - простейший уровень структурной организации белковой молекулы. Высокую стабильность ей придают ковалентные пептидные связи между α-аминогруппой одной аминокислоты и α-карбоксильной группой другой аминокислоты.
Если в образовании пептидной связи участвует иминогруппа пролина или гидроксипролина, то она имеет другой вид.
При образовании пептидных связей в клетках сначала активируется карбоксильная группа одной аминокислоты, а затем она соединяется с аминогруппой другой. Примерно так же проводят лабораторный синтез полипептидов.
Пептидная связь является повторяющимся фрагментом полипептидной цепи. Она имеет ряд особенностей, которые влияют не только на форму первичной структуры, но и на высшие уровни организации полипептидной цепи:
Копланарность - все атомы, входящие в пептидную группу, находятся в одной плоскости;
Способность существовать в двух резонансных формах (кето- или енольной форме);
Транс-положение заместителей по отношению к С-N-связи;
Способность к образованию водородных связей, причем каждая из пептидных групп может образовывать две водородные связи с другими группами, в том числе и пептидными.
Исключение составляют пептидные группы с участием аминогруппы пролина или гидроксипролина. Они способны образовывать только одну водородную связь (см. выше). Это сказывается на формировании вторичной структуры белка. Полипептидная цепь на участке, где находится пролин или гидроксипролин, легко изгибается, так как не удерживается, как обычно, второй водородной связью.
4.Вторичная структура белка . Связи, стабилизирующие вторичную структуру, α-спираль. Факторы, нарушающие спирализацию. β-складчатая структура, особенности конформационного строения.
Вторичная структура белка – конфигурация полипептидной цепи, т.е. способ укладки полипептидной цепи в определенную конформацию.
Процесс этот протекает не беспорядочно, а в соответствии с первичной структурой белка.
Вторичная структура поддерживается в основном водородными связями, хотя для некоторых белков определенный вклад вносят пептидные и дисульфидные ковалентные связи.
Наиболее вероятным типом вторичной структуры глобулярных белков является -спираль. Закручивание полипептидной цепи в спираль происходит по часовой стрелке. Для каждого белка характерна определенная степень спирализации. Так, полипептидные цепи гемоглобина спирализованы на 75%, а молекула пепсина - на 30%.
Тип конфигурации полипептидных цепей, когда сегменты пептидной цепи располагаются в один слой, образуя структуру, подобную листу, сложенному в гармошку, называется -структурой. Такой тип вторичной структуры обнаружен в белках мышц, волос, шелка. -Слой может быть внутримолекулярным, а также образованным двумя или более полипептидными цепями.
Способность к образованию водородных связей, являющихся движущей силой при возникновении α- и β-структур в белковой молекуле, выражена у разных аминокислот в неодинаковой степени. Выделяют группу спиралеобразующих аминокислот: ала, глн, глу, лей, мет, лиз, гис. Вал, иле, тир, тре, фен способствуют образованию -структур полипептидной цепи. Наличие сер, гли, про, асн, асп приводит к преимущественному образованию неупорядоченных фрагментов в белковой молекуле.
В природе существуют белки, строение которых не соответствует ни
β-, ни -структуре (коллаген).
5.Третичная структура белка. Связи, стабилизирующие третичную структуру (ковалентные, ионные, гидрофобные, водородные, Ван-дер-Ваальса).
Третичная структура белка – пространственная ориентация полипептидной спирали или способ укладки полипептидной цепи в определенном объеме. Первый белок, Третичная структура белка (миоглобин кашалота) впервые была установлена методом рентгеноструктурного анализа (рис. 2).
В стабилизации пространственной структуры белков, помимо ковалентных связей, основная роль принадлежит нековалентным связям (межмолекулярные ван-дер-ваальсовы силы, водородные связи, электростатические взаимодействия ионизированных групп, гидрофобные взаимодействия и т.д.).
Методом рентгеноструктурного анализа установлено существование специфических уровней структурной организации белковой молекулы, промежуточных между вторичной и третичной структурами. Домен - это компактная глобулярная структурная единица внутри полипептидной цепи (рис. 3). Открыты белки (в частности, иммуноглобулины), в которых существуют различные по структуре и функциям домены.
Согласно современным представлениям, белка после окончания синтеза белка его третичная структура формируется самопроизвольно. Процесс формирования нативной пространственной структуры полипептидной цепи - фолдинг. Основной движущей силой фолдинга является взаимодействие радикалов аминокислот с молекулами воды. При этом гидрофобные радикалы аминокислот ориентируются внутрь белковой молекулы, а гидрофильные радикалы повернуты в сторону воды.
