Proteine: structură și funcții. Proprietățile proteinelor. Compoziția și structura proteinelor Ce funcție îndeplinesc proteinele enzimatice?

1. De ce proteinele sunt considerate polimeri?

Răspuns. Proteinele sunt polimeri, adică molecule construite ca lanțuri din unități monomerice repetate, sau subunități, constând din aminoacizi legați într-o anumită secvență printr-o legătură peptidică. Ele sunt componentele de bază și necesare ale tuturor organismelor.

Există proteine ​​simple (proteine) și proteine ​​complexe (proteide). Proteinele sunt proteine ​​ale căror molecule conțin doar componente proteice. Când sunt complet hidrolizați, se formează aminoacizi.

Proteidele sunt proteine ​​complexe ale căror molecule diferă semnificativ de moleculele proteice prin faptul că, pe lângă componenta proteică în sine, conțin o componentă cu greutate moleculară mică de natură non-proteică.

2. Ce funcții ale proteinelor cunoașteți?

Răspuns. Proteinele îndeplinesc următoarele funcții: de construcție, energetică, catalitică, de protecție, de transport, contractilă, de semnalizare și altele.

Întrebări după § 11

1. Ce substanțe se numesc proteine?

Răspuns. Proteinele, sau proteinele, sunt polimeri biologici ai căror monomeri sunt aminoacizi. Toți aminoacizii au o grupă amino (-NH2) și o grupă carboxil (-COOH) și diferă în structura și proprietățile radicalilor. Aminoacizii sunt legați între ei prin legături peptidice, motiv pentru care proteinele sunt numite și polipeptide.

Răspuns. Moleculele de proteine ​​pot lua diferite forme spațiale - conformații, care reprezintă patru niveluri ale organizării lor. Secvența liniară a aminoacizilor dintr-un lanț polipeptidic reprezintă structura primară a unei proteine. Este unică pentru orice proteină și determină forma, proprietățile și funcțiile acesteia.

3. Cum se formează structurile proteice secundare, terțiare și cuaternare?

Răspuns. Structura secundară a unei proteine ​​este formată prin formarea de legături de hidrogen între grupările -CO- și -NH-. În acest caz, lanțul polipeptidic se răsucește într-o spirală. Helixul poate dobândi o configurație globulară, deoarece între radicalii de aminoacizi din helix apar diferite legături. Un globul este structura terțiară a unei proteine. Dacă mai multe globule se combină într-un singur complex complex, apare o structură cuaternară. De exemplu, hemoglobina din sângele uman este formată din patru globule.

4. Ce este denaturarea proteinelor?

Răspuns. Încălcarea structurii naturale a unei proteine ​​se numește denaturare. Sub influența unui număr de factori (chimici, radioactivi, temperatură etc.), structurile cuaternare, terțiare și secundare ale proteinei pot fi distruse. Dacă efectul factorului încetează, proteina își poate restabili structura. Dacă efectul factorului crește, structura primară a proteinei - lanțul polipeptidic - este de asemenea distrusă. Acesta este un proces ireversibil - proteina nu își poate restabili structura

5. Pe ce bază se împart proteinele în simple și complexe?

Răspuns. Proteinele simple constau numai din aminoacizi. Proteinele complexe pot include și alte substanțe organice: glucide (numite atunci glicoproteine), grăsimi (lipoproteine), acizi nucleici (nucleoproteine).

6. Ce funcții ale proteinelor cunoașteți?

Răspuns. Funcția de construcție (plastic). Proteinele sunt o componentă structurală a membranelor biologice și a organelelor celulare și fac, de asemenea, parte din structurile de susținere ale corpului, părului, unghiilor și vaselor de sânge. Funcția enzimatică. Proteinele servesc ca enzime, adică catalizatori biologici care accelerează viteza reacțiilor biochimice de zeci și sute de milioane de ori. Un exemplu este amilaza, care descompune amidonul în monozaharide. Funcția contractilă (motorie). Este realizat de proteine ​​speciale contractile care asigură mișcarea celulelor și a structurilor intracelulare. Datorită acestora, cromozomii se mișcă în timpul diviziunii celulare, iar flagelii și cilii mută celulele protozoare. Proprietățile contractile ale proteinelor actină și miozină stau la baza funcției musculare. Funcția de transport. Proteinele sunt implicate în transportul moleculelor și ionilor în organism (hemoglobina transportă oxigenul de la plămâni la organe și țesuturi, albumina serică este implicată în transportul acizilor grași). Funcție de protecție. Constă în protejarea organismului de deteriorarea și invazia proteinelor și bacteriilor străine. Proteinele anticorpilor produse de limfocite creează apărarea organismului împotriva infecțiilor străine; trombina și fibrina sunt implicate în formarea unui cheag de sânge, ajutând astfel organismul să evite pierderile mari de sânge. Funcția de reglementare. Este realizat de proteinele hormonale. Ele participă la reglarea activității celulelor și a tuturor proceselor vitale ale corpului. Astfel, insulina reglează nivelul zahărului din sânge și le menține la un anumit nivel. Funcția semnal. Proteinele încorporate în membrana celulară sunt capabile să își schimbe structura ca răspuns la iritație. Astfel, semnalele sunt transmise din mediul extern în celulă. Funcția energetică. Este realizat de proteine ​​extrem de rar. Cu descompunerea completă a 1 g de proteine, pot fi eliberate 17,6 kJ de energie. Cu toate acestea, proteinele sunt un compus foarte valoros pentru organism. Prin urmare, descompunerea proteinelor are loc de obicei la aminoacizi, din care sunt construite noi lanțuri polipeptidice. Proteinele hormonale reglează activitatea celulei și toate procesele de viață ale corpului. Astfel, în corpul uman, somatotropina este implicată în reglarea creșterii corpului, insulina menține nivelul de glucoză din sânge la un nivel constant.

7. Ce rol joacă proteinele hormonale?

Răspuns. Funcția de reglare este inerentă proteinelor hormonale (regulatori). Ele reglează diferite procese fiziologice. De exemplu, cel mai cunoscut hormon este insulina, care reglează nivelul glicemiei. Când nu există suficientă insulină în organism, apare o boală cunoscută sub numele de diabet zaharat.

8. Ce funcție îndeplinesc proteinele enzimatice?

Răspuns. Enzimele sunt catalizatori biologici, adică accelerează reacțiile chimice de sute de milioane de ori. Enzimele au specificitate strictă pentru substanța care reacționează. Fiecare reacție este catalizată de propria sa enzimă.

9. De ce proteinele sunt rar folosite ca sursă de energie?

Răspuns. Monomerii proteici de aminoacizi sunt materii prime valoroase pentru construirea de noi molecule de proteine. Prin urmare, descompunerea completă a polipeptidelor în substanțe anorganice are loc rar. În consecință, funcția energetică, care constă în eliberarea energiei la descompunerea completă, este îndeplinită de proteine ​​destul de rar.

Albusul de ou este o proteina tipica. Aflați ce se va întâmpla cu acesta dacă este expus la apă, alcool, acetonă, acid, alcali, ulei vegetal, temperatură ridicată etc.

Răspuns. Ca urmare a efectului temperaturii ridicate asupra albusului de ou, se va produce denaturarea proteinelor. Când sunt expuse la alcool, acetonă, acizi sau baze, aproximativ același lucru se întâmplă: proteina se coagulează. Acesta este un proces în care structura terțiară și cuaternară a unei proteine ​​este perturbată din cauza rupturii hidrogenului și a legăturilor ionice.

În apă și ulei vegetal, proteinele își păstrează structura.

Măcinați tuberculul de cartofi crud până la o pulpă. Luați trei eprubete și puneți o cantitate mică de cartofi tocați în fiecare.

Puneți prima eprubetă în congelatorul frigiderului, a doua pe raftul de jos al frigiderului și a treia într-un borcan cu apă caldă (t = 40 °C). După 30 de minute, scoateți eprubetele și aruncați o cantitate mică de peroxid de hidrogen în fiecare. Observați ce se întâmplă în fiecare eprubetă. Explicați-vă rezultatele

Răspuns. Acest experiment ilustrează activitatea enzimei catalaze într-o celulă vie pe peroxid de hidrogen. Ca rezultat al reacției, se eliberează oxigen. Dinamica eliberării bulelor poate fi utilizată pentru a evalua activitatea enzimei.

Experiența ne-a permis să înregistrăm următoarele rezultate:

Activitatea catalazei depinde de temperatură:

1. Eprubetă 1: nu există bule - asta pentru că la temperaturi scăzute celulele de cartofi s-au prăbușit.

2. Eprubeta 2: există un număr mic de bule - deoarece activitatea enzimei la temperaturi scăzute este scăzută.

3. Eprubeta 3: sunt multe bule, temperatura este optimă, catalaza este foarte activă.

Pune câteva picături de apă în prima eprubetă cu cartofi, câteva picături de acid (oțet de masă) în a doua și alcalii în a treia.

Observați ce se întâmplă în fiecare eprubetă. Explicați-vă rezultatele. A trage concluzii.

Răspuns. Când se adaugă apă, nu se întâmplă nimic, când se adaugă acid, apare o oarecare întunecare, când se adaugă alcali, are loc „spumarea” - hidroliza alcalină.

După cum știți, proteinele sunt baza pentru originea vieții pe planeta noastră. Dar picătura de coacervat, constând din molecule peptidice, a devenit baza pentru originea viețuitoarelor. Acest lucru este fără îndoială, deoarece analiza compoziției interne a oricărui reprezentant al biomasei arată că aceste substanțe sunt prezente în orice: plante, animale, microorganisme, ciuperci, viruși. În plus, sunt foarte diverse și de natură macromoleculară.

Aceste structuri au patru nume, toate fiind sinonime:

• proteine;
• proteine;
• polipeptide;
• peptide.

Molecule de proteine

Numărul lor este cu adevărat nenumărat. În acest caz, toate moleculele de proteine ​​pot fi împărțite în două grupuri mari:

• simplu - constau numai din secvențe de aminoacizi legate prin legături peptidice;
• complex - structura și structura proteinei sunt caracterizate de grupuri protolitice (protetice) suplimentare, numite și cofactori.

În același timp, moleculele complexe au și propria lor clasificare.

Gradarea peptidelor complexe

1. Glicoproteinele sunt compuși strâns legați de proteine ​​și carbohidrați. Grupele protetice de mucopolizaharide sunt țesute în structura moleculei.
2. Lipoproteinele sunt un compus complex de proteine ​​și lipide.
3. Metaloproteinele - ionii metalici (fier, mangan, cupru și altele) acționează ca un grup protetic.
4. Nucleoproteinele sunt legătura dintre proteine ​​și acizi nucleici (ADN, ARN).
5. Fosfoproteine ​​- conformația unei proteine ​​și a unui rest de acid ortofosforic.
6. Cromoproteinele sunt foarte asemănătoare cu metaloproteinele, totuși, elementul care face parte din grupul protetic este un complex colorat întreg (roșu - hemoglobină, verde - clorofilă și așa mai departe).

În fiecare grup luat în considerare, structura și proprietățile proteinelor sunt diferite. Funcțiile pe care le îndeplinesc variază și în funcție de tipul de moleculă.

Structura chimică a proteinelor

Din acest punct de vedere, proteinele sunt un lanț lung și masiv de reziduuri de aminoacizi conectate între ele prin legături specifice numite legături peptidice. Ramuri - radicali - se extind din structurile laterale ale acizilor. Această structură moleculară a fost descoperită de E. Fischer la începutul secolului XXI.

Ulterior, proteinele, structura și funcțiile proteinelor au fost studiate mai detaliat. A devenit clar că există doar 20 de aminoacizi care formează structura peptidei, dar aceștia pot fi combinați într-o varietate de moduri. De aici varietatea structurilor polipeptidice. În plus, în procesul vieții și în îndeplinirea funcțiilor lor, proteinele sunt capabile să sufere o serie de transformări chimice. Drept urmare, acestea schimbă structura și apare un tip complet nou de conexiune.

Pentru a rupe legătura peptidică, adică pentru a perturba proteina și structura lanțurilor, trebuie să selectați condiții foarte stricte (temperaturi ridicate, acizi sau alcalii, un catalizator). Acest lucru se datorează rezistenței ridicate a moleculei, și anume în grupul peptidic.

Detectarea structurii proteinei în laborator se realizează folosind reacția biuret - expunere la polipeptidă proaspăt precipitată (II). Complexul grupului de peptide și ionul de cupru dă o culoare violet strălucitor.

Există patru organizații structurale principale, fiecare dintre ele având propriile caracteristici structurale ale proteinelor.

Niveluri de organizare: structura primară

După cum sa menționat mai sus, o peptidă este o secvență de resturi de aminoacizi cu sau fără incluziuni, coenzime. Deci, principalul este structura unei molecule care sunt naturali, naturali, cu adevărat aminoacizi conectați prin legături peptidice și nimic mai mult. Adică o polipeptidă cu structură liniară. Mai mult, caracteristicile structurale ale proteinelor de acest tip sunt că o astfel de combinație de acizi este decisivă pentru îndeplinirea funcțiilor moleculei proteice. Datorită prezenței acestor caracteristici, este posibil nu numai să se identifice o peptidă, ci și să se prezică proprietățile și rolul uneia complet noi, încă nedescoperite. Exemple de peptide cu o structură primară naturală sunt insulina, pepsina, chimotripsina și altele.

Conformatia secundara

Structura și proprietățile proteinelor din această categorie variază oarecum. O astfel de structură poate fi formată inițial prin natură sau atunci când cea primară este expusă la hidroliză severă, temperatură sau alte condiții.

Această conformație are trei soiuri:

1. Viraje netede, regulate, stereoregulate, construite din reziduuri de aminoacizi, care se răsucesc în jurul axei principale a conexiunii. Ele sunt ținute împreună numai de cele care apar între oxigenul unei grupe peptidice și hidrogenul alteia. Mai mult, structura este considerată corectă datorită faptului că turele se repetă uniform la fiecare 4 verigi. O astfel de structură poate fi fie stângaci, fie dreptaci. Dar în majoritatea proteinelor cunoscute predomină izomerul dextrogiro. Astfel de conformații sunt de obicei numite structuri alfa.
2. Compoziția și structura proteinelor de tipul următor diferă de cea precedentă prin aceea că legăturile de hidrogen nu se formează între reziduurile adiacente unei părți a moleculei, ci între cele semnificativ îndepărtate și la o distanță destul de mare. Din acest motiv, întreaga structură ia forma mai multor lanțuri polipeptidice ondulate, asemănătoare unui șarpe. Există o caracteristică pe care trebuie să o prezinte o proteină. Structura aminoacizilor de pe ramuri ar trebui să fie cât mai scurtă posibil, cum ar fi glicina sau alanina, de exemplu. Acest tip de conformație secundară se numește foi beta pentru capacitatea lor de a lipi împreună pentru a forma o structură comună.
3. Biologia se referă la al treilea tip de structură proteică ca fiind fragmente complexe, dispersate eterogen, dezordonate, care nu au stereoregularitate și sunt capabile să schimbe structura sub influența condițiilor externe.