В клетках существуют белки, названные шаперонами. Их основная функция - участие в фолдинге (рис. 4). Описан ряд заболеваний человека, имеющих наследственную природу, возникновение которых связывают с нарушением процесса фолдинга вследствие мутаций (пигментозы, фиброзы и др.).
Все биологические свойства белков связаны с образованием и сохранностью третичной структуры, называемой нативной. Белковая глобула не является абсолютно жесткой структурой: возможны обратимые перемещения фрагментов полипептидной цепи. Эти изменения не приводят к нарушению общей конформации молекулы. Факторы, влияющие на конформацию белковой молекулы - ионная сила раствора, рН среды, взаимодействие с компонентами раствора. Любые воздействия, приводящие к нарушению нативной структуры молекулы, приводят к частичной или полной утрате белком его биологических свойств.
6.Четвертичная структура белка. Понятие о мономерах и олигомерах. Зависимость свойств белка от его конформации. Взаимосвязь структуры и функции.
Четвертичная структура белка - укладка отдельных полипептидных цепей, обладающих специфической первичной, вторичной или третичной структурой, в пространстве, и формирование единого макромолекулярного образования.
Белок, состоящий из нескольких полипептидных цепей, называют олигомером, а каждую входящую в него полипептидную цепь - протомером. Олигомерные белки, как правило, состоят из четного числа псубъединиц, например, молекула гемоглобина построена из двух - и двух -полипептидных цепей (рис. 5).
Четвертичную структуру имеют около 5% белков, такие как ферритин, иммуноглобулины. Субъединичное строение свойственно многим ферментам, в первую очередь тем, которые выполняют сложные функции. Почти все ДНК- и РНК-полимеразы имеют четвертичную структуру. Полипептидные цепи, входящие в состав белка с четвертичной структурой, образуются на рибосомах по отдельности. Только после завершения синтеза происходит их объединение в надмолекулярную структуру. Биологическую активность белок приобретает на уровне четвертичной структуры. Стабилизация четвертичной структуры происходит при участии тех же связей, что и при формировании третичной структуры, за исключением ковалентных связей.
Ряд исследователей признают наличие пятого уровня структурной организации белков. Полифункциональные макромолекулярные комплексы разных ферментов, катализирующие весь путь превращений субстрата, получили назвение метаболонов (пируватдегидрогеназный комплекс, синтетазы ВЖК, дыхательная цепь).
Белок, выполняющий специфическую функцию в метаболизме клетки, может быть представлен несколькими формами - изофункциональными белками, или изобелками. В эритроцитах крови человека обнаружено несколько форм гемоглобина: У взрослого человека преобладающей формой является НbА. Ч Для эмбриональной стадии развития человека характерен фетальный гемоглобин HbF. Все формы гемоглобинов выполняют функцию переноса кислорода из легких в ткани, однако свойства разных гемоглобинов отличаются.
Понятие нативный белок. Понятие об аллостерических белках.
Нативный белок - белок, обладающий определенной биологической активностью.
8.Основные функции простых и сложных белков в организме: структурная, каталитическая, рецепторная, регуляторная, транспортная, защитная, сократительная и другие.
Структурная функция. В комплексе с липидами белки участвуют в образовании биомембран клеток. Структурные белки цитоскелета придают форму клеткам и многим органоидам. Примерами структурных белков являются коллаген в соединительной ткани, кератин в волосах, коже, ногтях.
Сократительная (двигательная) функция. Сократительную функцию выполняют мышечные белки (актин и миозин). Белки цитоскелета необходимы для расхождения хромосом в процессе митоза.
Питательная (резервная) функция. Овальбумины(белки яйца) - источники питания для плода. Казеин - белок молока - также выполняет питательную функцию.
Каталитическая функция. Большинство известных в настоящее время ферментов (биологических катализаторов) является белками.
Транспортная функция. Белок эритроцитов гемоглобин участвует в переносе кислорода и углекислого газа, выполняя дыхательную функцию. Альбумины сыворотки крови участвуют в транспорте липидов.
Защитная функция. В ответ на поступление в организм вирусов, бактерий, чужеродных белков, токсинов образуются защитные белки - антитела (иммунная защита). Специфические белки плазмы крови способны к свертыванию, что предохраняет от кровопотери при кровотечениях (физическая защита).
Рецепторная функция. Клеточные белки образуют специфические рецепторы и участвуют в передаче гормонального сигнала.
Гормональная функция. Группа гормонов являются белками или полипептидами, например, гормон гипофиза вазопрессин.
Другие важные функции белков - буферные свойства (обеспечение физиологического значенияе рН внутренней среды), поддержаниеь онкотического давлениея в клетках и крови, и др.
В организме людей и животных содержание белка значительно выше, чем у растений. В мышцах, легких, селезенке, почках белками приходится более 70-80% сухой массы в печени - 57%, в мозге - 45%. Низкое содержание белка в кости и в зубах - 20 и 18%. Неодинаковое содержание белка и в разных субклеточных органеллах. Больше белка в гиалоплазме (внутриклеточный сок). Если принять общий белок клетки за 100%, то на гиалоплазму приходится 40%. Митохондрии и микросомы содержат по 20%, ядро - 12%, лизосомы - 2%, пероксисомы - 2,5%, плазматическая мембрана - 1,5% белка.
В состав некоторых белков входят фосфор (0,2-2%), железо и другие элементы. Наиболее постоянным для белков животного, растительного и микробного происхождения содержание азота - в среднем 16%, на этой основе по содержанию азота рассчитывают количество белка: массу азота, установленную анализом, умножают на коэффициент 6,25 (100:16 = 6,25) .
Размер белковых молекул лежит в пределах 1 мкм до 1 нм
Гель-фильтрация, или метод молекулярных сит
Для разделения белков часто используют хроматографические методы, основанные на распределении веществ между двумя фазами, одна из которых подвижная, а другая неподвижная. В основу хроматографических методов положены разные принципы: гель-фильтрации, ионного обмена, адсорбции, биологического сродства.
Метод разделения белков с помощью гель-фильтрационной хроматографии основан на том, что вещества, отличающиеся молекулярной массой, по-разному распределяются между неподвижной и подвижной фазами. Хроматографическая колонка заполняется гранулами пористого вещества (сефадекс, агароза и др.). В структуре полисахарида образуются поперечные связи и формируются гранулы с "порами", через которые легко проходят вода и низкомолекулярные вещества. В зависимости от условий можно формировать гранулы с разной величиной "пор".
Неподвижная фаза - жидкость внутри гранул, в которую способны проникать низкомолекулярные вещества и белки с небольшой молекулярной массой. Смесь белков, нанесённую на хроматографическую колонку, вымывают (элюируют), пропуская через колонку растворитель. Вместе с фронтом растворителя движутся и самые крупные молекулы.
Более мелкие молекулы диффундируют внутрь гранул сефадекса и на некоторое время попадают в неподвижную фазу, в результате чего их движение задерживается. Величина пор определяет размер молекул, способных проникать внутрь гранул (рис. 1-55).
Так как гелевая структура сефадекса легко деформируется под давлением, гели стали заменять более жёсткими матрицами (сефактил, той-оперл), представляющими сферические гранулы с разными размерами пор. Выбор размеров пор в гранулах зависит от целей хроматографии (о других хроматографических методах будет сказано ниже).
Третичной структурой белка называется способ укладки полипептидной цепи в трехмерном пространстве. Такая конформация возникает за счет образования химических связей между удаленными друг от друга аминокислотными радикалами. Этот процесс осуществляется при участии молекулярных механизмов клетки и играет огромную роль в придании белкам функциональной активности.
Для третичной структуры белков характерны следующие типы химических взаимодействий:
Все эти связи (кроме ковалентной дисульфидной) очень слабые, однако за счет количества стабилизируют пространственную форму молекулы.
Фактически третий уровень укладки полипептидных цепей представляет собой комбинацию различных элементов вторичной структуры (α-спиралей; β-складчатых слоев и петель), которые ориентируются в пространстве за счет химических взаимодействий между боковыми аминокислотными радикалами. Для схематичного обозначения третичной структуры белка α-спирали обозначаются цилиндрами или спирально закрученными линиями, складчатые слои — стрелками, а петли — простыми линиями.
Характер третичной конформации определяется последовательностью аминокислот в цепи, поэтому двум молекулам с одинаковой первичной структурой при равных условиях будет соответствовать один и тот же вариант пространственной укладки. Такая конформация обеспечивает функциональную активность белка и называется нативной.
В процессе укладки белковой молекулы происходит сближение компонентов активного центра, которые в первичной структуре могут быть значительно удалены друг от друга.