Nu au fost identificate exemple de proteine ​​care au în mod natural structură secundară.

Educatie tertiara

Aceasta este o conformație destul de complexă numită „globul”. Ce este această proteină? Structura sa se bazează pe structura secundară, totuși, se adaugă noi tipuri de interacțiuni între atomii grupelor, iar întreaga moleculă pare să se plieze, concentrându-se astfel asupra faptului că grupările hidrofile sunt direcționate în glob, iar cele hidrofobe. cele spre exterior.

Aceasta explică încărcarea moleculei de proteine ​​în soluțiile coloidale de apă. Ce tipuri de interacțiuni sunt prezente aici?

1. Legături de hidrogen – rămân neschimbate între aceleași părți ca și în structura secundară.
2. interacțiuni – apar atunci când polipeptida este dizolvată în apă.
3. Atractiile ionice se formează între grupuri încărcate diferit de resturi de aminoacizi (radicali).
4. Interacțiuni covalente - se pot forma între anumite site-uri acide - molecule de cisteină, sau mai degrabă, cozile lor.

Astfel, compoziția și structura proteinelor cu structură terțiară pot fi descrise ca lanțuri polipeptidice pliate în globule care își păstrează și stabilizează conformația datorită diferitelor tipuri de interacțiuni chimice. Exemple de astfel de peptide: fosfoglicerat kenază, ARNt, alfa-keratina, fibroină de mătase și altele.

Structura cuaternară

Acesta este unul dintre cele mai complexe globule pe care le formează proteinele. Structura și funcțiile proteinelor de acest tip sunt foarte multifațetate și specifice.

Ce este această conformație? Acestea sunt mai multe (în unele cazuri zeci) lanțuri polipeptidice mari și mici care se formează independent unele de altele. Dar apoi, datorită acelorași interacțiuni pe care le-am considerat pentru structura terțiară, toate aceste peptide se răsucesc și se împletesc unele cu altele. În acest fel, se obțin globule conformaționale complexe, care pot conține atomi de metal, grupări lipidice și carbohidrați. Exemple de astfel de proteine: ADN polimeraza, învelișul proteic al virusului tutunului, hemoglobina și altele.

Toate structurile peptidice pe care le-am examinat au metode proprii de identificare în laborator, bazate pe capacități moderne de utilizare a cromatografiei, centrifugarei, microscopiei electronice și optice și a tehnologiilor informatice înalte.

Funcții îndeplinite

Structura și funcțiile proteinelor sunt strâns corelate între ele. Adică fiecare peptidă joacă un rol specific, unic și specific. Există, de asemenea, cei care sunt capabili să efectueze mai multe operații semnificative simultan într-o celulă vie. Cu toate acestea, este posibil să se exprime într-o formă generalizată principalele funcții ale moleculelor de proteine ​​în organismele vii:

1. Oferind mișcare. Organismele unicelulare sau organitele sau unele tipuri de celule sunt capabile de mișcare, contracție și mișcare. Acest lucru este asigurat de proteinele care alcătuiesc structura aparatului lor motor: cilii, flageli și membrana citoplasmatică. Dacă vorbim despre celulele incapabile de mișcare, atunci proteinele pot contribui la contracția acestora (miozina musculară).
2. Funcția de nutriție sau de rezervă. Este acumularea de molecule de proteine ​​în ouă, embrioni și semințele plantelor pentru a completa în continuare nutrienții lipsă. Când sunt defalcate, peptidele produc aminoacizi și substanțe biologic active care sunt necesare pentru dezvoltarea normală a organismelor vii.
3. Funcția energetică. Pe lângă carbohidrați, proteinele pot oferi și putere organismului. Descompunerea a 1 g de peptidă eliberează 17,6 kJ de energie utilă sub formă de acid adenozin trifosforic (ATP), care este cheltuită pentru procesele vitale.
4. Semnalizarea constă în monitorizarea atentă a proceselor în desfășurare și transmiterea semnalelor de la celule la țesuturi, de la acestea la organe, de la acestea din urmă către sisteme și așa mai departe. Un exemplu tipic este insulina, care fixează strict cantitatea de glucoză din sânge.
5. Funcția receptorului. Se realizează prin modificarea conformației peptidei pe o parte a membranei și implicând celălalt capăt în restructurare. În același timp, semnalul și informațiile necesare sunt transmise. Cel mai adesea, astfel de proteine ​​sunt încorporate în membranele citoplasmatice ale celulelor și exercită un control strict asupra tuturor substanțelor care trec prin ele. Ele oferă, de asemenea, informații despre modificările chimice și fizice din mediu.
6. Funcția de transport a peptidelor. Este realizat de proteinele canal și proteinele transportoare. Rolul lor este evident - transportul moleculelor necesare în locuri cu concentrație scăzută din părți cu concentrație mare. Un exemplu tipic este transportul de oxigen și dioxid de carbon prin organe și țesuturi de către hemoglobina proteică. De asemenea, ei efectuează livrarea compușilor cu greutate moleculară mică prin membrana celulară în interior.
7. Funcția structurală. Una dintre cele mai importante funcții îndeplinite de proteine. Structura tuturor celulelor și a organelelor lor este asigurată de peptide. Ei, ca un cadru, stabilesc forma și structura. În plus, îl susțin și îl modifică dacă este necesar. Prin urmare, pentru creștere și dezvoltare, toate organismele vii au nevoie de proteine ​​în dieta lor. Astfel de peptide includ elastina, tubulina, colagenul, actina, keratina și altele.
8. Funcția catalitică. Este realizat de enzime. Numeroase și variate, accelerează toate reacțiile chimice și biochimice din organism. Fără participarea lor, un măr obișnuit din stomac ar putea fi digerat în doar două zile, putrezind cel mai probabil în acest proces. Sub influența catalazei, peroxidazei și a altor enzime, acest proces are loc în două ore. În general, datorită acestui rol al proteinelor se realizează anabolismul și catabolismul, adică plastic și

Rol protector

Există mai multe tipuri de amenințări împotriva cărora proteinele sunt concepute pentru a proteja organismul.

În primul rând, reactivi traumatici, gaze, molecule, substanțe cu diferite spectre de acțiune. Peptidele sunt capabile să interacționeze chimic cu ele, transformându-le într-o formă inofensivă sau pur și simplu neutralizându-le.

În al doilea rând, amenințarea fizică a rănilor - dacă fibrinogenul proteic nu este transformat în fibrină la locul leziunii în timp, atunci sângele nu se va coagula, ceea ce înseamnă că nu va apărea blocarea. Apoi, dimpotrivă, veți avea nevoie de plasmină peptidică, care poate dizolva cheagul și poate restabili permeabilitatea vasului.

În al treilea rând, o amenințare la adresa imunității. Structura și semnificația proteinelor care formează apărarea imună sunt extrem de importante. Anticorpi, imunoglobuline, interferoni - toate acestea sunt elemente importante și semnificative ale sistemului limfatic și imunitar uman. Orice particulă străină, moleculă dăunătoare, parte moartă a unei celule sau o structură întreagă este supusă examinării imediate de către compusul peptidic. De aceea, o persoană se poate proteja în mod independent, fără ajutorul medicamentelor, de infecții și viruși simpli.

Proprietăți fizice

Structura unei proteine ​​celulare este foarte specifică și depinde de funcția îndeplinită. Dar proprietățile fizice ale tuturor peptidelor sunt similare și se reduc la următoarele caracteristici.

1. Greutatea moleculei este de până la 1.000.000 de daltoni.
2. Sistemele coloidale se formează într-o soluție apoasă. Acolo structura capătă o încărcătură care poate varia în funcție de aciditatea mediului.
3. Când sunt expuși la condiții dure (iradiere, acid sau alcali, temperatură etc.) sunt capabili să treacă la alte niveluri de conformații, adică denaturare. Acest proces este ireversibil în 90% din cazuri. Cu toate acestea, există și o schimbare inversă - renaturare.

Acestea sunt principalele proprietăți ale caracteristicilor fizice ale peptidelor.

Scurta descriere:

Fragment de manual: Chimie biologică cu exerciții și sarcini: manual / ed. Membru corespondent RAMS S.E. Severina. M.: GEOTAR-Media, 2011. - 624 p.: ill. MODULUL 1: STRUCTURA, PROPRIETĂȚI ȘI FUNCȚII ALE PROTEINELOR

MODULUL 1: STRUCTURA, PROPRIETĂȚI ȘI FUNCȚII ALE PROTEINELOR

Unitatea modulara 1 ORGANIZAREA STRUCTURALA A PROTEINELOR MONOMERICE SI BAZELE FUNCTIONARII LOR

Obiective de învățare A fi capabil să:

1. Utilizați cunoștințele despre caracteristicile structurale ale proteinelor și dependența funcțiilor proteinelor de structura lor pentru a înțelege mecanismele de dezvoltare a proteinopatiilor ereditare și dobândite.

2. Explicați mecanismele acțiunii terapeutice a unor medicamente ca liganzi care interacționează cu proteinele și își modifică activitatea.

3. Utilizați cunoștințele despre structura și labilitatea conformațională a proteinelor pentru a înțelege instabilitatea lor structurală și funcțională și tendința de denaturare în condiții în schimbare.

4. Explicați utilizarea agenților de denaturare ca mijloace de sterilizare a materialelor și instrumentelor medicale, precum și a antisepticelor.

Știi:

1. Niveluri de organizare structurală a proteinelor.

2. Importanța structurii primare a proteinelor, care determină diversitatea lor structurală și funcțională.

3. Mecanismul de formare a centrului activ în proteine ​​și interacțiunea specifică a acestuia cu ligand, care stă la baza funcționării proteinelor.

4. Exemple de influență a liganzilor exogeni (medicamente, toxine, otrăvuri) asupra conformației și activității funcționale a proteinelor.

5. Cauze si consecinte ale denaturarii proteinelor, factori care determina denaturarea.

6. Exemple de utilizare a factorilor denaturanți în medicină ca antiseptice și mijloace pentru sterilizarea instrumentelor medicale.

TEMA 1.1. ORGANIZAREA STRUCTURALĂ A PROTEINELOR. ETAPE DE FORMARE A NATIVULUI

CONFORMATII PROTEINE

Veverițe - sunt heteropolimeri molecule (adică format dintr-o varietate de monomeri). Monomerii proteici sunt 20 de tipuri de α-aminoacizi legați între ei prin legături peptidice.

Setul și ordinea combinației de aminoacizi într-o proteină este determinată de structura genelor corespunzătoare din ADN-ul indivizilor. Fiecare proteină, în conformitate cu structura sa specifică, își îndeplinește propria funcție. Setul de proteine ​​ale unui organism dat ( proteom) determină caracteristicile sale fenotipice, precum și prezența unor boli ereditare sau o predispoziție la dezvoltarea acestora.

1. Aminoacizi care alcătuiesc proteinele. Legătură peptidică.

Proteinele sunt heteropolimeri formați din monomeri - 20 α-aminoacizi.

Formula generală a aminoacizilor este prezentată mai jos.

Aminoacizii diferă în ceea ce privește structura, dimensiunea și proprietățile fizico-chimice ale radicalilor atașați la atomul de carbon α. Grupurile funcționale ale aminoacizilor determină caracteristicile proprietăților diferiților α-aminoacizi. Radicalii găsiți în α-aminoacizi pot fi împărțiți în mai multe grupuri:

prolina, Spre deosebire de ceilalți 19 monomeri proteici, nu este un aminoacid, ci un iminoacid; radicalul din prolină este asociat atât cu atomul de carbon α, cât și cu gruparea imino.

Aminoacizii variază în solubilitate în apă. Acest lucru se datorează capacității radicalilor de a interacționa cu apa (hidrat).

LA hidrofil includ radicali care conțin grupări funcționale neîncărcate anionice, cationice și polare.

LA hidrofob includ radicali care conțin grupări metil, lanțuri alifatice sau inele.

2. Legăturile peptidice conectează aminoacizii pentru a forma peptide.În timpul sintezei peptidelor, gruparea α-carboxil a unui aminoacid interacționează cu gruparea α-amino a altui aminoacid pentru a forma legătură peptidică:

Proteinele sunt polipeptide, adică polimeri liniari ai α-aminoacizilor legați printr-o legătură peptidică (Fig. 1.1.)

Orez. 1.1. Termeni folosiți pentru a descrie structura peptidelor

Monomerii aminoacizilor care formează polipeptidele se numesc reziduuri de aminoacizi. Un lanț de grupuri care se repetă - NH-CH-CO- forme coloana vertebrală peptidică. Un rest de aminoacid care are o grupare α-amino liberă se numește N-terminal, iar unul care are o grupare α-carboxil liberă se numește C-terminal. Peptidele sunt scrise și citite de la capătul N-terminal la capătul C-terminal.

Legătura peptidică formată de grupul imino a prolinei diferă de alte legături peptidice: atomul de azot al grupului peptidic nu are hidrogen,

în schimb, există o legătură cu un radical, ca urmare a căreia o parte a inelului este inclusă în scheletul peptidic:

Peptidele diferă în ceea ce privește compoziția de aminoacizi, numărul de aminoacizi și ordinea conexiunii aminoacizilor, de exemplu, Ser-Ala-Glu-Gis și His-Glu-Ala-Ser sunt două peptide diferite.

Legăturile peptidice sunt foarte puternice, iar hidroliza lor chimică neenzimatică necesită condiții dure: proteina analizată este hidrolizată în acid clorhidric concentrat la o temperatură de aproximativ 110° timp de 24 de ore. Într-o celulă vie, legăturile peptidice pot fi rupte enzime proteolitice, numit proteaze sau hidrolaze peptidice.

3. Structura primară a proteinelor. Reziduurile de aminoacizi din lanțurile peptidice ale diferitelor proteine ​​nu alternează aleatoriu, ci sunt aranjate într-o anumită ordine. Se numește secvența liniară sau ordinea de alternanță a resturilor de aminoacizi dintr-un lanț polipeptidic structura primară a proteinei.

Structura primară a fiecărei proteine ​​individuale este codificată în molecula de ADN (într-o regiune numită genă) și este realizată în timpul transcripției (copierea informațiilor pe ARNm) și translației (sinteza structurii primare a proteinei). În consecință, structura primară a proteinelor unei persoane individuale este informația transmisă ereditar de la părinți la copii, care determină caracteristicile structurale ale proteinelor unui anumit organism, de care depinde funcția proteinelor existente (Fig. 1.2.).

Orez. 1.2. Relația dintre genotip și conformația proteinelor sintetizate în corpul individului

Fiecare dintre cele aproximativ 100.000 de proteine ​​individuale din corpul uman are unic structura primara. Moleculele de același tip de proteină (de exemplu, albumina) au aceeași alternanță de resturi de aminoacizi, ceea ce distinge albumina de orice altă proteină individuală.

Secvența de resturi de aminoacizi dintr-un lanț peptidic poate fi considerată o formă de înregistrare a informațiilor. Aceste informații determină aranjarea spațială a lanțului peptidic linear într-o structură tridimensională mai compactă numită conformaţie veveriţă. Procesul de formare a unei conformații proteice active funcțional se numește pliere

4. Conformația proteinei. Rotația liberă în scheletul peptidic este posibilă între atomul de azot al grupării peptidice și atomul de carbon α vecin, precum și între atomul de carbon α și carbonul grupării carbonil. Datorită interacțiunii grupurilor funcționale de reziduuri de aminoacizi, structura primară a proteinelor poate dobândi structuri spațiale mai complexe. În proteinele globulare, există două niveluri principale de pliere a conformației lanțurilor peptidice: secundarȘi structura tertiara.

Structura secundară a proteinelor este o structură spațială formată ca urmare a formării legăturilor de hidrogen între grupările funcționale -C=O și -NH- ale scheletului peptidic. În acest caz, lanțul peptidic poate dobândi structuri regulate de două tipuri: α-helicesȘi β-structuri.

ÎN α-helices se formează legături de hidrogen între atomul de oxigen al grupării carbonil și hidrogenul azotului amidic al celui de-al 4-lea aminoacid din acesta; lanțurile laterale de reziduuri de aminoacizi

sunt situate de-a lungul periferiei spiralei, fără a participa la formarea structurii secundare (Fig. 1.3.).

Radicalii în vrac, sau radicalii care poartă sarcini egale, împiedică formarea unui α-helix. Reziduul de prolină, care are o structură de inel, întrerupe α-helix, deoarece din cauza lipsei de hidrogen la atomul de azot din lanțul peptidic este imposibil să se formeze o legătură de hidrogen. Legătura dintre azot și atomul de carbon α face parte din inelul de prolină, astfel încât coloana vertebrală a peptidei devine îndoită în acest punct.

β-Structură se formează între regiunile liniare ale scheletului peptidic al unui lanț polipeptidic, formând astfel structuri pliate. Se pot forma lanțuri polipeptidice sau părți ale acestora paralel sau β-structuri antiparalele.În primul caz, terminalele N- și C-terminale ale lanțurilor peptidice care interacționează coincid, iar în al doilea au direcția opusă (Fig. 1.4).

Orez. 1.3. Structura secundară a proteinei - α-helix

Orez. 1.4. Structuri β-sheet paralele și antiparalele

Structurile β sunt indicate prin săgeți largi: A - Structura β antiparalelă. B - Structuri paralele β-sheet

În unele proteine, structurile β pot fi formate datorită formării legăturilor de hidrogen între atomii scheletului peptidic al diferitelor lanțuri polipeptidice.

Se găsește și în proteine zone cu secundar neregulat structura, care include îndoituri, bucle și întoarceri ale coloanei vertebrale polipeptidice. Ele sunt adesea localizate în locuri în care direcția lanțului peptidic se schimbă, de exemplu, atunci când se formează o structură paralelă a foii β.

Pe baza prezenței elicelor α și structurilor β, proteinele globulare pot fi împărțite în patru categorii.

Orez. 1.5. Structura secundară a mioglobinei (A) și a lanțului β a hemoglobinei (B), care conține opt elice α

Orez. 1.6. Structura secundară a domeniului triozofosfat izomerazei și piruvat kinazei

Orez. 1.7. Structura secundară a domeniului constant al imunoglobulinei (A) și a enzimei superoxid dismutază (B)

ÎN a patra categorie au inclus proteine ​​care conțin o cantitate mică de structuri secundare regulate. Aceste proteine ​​includ proteine ​​mici sau metaloproteine ​​bogate în cisteină.

Structura terțiară a proteinelor- un tip de conformatie format ca urmare a interactiunilor dintre radicalii de aminoacizi, care pot fi situati la o distanta considerabila unul de altul in lantul peptidic. Majoritatea proteinelor formează o structură spațială asemănătoare unui glob (proteine ​​globulare).

Deoarece radicalii hidrofobi de aminoacizi tind să se combine prin așa-numitele interacțiuni hidrofobeși forțele intermoleculare van der Waals, în interiorul globului proteic se formează un miez hidrofob dens. Radicalii hidrofili ionizați și neionizați sunt localizați în principal pe suprafața proteinei și determină solubilitatea acesteia în apă.

Orez. 1.8. Tipuri de legături care apar între radicalii de aminoacizi în timpul formării structurii terțiare a unei proteine

1 - legătură ionică- apare între grupele funcționale încărcate pozitiv și negativ;

2 - legătură de hidrogen- apare intre o grupare hidrofila neincarcata si orice alta grupare hidrofila;

3 - interacțiuni hidrofobe- apar între radicalii hidrofobi;

4 - legătură disulfurică- formată din cauza oxidării grupurilor SH ale reziduurilor de cisteină și a interacțiunii lor între ele

Reziduurile de aminoacizi hidrofile situate în interiorul miezului hidrofob pot interacționa între ele folosind ionicȘi legături de hidrogen(Fig. 1.8).

Legăturile ionice și de hidrogen, precum și interacțiunile hidrofobe, sunt slabe: energia lor nu este cu mult mai mare decât energia mișcării termice a moleculelor la temperatura camerei. Conformația proteinei este menținută prin formarea multor astfel de legături slabe. Deoarece atomii care alcătuiesc o proteină sunt în mișcare constantă, este posibil să se rupă unele legături slabe și să se formeze altele, ceea ce duce la mișcări ușoare ale secțiunilor individuale ale lanțului polipeptidic. Această proprietate a proteinelor de a modifica conformația ca urmare a ruperii unora și a formării altor legături slabe se numește labilitate conformaţională.

Corpul uman are sisteme care susțin homeostaziei- constanța mediului intern în anumite limite acceptabile pentru un organism sănătos. În condiții de homeostazie, mici modificări ale conformației nu perturbă structura și funcția generală a proteinelor. Conformația activă funcțional a unei proteine ​​se numește conformatie nativa. Modificările din mediul intern (de exemplu, concentrația de glucoză, ioni de Ca, protoni etc.) duc la modificări ale conformației și perturbarea funcțiilor proteinelor.

Structura terțiară a unor proteine ​​este stabilizată legături disulfurice, formată ca urmare a interacțiunii grupărilor -SH a două resturi

Orez. 1.9. Formarea unei legături disulfurice într-o moleculă de proteină

cisteină (Fig. 1.9). Majoritatea proteinelor intracelulare nu au legături disulfurice covalente în structura lor terțiară. Prezența lor este caracteristică proteinelor secretate de celulă, ceea ce le asigură o mai mare stabilitate în condiții extracelulare. Astfel, legăturile disulfurice sunt prezente în moleculele de insulină și imunoglobuline.

Insulină- un hormon proteic sintetizat în celulele β ale pancreasului și secretat în sânge ca răspuns la creșterea concentrației de glucoză în sânge. În structura insulinei, există două legături disulfurice care conectează lanțurile polipeptidei A și B și o legătură disulfură în cadrul lanțului A (Fig. 1.10).

Orez. 1.10. Legături disulfurice în structura insulinei

5. Structura suprasecundară a proteinelor.În proteinele cu structură și funcții primare diferite, acestea sunt uneori detectate combinații similare și poziții relative ale structurilor secundare, care se numesc structura supersecundara. Ocupă o poziție intermediară între structurile secundare și terțiare, deoarece este o combinație specifică de elemente ale structurii secundare în formarea structurii terțiare a proteinei. Structurile supersecundare au denumiri specifice, cum ar fi „α-helix-turn-a-helix”, „fermoar leucină”, „degete de zinc” etc. Astfel de structuri supersecundare sunt caracteristice proteinelor care leagă ADN-ul.

— Fermoar cu leucină. Acest tip de structură supersecundară este utilizat pentru a uni două proteine ​​împreună. Pe suprafața proteinelor care interacționează există regiuni elicoidale α care conțin cel puțin patru resturi de leucină. Reziduurile de leucină din α-helix sunt localizate la șase aminoacizi una de cealaltă. Deoarece fiecare rotație a helixului α conține 3,6 reziduuri de aminoacizi, radicalii de leucină sunt localizați pe suprafața fiecărei rotații a doua. Resturile de leucină ale α-helixului unei proteine ​​pot interacționa cu resturile de leucină ale altei proteine ​​(interacțiuni hidrofobe), conectându-le între ele (Fig. 1.11.). Multe proteine ​​care leagă ADN-ul funcționează în complexe oligomerice în care subunitățile individuale sunt legate între ele prin „fermoare cu leucină”.

Orez. 1.11. „Fermoar leucină” între regiunile α-helicoidale ale două proteine

Un exemplu de astfel de proteine ​​sunt histonele. Histones- proteine ​​nucleare, care contin un numar mare de aminoacizi incarcati pozitiv - arginina si lizina (pana la 80%). Moleculele de histonă sunt combinate în complexe oligomerice care conțin opt monomeri folosind „fermoare de leucină”, în ciuda încărcăturii omonime semnificative a acestor molecule.

"Degetul de zinc"- o variantă de structură supersecundară, caracteristică proteinelor de legare a ADN-ului, are forma unui fragment alungit la suprafața proteinei și conține aproximativ 20 de resturi de aminoacizi (Fig. 1.12). Forma „degetului extins” este susținută de un atom de zinc legat de patru radicali de aminoacizi - două reziduuri de cisteină și două reziduuri de histidină. În unele cazuri, în loc de reziduuri de histidină, există reziduuri de cisteină. Două reziduuri de cisteină apropiate sunt separate de celelalte două resturi Gisili printr-o secvență Cys constând din aproximativ 12 resturi de aminoacizi. Această regiune a proteinei formează un α-helix, ai cărui radicali se pot lega în mod specific la regiunile reglatoare ale canelurii majore a ADN-ului. Specificitatea de legare individuală

Orez. 1.12. Structura primară a regiunii proteinelor care leagă ADN-ul care formează structura „deget de zinc” (literele indică aminoacizii care alcătuiesc această structură)

Proteina reglatoare care leagă ADN-ul depinde de secvența reziduurilor de aminoacizi situate în regiunea degetului de zinc. Astfel de structuri conțin, în special, receptori pentru hormonii steroizi implicați în reglarea transcripției (citirea informațiilor de la ADN la ARN).

TEMA 1.2. BAZELE FUNCȚIONĂRII PROTEINELOR. MEDICAMENTE CA LIGANDI AFECTAT FUNCȚIA PROTEINĂ

1. Centrul activ al proteinei și interacțiunea acestuia cu ligand.În timpul formării structurii terțiare, se formează o regiune pe suprafața unei proteine ​​funcțional active, de obicei într-o adâncitură, formată din radicali de aminoacizi care sunt departe unul de celălalt în structura primară. Această regiune, care are o structură unică pentru o anumită proteină și este capabilă să interacționeze în mod specific cu o anumită moleculă sau grup de molecule similare, este numită situs de legare proteină-ligand sau situs activ. Liganzii sunt molecule care interacționează cu proteinele.

Specificitate ridicată Interacțiunea proteinei cu ligand este asigurată de complementaritatea structurii centrului activ cu structura ligandului.

Complementaritatea- aceasta este corespondența spațială și chimică a suprafețelor care interacționează. Centrul activ nu trebuie să corespundă doar spațial ligandului inclus în el, dar și legături (interacțiuni ionice, hidrogen și hidrofobe) trebuie să se formeze între grupările funcționale ale radicalilor incluși în centrul activ și ligand, care dețin ligandul. în centrul activ (Fig. 1.13 ).

Orez. 1.13. Interacțiunea complementară a proteinei cu ligand

Unii liganzi, atunci când sunt atașați la centrul activ al unei proteine, joacă un rol auxiliar în funcționarea proteinelor. Astfel de liganzi sunt numiți cofactori, iar proteinele care conțin o parte neproteică sunt numite proteine ​​complexe(spre deosebire de proteinele simple, constând numai din partea proteică). Partea non-proteică, ferm conectată la proteină, se numește grupare prostetică. De exemplu, mioglobina, hemoglobina și citocromii conțin un grup protetic, hem, care conține un ion de fier, ferm atașat de centrul activ. Proteinele complexe care conțin hem se numesc hemoproteine.

Atunci când liganzii specifici sunt atașați de proteine, se manifestă funcția acestor proteine. Astfel, albumina, cea mai importantă proteină din plasma sanguină, își manifestă funcția de transport prin atașarea liganzilor hidrofobi, precum acizii grași, bilirubina, unele medicamente etc., la centrul activ (Fig. 1.14)

Liganzii care interacționează cu structura tridimensională a lanțului peptidic pot fi nu numai molecule organice și anorganice cu o moleculă scăzută, ci și macromolecule:

ADN (exemple cu proteine ​​de legare la ADN discutate mai sus);

Polizaharide;

Orez. 1.14. Relația dintre genotip și fenotip

Structura primară unică a proteinelor umane, codificată în molecula de ADN, este realizată în celule sub forma unei conformații unice, a structurii centrului activ și a funcțiilor proteice.

În aceste cazuri, proteina recunoaște o regiune specifică a ligandului care este proporțională și complementară cu situsul de legare. Astfel, pe suprafața hepatocitelor există proteine ​​receptor pentru hormonul insulină, care are și o structură proteică. Interacțiunea insulinei cu receptorul determină o modificare a conformației sale și activarea sistemelor de semnalizare, ducând la stocarea nutrienților în hepatocite după mese.

Prin urmare, Funcționarea proteinelor se bazează pe interacțiunea specifică a centrului activ al proteinei cu ligand.

2. Structura domeniului și rolul său în funcționarea proteinelor. Lanțurile polipeptidice lungi de proteine ​​globulare se pliază adesea în mai multe regiuni compacte, relativ independente. Au o structură terțiară independentă, care amintește de cea a proteinelor globulare și sunt numite domenii. Datorită structurii de domeniu a proteinelor, structura lor terțiară este mai ușor de format.