Для одноцепочечных белков третичная структура является конечной функциональной формой. Сложные многосубъединичные белки образуют четвертичную структуру, которая характеризует расположение нескольких цепей по отношению друг к другу.
В значительной степени сворачивание полипептидной цепи обусловлено соотношением гидрофильных и гидрофобных радикалов. Первые стремятся вступить во взаимодействие с водородом (составным элементом воды) и потому находятся на поверхности, а гидрофобные участки наоборот устремляются в центр молекулы. Такая конформация энергетически наиболее выгодна. В результате формируется глобула с гидрофобной сердцевиной.
Гидрофильные радикалы, которые все же попадают в центр молекулы, взаимодействуют друг с другом с образованием ионных или водородных связей. Ионные связи могут возникать между противоположно заряженными аминокислотными радикалами, в качестве которых выступают:
Водородные связи образуются при взаимодействии незаряженных (OH, SH, CONH 2) и заряженных гидрофильных групп. Ковалентные связи (самые прочные в третичной конформации) возникают между SH-группами цистеиновых остатков, формируя так называемые дисульфидные мостики. Обычно эти группы удалены друг от друга в линейной цепи и сближаются только в процессе укладки. Дисульфидные связи не характерны для большинства внутриклеточных белков.
Так как связи, формирующие третичную структуру белка, очень слабые, броуновское движение атомов в аминокислотной цепи может привести к их разрыву и образованию в новых местах. Это приводит к незначительному изменению пространственной формы отдельных участков молекулы, но не нарушает нативную конформацию белка. Такое явление называют конформационной лабильностью. Последняя играет огромную роль в физиологии клеточных процессов.
На конформацию белка влияют его взаимодействия с другими молекулами или изменения физико-химических параметров среды.
Процесс укладки белка в нативную форму называется фолдингом. В основе этого явления лежит стремление молекулы принять конформацию с минимальным значением свободной энергии.
Ни один белок не нуждается в посредниках-инструкторах, которые будут определять третичную структуру. Схема укладки изначально "записана" в последовательности аминокислот.
Однако при обычных условиях, для того чтобы крупная белковая молекула приняла нативную конформацию соответственно первичной структуре, ей потребовалось бы более триллиона лет. Тем не менее в живой клетке этот процесс длится всего лишь несколько десятков минут. Столь значительное сокращение времени обеспечивается участием в фолдинге специализированных вспомогательных белков — фолдаз и шаперонов.
Сворачивание маленьких белковых молекул (до 100 аминокислот в цепи) происходит достаточно быстро и без участия посредников, что показали эксперименты in vitro.
Участвующие в фолдинге вспомогательные белки делятся на две группы:
Оба типа факторов участвуют в фолдинге, но не входят в состав конечного продукта.
Группу фолдаз представляют 2 фермента:
Таким образом, фолдазы выполняют корректирующую роль в образовании третичной конформации белковой молекулы.
Шапероны иначе называются или стресса. Это связано со значительным увеличением их секреции при отрицательных воздействиях на клетку (температура, радиация, тяжелые металлы и т. д.).
Шапероны принадлежат к трем семействам белков: hsp60, hsp70 и hsp90. Эти протеины выполняют множество функции, включая:
Таким образом, шапероны способствуют быстрому приобретению энергитически правильной конформации, исключая случайный перебор множества вариантов и ограждая еще не созревшие белковые молекулы от ненужного взаимодействия друг с другом. Кроме этого, шапероны обеспечивают:
В последнем случае молекула шаперона остается связанной с белком по завершении процесса укладки.
Нарушение третичной структуры белка под воздействием каких-либо факторов называется денатурацией. Потеря нативной конформации происходит при разрушении большого количества слабых связей, стабилизирующих молекулу. При этом белок теряет свою специфическую функцию, но сохраняет первичную структуру (пептидные связи во время денатурации не разрушаются).
При денатурации происходит пространственное увеличение белковой молекулы, а гидрофобные участки вновь выходят на поверхность. Полипептидная цепь приобретает конформацию беспорядочного клубка, форма которого зависит от того, какие связи третичной структуры белка были разорваны. В таком виде молекула более восприимчива к воздействию протеолитических ферментов.
Существует целый ряд физико-химических воздействий, способных вызвать денатурацию. К ним относят:
После прекращения денатурирующего воздействия белок может восстановить третичную структуру. Этот процесс называется ренатурацией или рефолдингом. В условиях in vitro такое возможно только для небольших белков. В живой клетке рефолдинг обеспечивают шапероны.