În proteinele de domeniu, situsurile de legare a ligandului sunt adesea localizate între domenii. Astfel, tripsina este o enzimă proteolitică care este produsă de partea exocrină a pancreasului și este necesară pentru digestia proteinelor alimentare. Are o structură cu două domenii, iar centrul de legare a tripsinei cu ligandul său - proteina alimentară - este situat în șanțul dintre cele două domenii. În centrul activ, sunt create condițiile necesare pentru legarea eficientă a unui anumit situs al proteinei alimentare și hidroliza legăturilor sale peptidice.

Diferitele domenii dintr-o proteină se pot deplasa unul față de celălalt atunci când centrul activ interacționează cu ligand (Fig. 1.15).

Hexokinaza- o enzima care catalizeaza fosforilarea glucozei folosind ATP. Locul activ al enzimei este situat în despicatură dintre cele două domenii. Când hexokinaza se leagă de glucoză, domeniile din jurul acesteia se închid și substratul devine prins, unde are loc fosforilarea (vezi Fig. 1.15).

Orez. 1.15. Legarea domeniilor hexokinazei la glucoză

În unele proteine, domeniile îndeplinesc funcții independente prin legarea la diferiți liganzi. Astfel de proteine ​​sunt numite multifuncționale.

3. Medicamentele sunt liganzi care afectează funcția proteinelor. Interacțiunea proteinelor cu liganzii este specifică. Cu toate acestea, datorită labilității conformaționale a proteinei și a centrului său activ, este posibil să se selecteze o altă substanță care ar putea interacționa și cu proteina din centrul activ sau din altă parte a moleculei.

Se numește o substanță similară ca structură cu un ligand natural analog structural al ligandului sau un ligand nenatural. De asemenea, interacționează cu proteina de la locul activ. Un analog structural al unui ligand poate îmbunătăți funcția proteinei (agonist),și reduceți-l (antagonist). Ligandul și analogii săi structurali concurează unul cu celălalt pentru legarea de proteină în același loc. Astfel de substanțe sunt numite modulatori competitivi(regulatori) ai funcţiilor proteinelor. Multe medicamente acționează ca inhibitori de proteine. Unele dintre ele sunt obținute prin modificarea chimică a liganzilor naturali. Inhibitorii funcțiilor proteinelor pot fi medicamente și otrăvuri.

Atropina este un inhibitor competitiv al receptorilor M-colinergici. Acetilcolina este un neurotransmitator pentru transmiterea impulsurilor nervoase prin sinapsele colinergice. Pentru a efectua excitația, acetilcolina eliberată în fanta sinaptică trebuie să interacționeze cu proteina receptoră a membranei postsinaptice. Două tipuri găsite receptori colinergici:

receptor M pe langa acetilcolina, interactioneaza selectiv cu muscarina (toxina agaric musca). M - receptorii colinergici sunt prezenți pe mușchii netezi și, atunci când interacționează cu acetilcolina, provoacă contracția acestora;

receptor H se leagă în mod specific de nicotină. Receptorii N-colinergici se găsesc la sinapsele mușchilor scheletici striați.

Inhibitor specific Receptorii M-colinergici este atropina. Se găsește în plantele belladonna și henbane.

Atropina are grupe funcționale similare ca structură cu acetilcolina și aranjarea lor spațială, prin urmare este un inhibitor competitiv al receptorilor M-colinergici. Având în vedere că legarea acetilcolinei de receptorii M-colinergici determină contracția mușchilor netezi, atropina este utilizată ca medicament care ameliorează spasmul acestora. (antispasmodic). Astfel, este cunoscută utilizarea atropinei pentru a relaxa mușchii ochilor la vizualizarea fundului de ochi, precum și pentru a ameliora spasmele în timpul colicilor gastrointestinale. Receptorii M-colinergici sunt prezenți și în sistemul nervos central (SNC), astfel încât dozele mari de atropină pot provoca o reacție nedorită a sistemului nervos central: agitație motorie și psihică, halucinații, convulsii.

Ditilina este un agonist competitiv al receptorilor H-colinergici, inhibă funcția sinapselor neuromusculare.

Sinapsele neuromusculare ale mușchilor scheletici conțin receptori H-colinergici. Interacțiunea lor cu acetilcolina duce la contracții musculare. În timpul unor operații chirurgicale, precum și în studiile endoscopice, sunt utilizate medicamente care provoacă relaxarea mușchilor scheletici. (relaxante musculare). Acestea includ ditilina, care este un analog structural al acetilcolinei. Se ataseaza de receptorii H-colinergici, dar spre deosebire de acetilcolina, este distrusa foarte lent de enzima acetilcolinesteraza. Ca urmare a deschiderii prelungite a canalelor ionice și a depolarizării persistente a membranei, conducerea impulsurilor nervoase este perturbată și are loc relaxarea musculară. Inițial, aceste proprietăți au fost descoperite în otravă de curare, motiv pentru care se numesc astfel de medicamente curare-like.

TEMA 1.3. DENATURAREA PROTEINELOR ŞI POSIBILITATEA RENATĂRII LOR SPONTANE

1. Deoarece conformația nativă a proteinelor este menținută din cauza interacțiunilor slabe, modificări ale compoziției și proprietăților mediului din jurul proteinei, expunerea la reactivi chimici și factori fizici provoacă o modificare a conformației acestora (proprietatea labilitatii conformaționale). Ruperea unui număr mare de legături duce la distrugerea conformației native și la denaturarea proteinelor.

Denaturarea proteinelor- aceasta este distrugerea conformatiei lor native sub influenta agentilor denaturanti, cauzata de ruperea legaturilor slabe care stabilizeaza structura spatiala a proteinei. Denaturarea este însoțită de distrugerea structurii unice tridimensionale și a centrului activ al proteinei și de pierderea activității sale biologice (Fig. 1.16).

Toate moleculele denaturate ale unei proteine ​​dobândesc o conformație aleatorie care diferă de alte molecule ale aceleiași proteine. Radicalii de aminoacizi care formează centrul activ se dovedesc a fi distanțați spațial unul de celălalt, adică. locul de legare specific al proteinei cu ligand este distrus. În timpul denaturarii, structura primară a proteinelor rămâne neschimbată.

Aplicarea agenților de denaturare în cercetarea biologică și medicină.În studiile biochimice, înainte de a determina compușii cu greutate moleculară mică din materialul biologic, proteinele sunt de obicei îndepărtate mai întâi din soluție. Acidul tricloroacetic (TCA) este cel mai des folosit în acest scop. După adăugarea TCA la soluție, proteinele denaturate precipită și sunt ușor îndepărtate prin filtrare (Tabelul 1.1.)

În medicină, agenții de denaturare sunt adesea utilizați pentru sterilizarea instrumentelor și materialelor medicale în autoclave (agentul de denaturare este la temperatură ridicată) și ca antiseptice (alcool, fenol, cloramină) pentru tratarea suprafețelor contaminate care conțin microfloră patogenă.

2. Reactivarea proteinelor spontane- dovada determinismului structurii, conformaţiei şi funcţiei primare a proteinelor. Proteinele individuale sunt produse ale unei gene care au o secvență identică de aminoacizi și dobândesc aceeași conformație în celulă. Concluzia fundamentală că structura primară a unei proteine ​​conține deja informații despre conformația și funcția sa a fost făcută pe baza capacității unor proteine ​​(în special, ribonucleaza și mioglobina) de a se renativa spontan - restabili conformația lor nativă după denaturare.

Formarea structurilor proteice spațiale se realizează prin metoda auto-asamblarii - un proces spontan în care un lanț polipeptidic, care are o structură primară unică, tinde să adopte o conformație cu cea mai scăzută energie liberă în soluție. Capacitatea de a renativa proteinele care își păstrează structura primară după denaturare a fost descrisă într-un experiment cu enzima ribonuclează.

Ribonucleaza este o enzimă care descompune legăturile dintre nucleotidele individuale dintr-o moleculă de ARN. Această proteină globulară are un lanț polipeptidic, a cărui structură terțiară este stabilizată de multe legături slabe și patru disulfuri.

Tratamentul ribonucleazei cu uree, care rupe legăturile de hidrogen din moleculă și un agent reducător, care rupe legăturile disulfurice, duce la denaturarea enzimei și la pierderea activității acesteia.

Îndepărtarea agenților denaturanți prin dializă duce la restabilirea conformației și funcției proteinelor, de exemplu. a renaște. (Fig. 1.17).

Orez. 1.17. Denaturarea și renativarea ribonucleazei

A - conformația nativă a ribonucleazei, în structura terțiară a cărei patru legături disulfurice; B - moleculă de ribonuclează denaturată;

B - moleculă de ribonuclează reactivată cu structură și funcție restaurate

1. Completați tabelul 1.2.

Tabelul 1.2. Clasificarea aminoacizilor în funcție de polaritatea radicalilor

2. Scrieți formula tetrapeptidei:

Asp - Pro - Fen - Liz

a) evidențiați grupările repetate din peptidă care formează coloana vertebrală peptidică și grupările variabile reprezentate de radicalii aminoacizi;

b) etichetați N- și C-terminali;

c) evidenţiază legăturile peptidice;

d) scrieți o altă peptidă formată din aceiași aminoacizi;

e) numărați numărul de variante posibile ale unei tetrapeptide cu o compoziție similară de aminoacizi.

3. Explicați rolul structurii primare a proteinelor folosind exemplul unei analize comparative a doi hormoni peptidici similari din punct de vedere structural și apropiați din punct de vedere evolutiv ai neurohipofizei mamiferelor - oxitocina și vasopresina (Tabelul 1.3).

Tabelul 1.3. Structura și funcțiile oxitocinei și vasopresinei

Pentru aceasta:

a) comparați compoziția și secvența de aminoacizi a două peptide;

b) găsiți asemănarea structurii primare a celor două peptide și asemănarea acțiunii lor biologice;

c) găsiți diferențe în structura a două peptide și diferențe în funcțiile acestora;

d) trageți o concluzie despre influența structurii primare a peptidelor asupra funcțiilor acestora.

4. Descrieți principalele etape de formare a conformației proteinelor globulare (structuri secundare, terțiare, conceptul de structură supersecundară). Indicați tipurile de legături implicate în formarea structurilor proteice. Ce radicali de aminoacizi pot participa la formarea interacțiunilor hidrofobe, ionice, legături de hidrogen.

Dă exemple.

5. Definiți conceptul de „labilitatea conformațională a proteinelor”, indicați motivele existenței și semnificația acestuia.

6. Extindeți semnificația următoarei fraze: „Funcționarea proteinelor se bazează pe interacțiunea lor specifică cu ligandul”, folosind termenii și explicând sensul lor: conformație proteinei, centru activ, ligand, complementaritate, funcție proteică.

7. Folosind un exemplu, explicați ce domenii sunt și care este rolul lor în funcționarea proteinelor.

SARCINI DE AUTOCONTROL

1. Meci.

Grupa funcțională în radicalul aminoacid:

A. Gruparea carboxil B. Gruparea hidroxil C Gruparea guanidină D. Gruparea tiol E. Gruparea amino

2. Alege raspunsurile corecte.

Aminoacizii cu radicali polari neîncărcați sunt:

A. Cis B. Asn

B. Glu G. Trei

3. Alege raspunsurile corecte.

Radicali de aminoacizi:

A. Asigură specificitatea structurii primare B. Participa la formarea structurii terțiare

B. Situate la suprafata proteinei, ele influenteaza solubilitatea acesteia D. Ele formeaza centrul activ

D. Participa la formarea legăturilor peptidice

4. Alege raspunsurile corecte.

Interacțiunile hidrofobe se pot forma între radicalii de aminoacizi:

A. Tre Lay B. Pro Trei

B. Met Ile G. Tir Ala D. Val Fen

5. Alege raspunsurile corecte.

Între radicalii de aminoacizi se pot forma legături ionice:

A. Gln Asp B. Apr Liz

B. Liz Glu G. Gis Asp D. Asn apr

6. Alege raspunsurile corecte.

Legăturile de hidrogen se pot forma între radicalii de aminoacizi:

A. Ser Gln B. Cis Tre

B. Asp Liz G. Glu Asp D. Asn Tre

7. Meci.

Tipul de legătură implicat în formarea structurii proteinei:

A. Structura primară B. Structura secundară

B. Structura terţiară

D. Structura suprasecundară E. Conformaţia.

1. Legături de hidrogen între atomii scheletului peptidic

2. Legături slabe între grupările funcționale ale radicalilor aminoacizi

3. Legături între grupările α-amino și α-carboxil ale aminoacizilor

8. Alege raspunsurile corecte. Tripsina:

A. Enzima proteolitică B. Conține două domenii

B. Hidrolizează amidonul

D. Site-ul activ este situat între domenii. D. Constă din două lanțuri polipeptidice.

9. Alege raspunsurile corecte. Atropina:

A. Neurotransmițător

B. Analog structural al acetilcolinei

B. Interacționează cu receptorii H-colinergici

D. Intareste conducerea impulsurilor nervoase prin sinapsele colinergice

D. Inhibitor competitiv al receptorilor M-colinergici

10. Alegeți afirmațiile corecte. În proteine:

A. Structura primară conține informații despre structura site-ului său activ

B. Centrul activ se formează la nivelul structurii primare

B. Conformația este fixată rigid prin legături covalente

D. Situl activ poate interacționa cu un grup de liganzi similari

datorită labilităţii conformaţionale a proteinelor D. Modificările mediului pot afecta afinitatea activului

centru la ligand

1. 1-B, 2-G, 3-B.

3. A, B, C, D.

7. 1-B, 2-D, 3-A.

8. A, B, C, D.

TERMENI ȘI CONCEPTE DE BAZĂ

1. Proteine, polipeptide, aminoacizi

2. Structuri proteice primare, secundare, terțiare

3. Conformația, conformația proteinei native

4. Legături covalente și slabe în proteine

5. Labilitatea conformațională

6. Sit activ proteic

7. Liganzi

8. Plierea proteinelor

9. Analogi structurali ai liganzilor

10. Proteine ​​de domeniu

11. Proteine ​​simple și complexe

12. Denaturarea proteinelor, agenți de denaturare

13. Reactivarea proteinelor

Rezolva probleme

„Organizarea structurală a proteinelor și baza funcționării lor”

1. Funcția principală a proteinei - hemoglobina A (HbA) este transportul oxigenului către țesuturi. În populația umană, sunt cunoscute forme multiple ale acestei proteine ​​cu proprietăți și funcții modificate - așa-numitele hemoglobine anormale. De exemplu, hemoglobina S, găsită în globulele roșii ale pacienților cu siclemie (HbS), s-a dovedit a avea o solubilitate scăzută în condiții de presiune parțială scăzută a oxigenului (cum este cazul sângelui venos). Acest lucru duce la formarea de agregate ale acestei proteine. Proteina își pierde funcția, precipită, iar celulele roșii din sânge devin neregulate (unele dintre ele formează o formă de seceră) și sunt distruse mai repede decât de obicei în splină. Ca urmare, se dezvoltă anemia cu celule falciforme.

Singura diferență în structura primară a HbA a fost găsită în regiunea N-terminală a lanțului β al hemoglobinei. Comparați regiunile N-terminale ale catenei β și arată cum modificările în structura primară a proteinei îi afectează proprietățile și funcțiile.

Pentru aceasta:

a) scrieți formulele aminoacizilor prin care HbA diferă și comparați proprietățile acestor aminoacizi (polaritate, sarcină).

b) trageți o concluzie despre motivul scăderii solubilității și perturbării transportului oxigenului în țesuturi.

2. Figura prezintă o diagramă a structurii unei proteine ​​care are un centru de legare cu un ligand (centru activ). Explicați de ce proteina este selectivă în alegerea ligandului. Pentru aceasta:

a) amintiți-vă care este centrul activ al unei proteine ​​și luați în considerare structura centrului activ al proteinei prezentată în figură;

b) scrieți formulele radicalilor aminoacizi care alcătuiesc centrul activ;

c) trageți un ligand care ar putea interacționa în mod specific cu situsul activ al proteinei. Indicați pe el grupele funcționale care pot forma legături cu radicalii aminoacizi care alcătuiesc centrul activ;

d) indicați tipurile de legături care apar între radicalii ligand și aminoacizi ai centrului activ;

e) explicați pe ce se bazează specificitatea interacțiunii proteină-ligand.

3. Figura prezintă locul activ al proteinei și al mai multor liganzi.

Determinați care ligand este cel mai probabil să interacționeze cu situsul activ al proteinei și de ce.

Ce tipuri de legături apar în timpul formării unui complex proteină-ligand?

4. Analogii structurali ai liganzilor proteici naturali pot fi utilizați ca medicamente pentru a modifica activitatea proteinelor.

Acetilcolina este un mediator al transmiterii excitației la sinapsele neuromusculare. Când acetilcolina interacționează cu proteinele - receptorii membranei postsinaptice a mușchilor scheletici, canalele ionice se deschid și are loc contracția musculară. Ditilin este un medicament folosit în unele operații pentru relaxarea mușchilor, deoarece întrerupe transmiterea impulsurilor nervoase prin sinapsele neuromusculare. Explicați mecanismul de acțiune al ditilinei ca relaxant muscular. Pentru aceasta:

a) scrieți formulele acetilcolinei și ditilinei și comparați structurile acestora;

b) descrieți mecanismul efectului relaxant al ditilinei.

5. În unele boli, temperatura corpului pacientului crește, ceea ce este considerat o reacție de protecție a corpului. Cu toate acestea, temperaturile ridicate sunt dăunătoare pentru proteinele corpului. Explicați de ce la temperaturi peste 40 °C funcția proteinelor este perturbată și apare o amenințare la adresa vieții umane. Pentru a face acest lucru, amintiți-vă:

1) Structura proteinelor și legăturile care îi mențin structura în conformația nativă;

2) Cum se modifică structura și funcția proteinelor odată cu creșterea temperaturii?;

3) Ce este homeostazia și de ce este importantă pentru menținerea sănătății umane.

Unitate modulară 2 PROTEINE OLIGOMERICE CA ȚINTE ALE INFLUENȚELOR REGLATORII. DIVERSITATEA STRUCTURALA SI FUNCTIONALA A PROTEINELOR. METODE DE SEPARARE ȘI PURIFICARE A PROTEINELOR

Obiective de învățare A fi capabil să:

1. Utilizați cunoștințele despre caracteristicile structurii și funcțiilor proteinelor oligomerice pentru a înțelege mecanismele adaptative de reglare a funcțiilor acestora.

2. Explicați rolul chaperonelor în sinteza și menținerea conformației proteinelor în condiții celulare.

3. Explicați varietatea manifestărilor vieții prin varietatea structurilor și funcțiilor proteinelor sintetizate în organism.

4. Analizați relația dintre structura proteinelor și funcția lor folosind exemple de comparare a hemoproteinelor înrudite - mioglobină și hemoglobină, precum și reprezentanți ai celor cinci clase de proteine ​​din familia imunoglobulinelor.

5. Aplicarea cunoștințelor despre particularitățile proprietăților fizice și chimice ale proteinelor pentru a selecta metode de purificare a acestora din alte proteine ​​și impurități.

6. Interpretați rezultatele compoziției cantitative și calitative a proteinelor plasmatice pentru a confirma sau clarifica diagnosticul clinic.

Știi:

1. Caracteristici ale structurii proteinelor oligomerice și mecanisme adaptative de reglare a funcțiilor acestora folosind exemplul hemoglobinei.

2. Structura și funcțiile chaperonelor și importanța lor pentru menținerea conformației native a proteinelor în condiții celulare.

3. Principii de combinare a proteinelor în familii bazate pe asemănarea conformației și funcțiilor lor folosind exemplul imunoglobulinelor.

4. Metode de separare a proteinelor pe baza caracteristicilor proprietăților lor fizico-chimice.

5. Electroforeza plasmei sanguine ca metodă de evaluare a compoziției calitative și cantitative a proteinelor.

TEMA 1.4. CARACTERISTICI ALE STRUCTURII ȘI FUNCȚIONĂRII PROTEINELOR OLIGOMERICE CU EXEMPLU DE HEMOGLOBINA

1. Multe proteine ​​conțin mai multe lanțuri polipeptidice. Astfel de proteine ​​sunt numite oligomerice,și lanțuri individuale - protomeri. Protomerii din proteinele oligomerice sunt legați prin multe legături necovalente slabe (hidrofobe, ionice, hidrogen). Interacţiune

protomerii se realizează datorită complementaritatea suprafețele lor de contact.

Numărul de protomeri din proteinele oligomerice poate varia foarte mult: hemoglobina conține 4 protomeri, enzima aspartat aminotransferaza are 12 protomeri, iar proteina virusului mozaicului tutunului conține 2120 protomeri legați prin legături necovalente. În consecință, proteinele oligomerice pot avea greutăți moleculare foarte mari.

Interacțiunea unui protomer cu alții poate fi considerată un caz special de interacțiune proteină-ligand, deoarece fiecare protomer servește ca ligand pentru alți protomeri. Numărul și metoda de unire a protomerilor într-o proteină se numesc structura proteinelor cuaternare.

Proteinele pot conţine protomeri cu structuri identice sau diferite, de exemplu, homodimerii sunt proteine ​​care conţin doi protomeri identici, iar heterodimerii sunt proteine ​​care conţin doi protomeri diferiţi.

Dacă proteinele conțin protomeri diferiți, atunci se pot forma pe ele centre de legare cu liganzi diferiți, care diferă ca structură. Când un ligand se leagă de situsul activ, se manifestă funcția acestei proteine. Un centru situat pe un protomer diferit se numește alosteric (diferit de cel activ). Contactarea ligand sau efector alosteric,îndeplineşte o funcţie de reglementare (Fig. 1.18). Interacțiunea centrului alosteric cu efectorul provoacă modificări conformaționale în structura întregii proteine ​​oligomerice datorită labilității conformaționale a acesteia. Acest lucru afectează afinitatea situsului activ pentru un ligand specific și reglează funcția acelei proteine. O schimbare în conformația și funcția tuturor protomerilor în timpul interacțiunii unei proteine ​​oligomere cu cel puțin un ligand se numește modificări conformaționale cooperative. Se numesc efectori care îmbunătățesc funcția proteinelor activatori,și efectori care îi inhibă funcția - inhibitori.

Astfel, proteinele oligomerice, precum și proteinele cu structură de domeniu, au o nouă proprietate în comparație cu proteinele monomerice - capacitatea de a regla alosteric funcțiile (reglare prin atașarea diferiților liganzi la proteină). Acest lucru poate fi văzut comparând structurile și funcțiile a două proteine ​​complexe strâns legate, mioglobina și hemoglobina.

Orez. 1.18. Schema structurii unei proteine ​​dimerice

2. Formarea structurilor spațiale și funcționarea mioglobinei.

Mioglobina (Mb) este o proteină care se găsește în mușchii roșii, a cărei funcție principală este de a crea rezerve de O 2 necesare lucrului muscular intens. Mb este o proteină complexă care conține o parte proteică - apoMb și o parte neproteică - hem. Structura primară a apoMB determină conformația sa globulară compactă și structura centrului activ, de care este atașată partea neproteică a mioglobinei, hem. Oxigenul care vine din sânge către mușchi se leagă de hemii Fe+2 din mioglobină. Mb este o proteină monomerică care are o afinitate foarte mare pentru O 2, prin urmare eliberarea de oxigen de către mioglobină are loc numai în timpul muncii musculare intense, când presiunea parțială a O 2 scade brusc.

Formarea conformaţiei Mv.În mușchii roșii, pe ribozomi în timpul translației, se sintetizează structura primară a MB, reprezentată de o secvență specifică de 153 de resturi de aminoacizi. Structura secundară a lui Mb conține opt elice α, numite cu litere latine de la A la H, între care există regiuni nehelicoidale. Structura terțiară a lui Mb are forma unui globul compact, în adâncitura căruia se află centrul activ între elicele α F și E (Fig. 1.19).

Orez. 1.19. Structura mioglobinei

3. Caracteristici ale structurii și funcționării centrului activ al MV. Centrul activ al Mb este format predominant din radicali de aminoacizi hidrofobi, distanțați larg unul de celălalt în structura primară (de exemplu, Tri 3 9 și Fen 138) Puțin solubili în apă liganzii - hem și O 2 - se atașează la centrul activ. Hemul este un ligand specific al apoMB (Fig. 1.20), a cărui bază este alcătuită din patru inele pirol conectate prin punți metanilice; în centru se află un atom de Fe+ 2 legat de atomii de azot ai inelelor pirol prin patru legături de coordonare. În centrul activ al Mb, pe lângă radicalii de aminoacizi hidrofobi, există și reziduuri a doi aminoacizi cu radicali hidrofili - Gis E 7(Gis 64) și GIS F 8(His 93) (Fig. 1.21).

Orez. 1.20. Structura hemului - partea neproteică a mioglobinei și hemoglobinei

Orez. 1.21. Localizarea hemului și a O2 în locul activ al apomioglobinei și al protomerilor hemoglobinei

Hemul este legat covalent de His F8 printr-un atom de fier. O 2 se atașează de fierul de călcat pe cealaltă parte a planului hem. Lui E 7 este necesar pentru orientarea corectă a O 2 și facilitează adăugarea de oxigen la Fe + 2 hem

GIS F 8 formează o legătură de coordonare cu Fe+ 2 și fixează ferm hemul în centrul activ. Gis E 7 necesar pentru orientarea corectă în centrul activ al altui ligand - O 2 în timpul interacțiunii acestuia cu Fe + 2 hem. Micromediul hemului creează condiții pentru legarea puternică, dar reversibilă, a O2 de Fe + 2 și împiedică intrarea apei în locul activ hidrofob, ceea ce poate duce la oxidarea acestuia la Fe + 3.

Structura monomerică a Mb și centrul său activ determină afinitatea ridicată a proteinei pentru O2.

4. Structura oligomerică a Hb și reglarea afinității Hb față de liganzii O2. Hemoglobinele umane- o familie de proteine, precum mioglobina, legate de proteine ​​complexe (hemoproteine). Au o structură tetramerică și conțin două lanțuri α, dar diferă prin structura celorlalte două lanțuri polipeptidice (lanțuri 2α, 2x). Structura celui de-al doilea lanț polipeptidic determină caracteristicile funcționării acestor forme de Hb. Aproximativ 98% din hemoglobina din globulele roșii ale unui adult este hemoglobina A(2α-, 2p-lanțuri).

În timpul dezvoltării fetale, funcționează două tipuri principale de hemoglobine: Hb embrionară(2α, 2ε), care se găsește în stadiile incipiente ale dezvoltării fetale și hemoglobina F (fetală)- (2α, 2γ), care înlocuiește hemoglobina fetală precoce în luna a șasea de dezvoltare intrauterină și numai după naștere este înlocuită cu Hb A.

HB A este o proteină legată de mioglobina (MB) găsită în globulele roșii umane adulte. Structura protomerilor săi individuali este similară cu cea a mioglobinei. Structurile secundare și terțiare ale mioglobinei și protomerilor hemoglobinei sunt foarte asemănătoare, în ciuda faptului că în structura primară a lanțurilor lor polipeptidice doar 24 de resturi de aminoacizi sunt identice (structura secundară a protomerilor hemoglobinei, ca și mioglobina, conține opt α-helice, desemnată prin litere latine de la A la H , iar structura terţiară are forma unui globule compact). Dar, spre deosebire de mioglobina, hemoglobina are o structură oligomerică, constând din patru lanțuri polipeptidice conectate prin legături necovalente (Figura 1.22).

Fiecare protomer Hb este asociat cu o parte non-proteică - hem și protomeri vecini. Legătura părții proteice a Hb cu hem este similară cu cea a mioglobinei: în centrul activ al proteinei, părțile hidrofobe ale hemului sunt înconjurate de radicali hidrofobi de aminoacizi, cu excepția His F 8 și His E 7, care sunt situate pe ambele părți ale planului hem și joacă un rol similar în funcționarea proteinei și în legarea acesteia cu oxigenul (vezi structura mioglobinei).

Orez. 1.22. Structura oligomerică a hemoglobinei

In afara de asta, Gis E 7 realizează un important rol suplimentarîn funcționarea Nv. Hemul liber are o afinitate de 25.000 de ori mai mare pentru CO decât pentru O2. CO se formează în cantități mici în organism și, având în vedere afinitatea sa mare pentru hem, ar putea perturba transportul de O 2 necesar vieții celulare. Totuși, în compoziția hemoglobinei, afinitatea hemului pentru monoxidul de carbon depășește de numai 200 de ori afinitatea pentru O 2 datorită prezenței His E 7 în centrul activ. Restul acestui aminoacid creează condiții optime pentru legarea hemului de O2 și slăbește interacțiunea hemului cu CO.