Биохимия - это наука о молекулярных основах жизни, занимается изучением молекул, химических реакций, процессов, протекающих в живых клетках организма. Подразделяется на:
статическую (строение и свойства биомолекул)
динамическую (химизм реакций)
специальные разделы (экологическая, биохимия микроорганизмов, клиническая)
Роль биохимии в решении основополагающих медицинских проблем
сохранение здоровья человека
выяснение причин различных заболеваний и изыскание путей их эффективного лечения.
Таким образом, любое недомогание, заболевание человека связано с нарушением строения и свойств метаболитов или биомолекул, также связано с изменениями биохимических реакций, протекающих в организме. Применение любых способов лечения, лекарственных препаратов также основывается на понимании и точном знании биохимизма их действия.
Белки - это высокомолекулярные полипептиды, условная граница между белками и полипептидами обычно составляет 8000-10000 единиц молекулярной массы. Полипептиды - это полимерные соединения, имеющие более 10 остатков аминокислот в молекуле.
Пептиды - это соединения, состоящие из двух и более остатков аминокислот (до 10) В состав белков входят только L-аминокислоты.
Встречаются производные аминокислот, например, в состав коллагена входит гидроксипролин и гидроксилизин. В некоторых белках обнаруживается у -карбоксиглутамат. Нарушение карбоксилирования глутамата в протромбине может привести к кровотечению. Часто в белках встречается фосфосерин.
Незаменимые аминокислоты - это те, которые не синтезируются в организме или
синтезируются в недостаточном количестве или с малой скоростью.
Для человека незаменимыми являются 8 аминокислот: триптофан, фенилаланин,
метионин, лизин, валин, треонин, изолейцин, лейцин.
Биохимические функции аминокислот:
строительные блоки пептидов, полипептидов и белков,
биосинтез других аминокислот (из фенилаланина синтезируется тирозин, из метионина - цистеин)
биосинтез некоторых гормонов, например, окситацина, вазопрессина, инсулина
исходные продукты для образования глутатиона, креатина
глицин необходим для синтеза порфирина
р - аланин, валин, цистеин образуют КоА, триптофан - никотинамид, глутаминовая кислота - фолиевую кислоту
для биосинтеза нуклеотидов необходим глутамин, глицин, аспарагиновая кислота, они образуют пуриновые основания, глутамин и аспарагиновая кислота - пиримидиновые
11 аминокислот являются глюкогенными, то есть способны метаболизироваться в глюкозу и другие УВ
фенилаланин, тирозин, лейцин, лизин и триптофан принимают участие в биосинтезе некоторых липидов
10.образование мочевины, углекислоты и энергии в виде АТФ.
Под первичной структурой понимают последовательность аминокислот в цепи, они соединены между собой ковалентными пептидными связями. Полипептидная цепь начинается с остатка, имеющего свободную аминогруппу (N - конец) и завершается свободным СООН - концом.
К первичной структуре также относят взаимодействие между остатками цистеина с образованием дисульфидных связей.
Таким образом, первичная структура - это описание всех ковалентных связей в молекуле белка.
Пептидная связь отличается полярностью, что обусловлено тем, что связь между N и С частично носит характер двойной связи. Вращение затруднено и пептидная связь имеет жесткую структуру. Последовательность аминокислот генетически строго детерминирована, она определяет нативную природу белка и его функции в организме.
1951 г. - была расшифрована вторичная структура (тугозакрученная основная цепь полипептида, которая составляет внутреннюю часть стержня, боковые цепи направлены наружу, располагаясь по спирали) Все -С=О- N-H- группы оснований цепи связаны водордными связями.
Водородные связи делают а - спираль более устойчивой.
Другой тип вторичной структуры - это р - складчатый слой. Это параллельно лежащие полипептидные цепи, которые сшиты водородными связями. Возможно закручивание таких р - образований, что придает белку большую прочность.
Третий тип вторичной структуры характерен для коллагена. Каждая из трех полипептидных цепей предшественника коллагена (тропоколлаген) имеет форму спирали. Три такие спирализованные цепи закручиваются относительно друг друга, образуя тугую нить.
Специфика такого типа структуры обусловлена наличием водородных связей сугубо между остатками глицина, пролина и гидроксипролина, а также внутри- и межмолекулярных ковалентных поперечных связей.