5. Funcția principală a HB este transportul O2 de la plămâni la țesuturi. Spre deosebire de mioglobina monomerică, care are o afinitate foarte mare pentru O2 și îndeplinește funcția de stocare a oxigenului în mușchii roșii, structura oligomerică a hemoglobinei oferă:

1) saturarea rapidă a HB cu oxigen în plămâni;

2) capacitatea HB de a elibera oxigen în ţesuturi la o presiune parţială relativ mare de O2 (20-40 mm Hg);

3) posibilitatea de reglare a afinității Hb față de O 2.

6. Modificările cooperante în conformația protomerilor hemoglobinei accelerează legarea O 2 în plămâni și eliberarea acestuia în țesuturi. În plămâni, presiunea parțială ridicată a O2 promovează legarea acestuia de Hb în situsul activ a patru protomeri (2α și 2β). Centrul activ al fiecărui protomer, ca și în mioglobină, este situat între două elice α (F și E) într-un buzunar hidrofob. Conține o parte non-proteică - hem, atașată de partea proteică prin multe interacțiuni hidrofobe slabe și o legătură puternică între Fe 2 + hem și His F 8 (vezi Fig. 1.21).

În deoxihemoglobină, datorită acestei legături cu His F 8, atomul de Fe 2 + iese din planul hem către histidină. Legarea O2 la Fe2+ are loc pe cealaltă parte a hemului în regiunea His E7 folosind o singură legătură de coordonare liberă. His E 7 oferă condiții optime pentru legarea O 2 de fierul hem.

Adăugarea de O 2 la atomul de Fe + 2 al unui protomer determină mișcarea acestuia în planul hem, urmată de reziduul de histidină asociat cu acesta

Orez. 1.23. Modificarea conformației protomerului hemoglobinei atunci când este combinat cu O2

Acest lucru duce la o modificare a conformației tuturor lanțurilor polipeptidice datorită labilității lor conformaționale. Modificarea conformației altor lanțuri facilitează interacțiunea acestora cu moleculele de O 2 ulterioare.

A patra moleculă de O 2 se atașează de hemoglobină de 300 de ori mai ușor decât prima (Fig. 1.24).

Orez. 1.24. Modificări cooperante în conformația protomerilor hemoglobinei în timpul interacțiunii sale cu O2

În țesuturi, fiecare moleculă de O2 ulterioară este scindată mai ușor decât cea anterioară, tot datorită modificărilor cooperante în conformația protomerilor.

7. CO 2 şi H+, formate în timpul catabolismului substanţelor organice, reduc afinitatea hemoglobinei pentru O 2 proporţional cu concentraţia acestora. Energia necesară pentru funcționarea celulelor este produsă în primul rând în mitocondrii în timpul oxidării substanțelor organice folosind O 2 eliberat din plămâni de hemoglobină. Ca urmare a oxidării substanţelor organice se formează produşii finali ai descompunerii acestora: CO 2 şi K 2 O, a căror cantitate este proporţională cu intensitatea proceselor de oxidare în curs.

CO 2 difuzează din celule în sânge și pătrunde în celulele roșii din sânge, unde, sub acțiunea enzimei carbanhidraze, este transformat în acid carbonic. Acest acid slab se disociază într-un proton și un ion de bicarbonat.

H+ sunt capabili să se alăture radicalilor Săi 14 6 în lanțurile α și β ale hemoglobinei, adică în zone îndepărtate de hem. Protonarea hemoglobinei reduce afinitatea acesteia pentru O 2, favorizează eliminarea O 2 din oxiHb, formarea deoxiHb și crește aportul de oxigen către țesuturi proporțional cu numărul de protoni formați (Fig. 1.25).

O creștere a cantității de oxigen eliberat în funcție de creșterea concentrației de H+ în celulele roșii din sânge se numește efect Bohr (numit după fiziologul danez Christian Bohr, care a descoperit primul acest efect).

În plămâni, o presiune parțială mare a oxigenului promovează legarea acestuia la deoxiHb, ceea ce reduce afinitatea proteinei pentru H +. Protonii eliberați sub acțiunea acidului carbonic reacționează cu bicarbonații pentru a forma CO 2 și H 2 O

Orez. 1.25. Dependența afinității Hb pentru O 2 de concentrația de CO 2 și protoni (efectul Bohr):

A- influenţa concentraţiei de CO 2 şi H+ asupra eliberării de O 2 din complexul cu HB (efect Bohr); B- oxigenarea deoxihemoglobinei în plămâni, formarea și eliberarea de CO2.

CO2 rezultat intră în spațiul alveolar și este îndepărtat cu aerul expirat. Astfel, cantitatea de oxigen eliberată de hemoglobină în țesuturi este reglată de produșii catabolismului substanțelor organice: cu cât descompunerea substanțelor este mai intensă, de exemplu în timpul exercițiului fizic, cu atât concentrația de CO 2 și H + este mai mare și cu atât mai mult oxigen. ţesuturile primesc ca urmare a scăderii afinităţii Hb pentru O 2.

8. Reglarea alosterică a afinității Hb pentru O2 de către ligand - 2,3-bisfosfoglicerat.În eritrocite, ligandul alosteric al hemoglobinei, 2,3-bisfosfogliceratul (2,3-BPG), este sintetizat din produsul oxidării glucozei - 1,3-bisfosfoglicerat. În condiții normale, concentrația de 2,3-BPG este ridicată și comparabilă cu concentrația de Hb. 2,3-BPG are o sarcină negativă puternică de -5.

Bisfosfogliceratul din capilarele tisulare, care se leagă de deoxihemoglobină, crește eliberarea de oxigen în țesuturi, reducând afinitatea Hb pentru O2.

În centrul moleculei de hemoglobină tetramerică se află o cavitate. Este format din resturile de aminoacizi ale tuturor celor patru protomeri (vezi Fig. 1.22). În capilarele tisulare, protonarea Hb (efectul Bohr) duce la ruperea legăturii dintre fierul hem și O2. Într-o moleculă

deoxihemoglobina, comparativ cu oxihemoglobina, apar legături ionice suplimentare care leagă protomerii, drept urmare dimensiunile cavității centrale cresc față de oxihemoglobina. Cavitatea centrală este locul de atașare a 2,3-BPG la hemoglobină. Datorită diferenței de dimensiune a cavității centrale, 2,3-BPG se poate atașa doar la deoxihemoglobină.

2,3-BPG interacționează cu hemoglobina într-un loc îndepărtat de centrii activi ai proteinei și aparține alosterică liganzi (reglatori), iar cavitatea centrală a Hb este centru alosteric. 2,3-BPG are o sarcină negativă puternică și interacționează cu cinci grupe încărcate pozitiv ale celor două lanțuri β ale Hb: gruparea α-amino N-terminală a lui Val și radicalii Lys 82 His 143 (Fig. 1.26).

Orez. 1.26. BPG în cavitatea centrală a deoxihemoglobinei

BPG se leagă de trei grupuri încărcate pozitiv pe fiecare catenă β.

În capilarele tisulare, deoxihemoglobina rezultată interacționează cu 2,3-BPG și se formează legături ionice între radicalii încărcați pozitiv ai lanțurilor β și ligandul încărcat negativ, care modifică conformația proteinei și reduc afinitatea Hb pentru O2. . O scădere a afinității Hb pentru O 2 contribuie la o eliberare mai eficientă a O 2 în țesut.

În plămâni, la presiune parțială mare, oxigenul interacționează cu Hb, unind fierul hem; în acest caz, conformația proteinei se modifică, cavitatea centrală scade și 2,3-BPG este deplasat din centrul alosteric.

Astfel, proteinele oligomerice au proprietăți noi în comparație cu proteinele monomerice. Atașarea liganzilor la situsuri

distanță spațial unul de celălalt (alosteric), poate provoca modificări conformaționale în întreaga moleculă proteică. Datorită interacțiunii cu liganzii de reglare, are loc o modificare a conformației și adaptarea funcției moleculei proteice la schimbările de mediu.

TEMA 1.5. MENȚINEREA CONFORMĂȚII NATIVE A PROTEINELOR ÎN CONDIȚII CELULARE

În celule, în timpul sintezei lanțurilor polipeptidice, transportul acestora prin membrane către părțile corespunzătoare ale celulei, în timpul procesului de pliere (formarea conformației native) și în timpul asamblării proteinelor oligomerice, precum și în timpul funcționării lor, intermediare. În structura proteinei apar conformații instabile, predispuse la agregare. Radicalii hidrofobi, de obicei ascunși în interiorul moleculei proteice în conformația nativă, apar la suprafață într-o conformație instabilă și tind să se combine cu grupuri de alte proteine ​​care sunt slab solubile în apă. În celulele tuturor organismelor cunoscute, s-au găsit proteine ​​speciale care asigură plierea optimă a proteinelor celulare, stabilizează conformația lor nativă în timpul funcționării și, cel mai important, mențin structura și funcțiile proteinelor intracelulare atunci când homeostazia este perturbată. Aceste proteine ​​sunt numite "socitori" care înseamnă „dădacă” în franceză.

1. Chaperonele moleculare și rolul lor în prevenirea denaturarii proteinelor.

Chaperonele (CH) sunt clasificate în funcție de masa subunităților lor. Chaperonele cu greutate moleculară mare au o masă de la 60 la 110 kDa. Dintre acestea, trei clase au fost cele mai studiate: Sh-60, Sh-70 și Sh-90. Fiecare clasă include o familie de proteine ​​înrudite. Astfel, Sh-70 conține proteine ​​cu o greutate moleculară de la 66 la 78 kDa. Chaperonele cu greutate moleculară mică au o greutate moleculară de la 40 la 15 kDa.

Printre însoțitori se numără constitutiv proteine, a căror sinteză bazală ridicată nu depinde de efectele stresului asupra celulelor organismului și inductibil, a cărui sinteză în condiții normale este slabă, dar crește brusc sub stres. Chaperonele inductibile sunt numite și „proteine ​​de șoc termic”, deoarece au fost descoperite pentru prima dată în celulele expuse la temperaturi ridicate. În celule, datorită concentrației mari de proteine, reactivarea spontană a proteinelor parțial denaturate este dificilă. Sh-70 poate preveni apariția denaturarii și poate ajuta la restabilirea conformației native a proteinelor. Însoțitori moleculari-70- o clasă foarte conservată de proteine ​​găsite în toate părțile celulei: citoplasmă, nucleu, reticul endoplasmatic, mitocondrii. La capătul carboxil al lanțului polipeptidic unic Ш-70 există o regiune care este un șanț capabil să interacționeze cu peptide de lungime

de la 7 la 9 resturi de aminoacizi îmbogățite cu radicali hidrofobi. Astfel de regiuni din proteinele globulare apar aproximativ la fiecare 16 aminoacizi. Sh-70 este capabil să protejeze proteinele de inactivarea temperaturii și să restabilească conformația și activitatea proteinelor parțial denaturate.

2. Rolul chaperonelor în plierea proteinelor.În timpul sintezei proteinelor pe ribozom, regiunea N-terminală a polipeptidei este sintetizată înaintea celei C-terminale. Pentru a forma conformația nativă, este necesară secvența completă de aminoacizi a proteinei. În procesul de sinteză a proteinelor, chaperonele-70, datorită structurii centrului lor activ, sunt capabile să închidă zonele polipeptidei predispuse la agregare, îmbogățite în radicali de aminoacizi hidrofobi până la finalizarea sintezei (Figura 1.27, A). ).

Orez. 1.27. Participarea chaperonelor la plierea proteinelor

A - participarea chaperonelor-70 la prevenirea interacțiunilor hidrofobe între secțiuni ale polipeptidei sintetizate; B - formarea conformației native a proteinei din complexul de chaperonă

Multe proteine ​​cu molecule înalte care au o conformație complexă, cum ar fi o structură de domeniu, se pliază într-un spațiu special format din Sh-60. Ш-60 funcţionează ca un complex oligomeric format din 14 subunităţi. Ele formează două inele goale, fiecare dintre ele constând din șapte subunități, aceste inele sunt conectate între ele. Fiecare subunitate Sh-60 este formată din trei domenii: apical (apical), îmbogățit cu radicali hidrofobi orientați spre cavitatea inelului, intermediar și ecuatorial (Fig. 1.28).

Orez. 1.28. Structura complexului de chaperonine constând din 14 Ш-60

A - vedere laterală; B - vedere de sus

Proteinele sintetizate, care au elemente pe suprafața caracteristice moleculelor desfășurate, în special radicalii hidrofobi, intră în cavitatea inelelor chaperone. În mediul specific acestor cavități se caută conformații posibile până când se găsește singura care este cea mai favorabilă energetic (Fig. 1.27, B). Formarea conformațiilor și eliberarea proteinelor este însoțită de hidroliza ATP în regiunea ecuatorială. De obicei, o astfel de pliere dependentă de însoțitor necesită o cantitate semnificativă de energie.

Pe lângă participarea la formarea structurii tridimensionale a proteinelor și la renativarea proteinelor parțial denaturate, însoțitorii sunt, de asemenea, necesari pentru apariția unor procese fundamentale precum asamblarea proteinelor oligomerice, recunoașterea și transportul proteinelor denaturate în lizozomi, transportul proteinelor prin membrane și participarea la reglarea activității complexelor proteice.

TEMA 1.6. VARIETATE DE PROTEINE. FAMILII DE PROTEINE: EXEMPLU DE IMUNOGLOBULINE

1. Proteinele joacă un rol decisiv în viața celulelor individuale și a întregului organism multicelular, iar funcțiile lor sunt surprinzător de diverse. Acest lucru este determinat de caracteristicile structurii primare și conformațiilor proteinelor, de structura unică a centrului activ și de capacitatea de a lega liganzi specifici.

Doar o fracțiune foarte mică din toate variantele posibile de lanțuri peptidice poate adopta o structură spațială stabilă; majoritate

dintre ele pot lua multe conformații cu aproximativ aceeași energie Gibbs, dar cu proprietăți diferite. Structura primară a majorității proteinelor cunoscute selectate prin evoluția biologică asigură o stabilitate excepțională a uneia dintre conformații, ceea ce determină caracteristicile funcționării acestei proteine.

2. Familii de proteine.În cadrul aceleiași specii biologice, substituțiile de resturi de aminoacizi pot duce la apariția diferitelor proteine ​​care îndeplinesc funcții înrudite și au secvențe de aminoacizi omoloage. Astfel de proteine ​​înrudite au conformații surprinzător de similare: numărul și pozițiile relative ale elicelor a și/sau structurilor p și majoritatea spirelor și curburilor lanțurilor polipeptidice sunt similare sau identice. Proteinele cu regiuni omoloage ale lanțului polipeptidic, conformație similară și funcții înrudite sunt clasificate în familii de proteine. Exemple de familii de proteine: serin proteinaze, familia imunoglobulinelor, familia mioglobinelor.

Serin proteinaze- o familie de proteine ​​care îndeplinesc funcția de enzime proteolitice. Acestea includ enzime digestive - chimotripsina, tripsina, elastaza si multi factori de coagulare a sangelui. Aceste proteine ​​au aminoacizi identici în 40% din pozițiile lor și o conformație foarte asemănătoare (Fig. 1.29).

Orez. 1.29. Structuri spațiale ale elastazei (A) și chimotripsinei (B)

Unele substituții de aminoacizi au condus la modificări ale specificității substratului acestor proteine ​​și la apariția diversității funcționale în cadrul familiei.

3. Familia imunoglobulinelor.În funcționarea sistemului imunitar, proteinele superfamiliei imunoglobulinelor joacă un rol imens, care include trei familii de proteine:

Anticorpi (imunoglobuline);

receptorii limfocitelor T;

Proteine ​​ale complexului major de histocompatibilitate - MHC clasele 1 și 2 (Complex major de histocompatibilitate).

Toate aceste proteine ​​au o structură de domeniu, constau din domenii asemănătoare imunologice omoloage și îndeplinesc funcții similare: interacționează cu structuri străine, fie dizolvate în sânge, limfă sau lichid intercelular (anticorpi), fie situate la suprafața celulelor (proprii sau străin).

4. Anticorpi- proteine ​​specifice produse de limfocitele B ca răspuns la intrarea unei structuri străine în organism, numite antigen.

Caracteristicile structurii anticorpilor

Cele mai simple molecule de anticorpi constau din patru lanțuri polipeptidice: două ușoare identice - L, care conțin aproximativ 220 de aminoacizi, și două grele identice - H, constând din 440-700 de aminoacizi. Toate cele patru lanțuri din molecula de anticorp sunt conectate prin multe legături necovalente și patru legături disulfurice (Fig. 1.30).

Lanțurile ușor de anticorpi constau din două domenii: un domeniu variabil (VL), situat în regiunea N-terminală a lanțului polipeptidic și un domeniu constant (CL), situat la capătul C-terminal. Lanțurile grele au de obicei patru domenii: o variabilă (VH), situată la capătul N-terminal și trei domenii constante (CH1, CH2, CH3) (vezi Fig. 1.30). Fiecare domeniu de imunoglobulină are o suprastructură β-sheet în care două reziduuri de cisteină sunt legate printr-o legătură disulfurică.

Între cele două domenii constante CH1 și CH2 există o regiune care conține un număr mare de resturi de prolină, care împiedică formarea unei structuri secundare și interacțiunea lanțurilor H învecinate în acest segment. Această regiune balama conferă moleculei de anticorp flexibilitate. Între domeniile variabile ale lanțurilor grele și ușoare există două situsuri identice de legare la antigen (situuri active pentru legare antigene), prin urmare astfel de anticorpi sunt adesea numiți bivalente. Nu întreaga secvență de aminoacizi a regiunilor variabile ale ambelor lanțuri este implicată în legarea antigenului de anticorp, ci doar 20-30 de aminoacizi localizați în regiunile hipervariabile ale fiecărui lanț. Aceste regiuni determină capacitatea unică a fiecărui tip de anticorp de a interacționa cu antigenul complementar corespunzător.

Anticorpii sunt una dintre liniile de apărare ale organismului împotriva organismelor străine invadatoare. Funcționarea lor poate fi împărțită în două etape: prima etapă este recunoașterea și legarea antigenului pe suprafața organismelor străine, ceea ce este posibil datorită prezenței situsurilor de legare a antigenului în structura anticorpului; a doua etapă este inițierea procesului de inactivare și distrugere a antigenului. Specificitatea etapei a doua depinde de clasa de anticorpi. Există cinci clase de lanțuri grele, care diferă unele de altele în structura domeniilor constante: α, δ, ε, γ și μ, conform cărora se disting cinci clase de imunoglobuline: A, D, E, G și M.

Caracteristicile structurale ale lanțurilor grele conferă regiunilor balama și regiunilor C-terminale ale lanțurilor grele o conformație caracteristică fiecărei clase. După ce antigenul se leagă de un anticorp, modificările conformaționale în domeniile constante determină calea pentru îndepărtarea antigenului.

Orez. 1. 30. Structura domeniului IgG

Imunoglobulinele M

Imunoglobulinele M au două forme.

Forma monomerică- clasa I de anticorpi produși prin dezvoltarea limfocitelor B. Ulterior, multe celule B trec la producerea altor clase de anticorpi, dar cu același situs de legare a antigenului. IgM este încorporată în membrană și acționează ca un receptor de recunoaștere a antigenului. Integrarea IgM în membrana celulară este posibilă datorită prezenței a 25 de resturi de aminoacizi hidrofobe în partea de coadă a regiunii.

Forma secretorie a IgM conține cinci subunități monomerice legate între ele prin legături disulfurice și un lanț J polipeptidic suplimentar (Fig. 1.31). Lanțurile grele de monomeri de această formă nu conțin o coadă hidrofobă. Pentamerul are 10 situsuri de legare a antigenului și, prin urmare, este eficient în recunoașterea și îndepărtarea antigenului care intră mai întâi în organism. Forma secretorie a IgM este clasa principală de anticorpi secretați în sânge în timpul răspunsului imun primar. Legarea IgM la un antigen modifică conformația IgM și induce legarea acesteia la prima componentă proteică a sistemului complement (sistemul complement este un set de proteine ​​implicate în distrugerea antigenului) și activarea acestui sistem. Dacă antigenul este situat pe suprafața unui microorganism, sistemul de complement provoacă perturbarea integrității membranei celulare și moartea celulei bacteriene.

Imunoglobulinele G

Cantitativ, această clasă de imunoglobuline predomină în sânge (75% din toate Ig-urile). IgG - monomeri, clasa principală de anticorpi secretați în sânge în timpul unui răspuns imun secundar. După interacțiunea IgG cu antigenele de suprafață ale microorganismelor, complexul antigen-anticorp este capabil să lege și să activeze proteinele sistemului complement sau poate interacționa cu receptorii specifici ai macrofagelor și neutrofilelor. Interacțiunea cu fagocitele conduce

Orez. 1.31. Structura formei secretoare a IgM

la absorbția complexelor antigen-anticorp și distrugerea lor în fagozomii celulari. IgG este singura clasă de anticorpi care sunt capabili să pătrundă în bariera placentară și să ofere protecție intrauterină a fătului împotriva infecțiilor.

Imunoglobulinele A

Clasa principală de anticorpi prezenți în secreții (lapte, saliva, secreții ale tractului respirator și tractului intestinal). IgA este secretată în principal sub formă dimerică, unde monomerii sunt legați unul de celălalt printr-un lanț J suplimentar (Fig. 1.32).

IgA nu interacționează cu sistemul complement și cu celulele fagocitare, dar prin legarea de microorganisme, anticorpii împiedică atașarea lor de celulele epiteliale și pătrunderea în organism.

Imunoglobulinele E

Imunoglobulinele E sunt reprezentate de monomeri în care lanțurile ε grele conțin, ca și lanțurile μ ale imunoglobulinelor M, un domeniu variabil și patru constante. După secreție, IgE se leagă de ea

Orez. 1.32. Structura IgA

Regiunile C-terminale cu receptori corespunzători pe suprafața mastocitelor și bazofilelor. Ca urmare, ei devin receptori pentru antigene de pe suprafața acestor celule (Fig. 1.33).

Orez. 1.33. Interacțiunea IgE cu antigenul de pe suprafața unui mastocit

După ce antigenul se atașează la situsurile corespunzătoare de legare la antigen ale IgE, celulele primesc un semnal pentru a secreta substanțe biologic active (histamină, serotonină), care sunt în mare parte responsabile pentru dezvoltarea reacției inflamatorii și pentru manifestarea reacțiilor alergice, cum ar fi: astm, urticarie, febra fânului.

Imunoglobuline D

Imunoglobulinele D se găsesc în cantități foarte mici în ser; sunt monomeri. Lanțurile grele δ au o variabilă și trei domenii constante. IgD acționează ca receptori pentru limfocitele B; alte funcții sunt încă necunoscute. Interacțiunea antigenelor specifice cu receptorii de pe suprafața limfocitelor B (IgD) duce la transmiterea acestor semnale în celulă și la activarea mecanismelor care asigură proliferarea unei anumite clone de limfocite.

TEMA 1.7. PROPRIETĂȚI FIZICE ȘI CHIMICE ALE PROTEINELOR ȘI METODE DE SEPARARE A LOR

1. Proteinele individuale diferă în proprietăți fizice și chimice:

Forma moleculelor;

Greutate moleculară;

Sarcina totală, a cărei mărime depinde de raportul dintre grupările anionice și cationice ale aminoacizilor;

Raportul dintre radicalii de aminoacizi polari și nepolari de pe suprafața moleculelor;

Grade de rezistență la diferiți agenți de denaturare.

2. Solubilitatea proteinelor depinde asupra proprietăților proteinelor enumerate mai sus, precum și asupra compoziției mediului în care se dizolvă proteina (valori pH, compoziția sării, temperatură, prezența altor substanțe organice care pot interacționa cu proteina). Cantitatea de încărcare a moleculelor de proteine ​​este unul dintre factorii care afectează solubilitatea acestora. Când sarcina din punctul izoelectric se pierde, proteinele se agregează și precipită mai ușor. Acest lucru este tipic în special pentru proteinele denaturate, în care radicalii de aminoacizi hidrofobi apar la suprafață.

Pe suprafața unei molecule de proteine ​​există atât radicali de aminoacizi încărcați pozitiv, cât și negativ. Numărul acestor grupe și, prin urmare, încărcătura totală a proteinelor, depinde de pH-ul mediului, adică. raportul concentrațiilor grupelor H+ - și OH -. Într-un mediu acid O creștere a concentrației de H+ duce la suprimarea disocierii grupărilor carboxil -COO - + H+ > - COOH și la scăderea sarcinii negative a proteinelor. Într-un mediu alcalin, legarea excesului de OH - de către protonii formați în timpul disocierii grupărilor amino -NH 3 + + OH - - NH 2 + H 2 O cu formarea apei, duce la scăderea sarcinii pozitive a proteinelor. . Se numește valoarea pH-ului la care o proteină are o sarcină netă zero punct izoelectric (IEP).În IET, numărul de grupuri încărcate pozitiv și negativ este același, adică. proteina este în stare izoelectrică.

3. Separarea proteinelor individuale. Caracteristicile structurii și funcționării organismului depind de setul de proteine ​​sintetizate în acesta. Studierea structurii și proprietăților proteinelor este imposibilă fără a le izola de celulă și a le purifica de alte proteine ​​și molecule organice. Etape de izolare și purificare a proteinelor individuale:

Distrugerea celulelorţesutul fiind studiat şi obţinerea unui omogenat.

Separarea omogenatului în fracțiuni prin centrifugare, obținând o fracție nucleară, mitocondrială, citosolică sau altă fracție care conține proteina dorită.

Denaturarea termică selectivă- încălzirea pe termen scurt a unei soluții proteice, timp în care unele dintre impuritățile proteice denaturate pot fi îndepărtate (dacă proteina este relativ stabilă la căldură).

Sărare. Diferite proteine ​​precipită la diferite concentrații de sare în soluție. Prin creșterea treptată a concentrației de sare, este posibilă obținerea unui număr de fracții separate cu un conținut predominant de proteine ​​izolate într-una dintre ele. Sulfatul de amoniu este cel mai adesea folosit pentru fracţionarea proteinelor. Proteinele cu cea mai mică solubilitate precipită la concentrații scăzute de sare.

Filtrare pe gel- o metodă de cernere a moleculelor prin granule Sephadex umflate (lanțuri polizaharide tridimensionale de dextran având pori). Viteza cu care proteinele trec printr-o coloană umplută cu Sephadex va depinde de greutatea lor moleculară: cu cât masa moleculelor proteice este mai mică, cu atât ele mai ușor pătrund în granule și rămân acolo mai mult timp; cu cât masa este mai mare, cu atât eluează mai repede din coloană.

Ultracentrifugarea- o metodă care presupune introducerea proteinelor într-un tub de centrifugă în rotorul unei ultracentrifugă. Când rotorul se rotește, viteza de sedimentare a proteinelor este proporțională cu greutatea moleculară a acestora: fracțiile de proteine ​​mai grele sunt situate mai aproape de fundul eprubetei, cele mai ușoare - mai aproape de suprafață.

Electroforeză- o metodă bazată pe diferențele de viteză de mișcare a proteinelor într-un câmp electric. Această valoare este proporțională cu sarcina proteinelor. Electroforeza proteinelor se efectuează pe hârtie (în acest caz, viteza de mișcare a proteinelor este proporțională doar cu sarcina lor) sau într-un gel de poliacrilamidă cu o anumită dimensiune a porilor (viteza de mișcare a proteinelor este proporțională cu sarcina și greutatea moleculară a acestora) .

Cromatografia cu schimb de ioni- o metodă de fracţionare bazată pe legarea grupărilor ionizate de proteine ​​cu grupări încărcate opus de răşini schimbătoare de ioni (materiale polimerice insolubile). Puterea legării proteinei de rășină este proporțională cu sarcina proteinei. Proteinele adsorbite la polimerul schimbător de ioni pot fi spălate cu concentrații crescânde de soluții de NaCl; cu cât este mai mică sarcina de proteine, cu atât este mai mică concentrația de NaCl necesară pentru a spăla proteina legată de grupările ionice ale rășinii.

Cromatografia de afinitate- metoda cea mai specifica de izolare a proteinelor individuale.Un ligand al unei proteine ​​este atasat covalent de un polimer inert. Când o soluție de proteină este trecută printr-o coloană cu un polimer, numai proteina specifică pentru un ligand dat este adsorbită pe coloană datorită legării complementare a proteinei la ligand.

Dializă- o metodă folosită pentru îndepărtarea compușilor cu greutate moleculară mică dintr-o soluție de proteină izolată. Metoda se bazează pe incapacitatea proteinelor de a trece printr-o membrană semi-permeabilă, spre deosebire de substanțele cu greutate moleculară mică. Este folosit pentru a purifica proteinele din impuritățile cu molecularitate scăzută, de exemplu, sărurile după sărare.

TECTURI PENTRU MUNCĂ EXTRAȘCOLARĂ

1. Completați tabelul. 1.4.

Tabelul 1.4. Analiza comparativă a structurii și funcțiilor proteinelor înrudite - mioglobina și hemoglobina

a) amintiți-vă structura centrului activ al lui Mb și Hb. Ce rol joacă radicalii de aminoacizi hidrofobi în formarea centrilor activi ai acestor proteine? Descrieți structura centrului activ al Mb și Hb și mecanismele de atașare a liganzilor la acesta. Ce rol joacă reziduurile His F 8 și His E 7 în funcționarea centrului activ al Mv iHv?

b) ce proprietăți noi are în comparație cu mioglobina monomerică proteina oligomerică strâns înrudită, hemoglobina? Explicați rolul modificărilor cooperante în conformația protomerilor din molecula de hemoglobină, efectul concentrațiilor de CO 2 și protoni asupra afinității hemoglobinei pentru oxigen, precum și rolul 2,3-BPG în reglarea alosterică a funcției Hb .

2. Caracterizați însoțitorii moleculari, acordând atenție relației dintre structura și funcția lor.

3. Ce proteine ​​sunt grupate în familii? Folosind exemplul familiei de imunoglobuline, identificați caracteristicile structurale similare și funcțiile înrudite ale proteinelor acestei familii.

4. Proteinele individuale purificate sunt adesea necesare în scopuri biochimice și medicinale. Explicați pe ce proprietăți fizico-chimice se bazează metodele utilizate pentru separarea și purificarea proteinelor.

SARCINI DE AUTOCONTROL

1. Alege raspunsurile corecte.

Funcțiile hemoglobinei:

A. Transportul O 2 de la plămâni la țesut B. Transportul de H + de la țesuturi la plămâni

B. Menținerea unui pH constant al sângelui D. Transportul CO 2 de la plămâni la țesuturi

D. Transportul CO 2 din țesuturi la plămâni

2. Alege raspunsurile corecte. Ligandα -protomerul Hb este: A. Heme

B. Oxigen

B. CO G. 2,3-BPG

D. β-Protomer

3. Alege raspunsurile corecte.

Hemoglobina spre deosebire de mioglobina:

A. Are o structură cuaternară

B. Structura secundară este reprezentată doar de elice α

B. Aparține proteinelor complexe

D. Interacționează cu un ligand alosteric D. Legat covalent de hem

4. Alege raspunsurile corecte.

Afinitatea Hb pentru O2 scade:

A. Când se adaugă o moleculă de O 2 B. Când o moleculă de O 2 este îndepărtată

B. Când interacționați cu 2,3-BPG

D. Când este atașat de protomeri H + D. Când concentrația de 2,3-BPG scade

5. Meci.

Tipurile HB se caracterizează prin:

A. În formă deoxi formează agregate fibrilare B. Conține două lanțuri α și două δ

B. Forma predominantă de Hb în eritrocitele adulte D. Conține hem cu Fe+ 3 în centrul activ

D. Conține două lanțuri α și două γ 1. HbA 2.

6. Meci.

Liganzii Hb:

A. Se leagă de Hb în centrul alosteric

B. Are o afinitate foarte mare pentru situsul activ al Hb

B. Prin unire, crește afinitatea Hb pentru O 2 G. Oxidează Fe+ 2 la Fe+ 3

D. Formează o legătură covalentă cu hisF8

7. Alege raspunsurile corecte.

Însoțitori:

A. Proteine ​​prezente în toate părțile celulei

B. Sinteza crește sub stres

B. Participa la hidroliza proteinelor denaturate

D. Participa la menținerea conformației native a proteinelor

D. Ele creează organite în care se formează conformația proteinelor.

8. Meci. Imunoglobuline:

A. Forma secretorie este pentamerică.

B. Clasa Ig care pătrunde în bariera placentară

B. Ig - receptor mastocitar

D. Clasa principală de Ig prezentă în secrețiile celulelor epiteliale. D. Receptorul limfocitelor B, a cărui activare asigură proliferarea celulară

9. Alege raspunsurile corecte.

Imunoglobulinele E:

A. Produse de macrofage B. Au lanțuri ε grele.

B. Înglobat în membrana limfocitelor T

D. Acționează ca receptori de antigen de membrană pe mastocite și bazofile

D. Responsabil pentru reacțiile alergice

10. Alege raspunsurile corecte.

Metoda de separare a proteinelor se bazează pe diferențele de greutate moleculară a acestora:

A. Filtrare pe gel

B. Ultracentrifugarea

B. Electroforeza pe gel de poliacrilamidă D. Cromatografia de schimb ionic

D. Cromatografia de afinitate

11. Alege răspunsul corect.

Metoda de separare a proteinelor se bazează pe diferențele de solubilitate a acestora în apă:

A. Filtrare pe gel B. Sărare

B. Cromatografia de schimb ionic D. Cromatografia de afinitate

D. Electroforeza în gel de poliacrilamidă

STANDARDE DE RĂSPUNSURI LA „SARCINI DE AUTOCONTROL”

1. A, B, C, D

2. A, B, C, D

5. 1-B, 2-A, 3-G

6. 1-B, 2-B, 3-A

7. A, B, D, D

8. 1-G; 2-B, 3-B

TERMENI ȘI CONCEPTE DE BAZĂ

1. Proteine ​​oligomerice, protomer, structura cuaternară a proteinelor

2. Modificări cooperante în conformația protomerului

3. Efectul Bohr

4. Reglarea alosterică a funcțiilor proteice, centru alosteric și efector alosteric

5. Chaperone moleculare, proteine ​​de șoc termic

6. Familii de proteine ​​(serin proteaze, imunoglobuline)

7. Relația IgM-, G-, E-, A-structură-funcție

8. Sarcina totală a proteinelor, punctul izoelectric al proteinelor

9. Electroforeza

10. Sărare

11. Filtrare pe gel

12. Cromatografia de schimb ionic

13. Ultracentrifugarea

14. Cromatografia de afinitate

15. Electroforeza proteinelor plasmatice sanguine

SARCINI PENTRU MUNCĂ LA CLASĂ

1. Comparați dependențele gradelor de saturație ale hemoglobinei (Hb) și mioglobinei (Mb) cu oxigenul de presiunea sa parțială în țesuturi

Orez. 1.34. Dependenţa de saturaţie Mv şiNHoxigen din presiunea sa parțială

Vă rugăm să rețineți că forma curbelor de saturație a oxigenului proteinei este diferită: pentru mioglobină - o hiperbolă, pentru hemoglobină - o formă sigmoidă.

1. comparați valorile presiunii parțiale a oxigenului la care Mb și Hb sunt saturate cu O 2 cu 50%. Care dintre aceste proteine ​​are o afinitate mai mare pentru O2?

2. Ce caracteristici structurale ale Mb determină afinitatea sa mare pentru O 2?

3. Ce caracteristici structurale ale HB îi permit să elibereze O2 în capilarele țesuturilor în repaus (la o presiune parțială relativ mare a O2) și să mărească brusc această eliberare în mușchii care lucrează? Ce proprietate a proteinelor oligomerice oferă acest efect?

4. Calculați ce cantitate de O 2 (în %) o dă hemoglobina oxigenată mușchilor care se odihnesc și lucrează?

5. trageți concluzii despre relația dintre structura unei proteine ​​și funcția acesteia.

2. Cantitatea de oxigen eliberată de hemoglobină în capilare depinde de intensitatea proceselor catabolice din țesuturi (efect Bohr). Cum reglează modificările metabolismului tisular afinitatea Hb pentru O2? Efectul CO2 și H+ asupra afinității Hb pentru O2

1. descrie efectul Bohr.

2. în ce direcție se desfășoară procesul prezentat în diagramă:

a) în capilarele plămânilor;

b) în capilarele tisulare?

3. Care este semnificația fiziologică a efectului Bohr?

4. De ce interacțiunea Hb cu H+ la locuri îndepărtate de hem modifică afinitatea proteinei pentru O 2?

3. Afinitatea Hb pentru O2 depinde de concentrația ligandului său - 2,3-bisfosfoglicerat, care este un regulator alosteric al afinității Hb pentru O2. De ce interacțiunea ligandului la un loc îndepărtat de locul activ afectează funcția proteinei? Cum reglează 2,3-BPG afinitatea Hb pentru O2? Pentru a rezolva problema, răspunde la următoarele întrebări:

1. unde și din ce se sintetizează 2,3-bisfosfogliceratul (2,3-BPG)? Scrieți formula acesteia, indicați sarcina acestei molecule.

2. Cu ce ​​formă de hemoglobină (oxi sau deoxi) interacționează BPG și de ce? În ce parte a moleculei de Hb are loc interacțiunea?

3. în ce direcție are loc procesul prezentat în diagramă?

a) în capilarele tisulare;

b) în capilarele plămânilor?

4. unde concentraţia complexului ar trebui să fie mai mare

Nv-2,3-BFG:

a) în capilarele mușchilor în repaus,

b) în capilarele mușchilor care lucrează (cu condiția aceeași concentrație de BPG în eritrocite)?

5. Cum se va schimba afinitatea HB pentru oxigen atunci când o persoană se adaptează la condițiile de altitudine mare, dacă crește concentrația de BPG în eritrocite? Care este semnificația fiziologică a acestui fenomen?

4. Distrugerea 2,3-BPG în timpul depozitării sângelui conservat afectează funcțiile HB. Cum se va schimba afinitatea HB pentru O 2 în sângele conservat dacă concentrația de 2,3-BPG în eritrocite poate scădea de la 8 la 0,5 mmol/l. Este posibil să se transfuzeze un astfel de sânge pacienților grav bolnavi dacă concentrația de 2,3-BPG este restabilită nu mai devreme de trei zile? Este posibil să restabiliți funcțiile celulelor roșii din sânge prin adăugarea de 2,3-BPG în sânge?

5. Amintiți-vă structura celor mai simple molecule de imunoglobuline. Ce rol joacă imunoglobulinele în sistemul imunitar? De ce Ig-urile sunt adesea numite bivalente? Cum se raportează structura Ig-urilor cu funcția lor? (Descrieți folosind un exemplu de clasă de imunoglobuline.)

Proprietățile fizico-chimice ale proteinelor și metodele de separare a acestora.

6. Cum afectează încărcătura netă a unei proteine ​​solubilitatea acesteia?

a) determinați sarcina totală a peptidei la pH 7

Ala-Glu-Tre-Pro-Asp-Liz-Cis

b) cum se va schimba sarcina acestei peptide la pH >7, pH<7, рН <<7?

c) care este punctul izoelectric al unei proteine ​​(IEP) și în ce mediu se află?

IET al acestei peptide?

d) la ce valoare pH se va observa cea mai mică solubilitate a acestei peptide.

7. De ce laptele acru, spre deosebire de laptele proaspăt, se „coagulează” atunci când este fiert (adică precipită cazeina din proteinele din lapte)? În laptele proaspăt, moleculele de cazeină au o sarcină negativă.

8. Filtrarea pe gel este utilizată pentru a separa proteinele individuale. Un amestec care conține proteine ​​A, B, C cu greutăți moleculare egale cu 160.000, 80.000 și, respectiv, 60.000, a fost analizat prin filtrare pe gel (Fig. 1.35). Granulele de gel umflate sunt permeabile la proteinele cu o greutate moleculară mai mică de 70 000. Ce principiu stă la baza acestei metode de separare? Care grafic reflectă corect rezultatele fracționării? Indicați ordinea în care proteinele A, B și C sunt eliberate din coloană.

Orez. 1.35. Utilizarea gelului de filtrare pentru separarea proteinelor

9. În fig. 1.36, A prezintă o diagramă a electroforezei pe hârtie a proteinelor din serul sanguin al unei persoane sănătoase. Cantitățile relative de fracții proteice obținute prin această metodă sunt: ​​albumine 54-58%, α1-globuline 6-7%, α2-globuline 8-9%, β-globuline 13%, y-globuline 11-12%.

Orez. 1.36 Electroforeza pe hârtie a proteinelor plasmatice ale unei persoane sănătoase (A) și ale unui pacient (B)

I - y-globuline; II - β-globuline; III -α 2 -globulina; IV -α 2 -globulina; V - albumine

Multe boli sunt însoțite de modificări cantitative ale compoziției proteinelor serice (disproteinemie). Natura acestor modificări este luată în considerare atunci când se pune un diagnostic și se evaluează severitatea și stadiul bolii.

Aceștia sunt biopolimeri ai căror monomeri sunt aminoacizi.

Aminoacizi sunt compuși organici cu greutate moleculară mică care conțin grupări carboxil (-COOH) și amină (-NH2) care sunt legate de același atom de carbon. Un lanț lateral este atașat de atomul de carbon - un radical care conferă fiecărui aminoacid anumite proprietăți.

Majoritatea aminoacizilor au o grupare carboxil și o grupare amino; aceşti aminoacizi se numesc neutru. Există, totuși, și aminoacizi bazici- cu mai mult de o grupare amino, precum și aminoacizi acizi- cu mai mult de o grupare carboxil.

Există aproximativ 200 de aminoacizi care se găsesc în organismele vii, dar doar 20 dintre ei se găsesc în proteine. Acestea sunt așa-numitele de bază sau proteinogenic aminoacizi.

În funcție de radical, aminoacizii bazici sunt împărțiți în 3 grupe:

1. Nepolar (alanină, metionină, valină, prolină, leucină, izoleucină, triptofan, fenilalanină);
2. Polar neîncărcat (asparagină, glutamină, serină, glicină, tirozină, treonină, cisteină);
3. Încărcat (arginină, histidină, lizină - pozitiv; acid aspartic și glutamic - negativ).

Lanțurile laterale de aminoacizi (radicale) pot fi hidrofobe sau hidrofile și conferă proprietăți corespunzătoare proteinelor.

La plante, toți aminoacizii esențiali sunt sintetizați din produșii primari ai fotosintezei. Oamenii și animalele nu sunt capabili să sintetizeze un număr de aminoacizi proteinogeni și trebuie să îi primească în formă finită împreună cu alimentele. Astfel de aminoacizi sunt numiți esențiali. Acestea includ lizina, valina, leucina, izoleucina, treonina, fenilalanina, triptofanul, metionina; arginina și histidina sunt esențiale pentru copii.

În soluție, aminoacizii pot acționa atât ca acizi, cât și ca baze, adică sunt compuși amfoteri. Gruparea carboxil (-COOH) poate dona un proton, funcționând ca un acid, iar gruparea amină (-NH2) poate accepta un proton, prezentând astfel proprietățile unei baze.

Gruparea amino a unui aminoacid poate reacționa cu gruparea carboxil a altui aminoacid. Molecula rezultată este dipeptidă, iar legătura -CO-NH- se numește legătură peptidică.

La un capăt al moleculei dipeptidei există o grupare amino liberă, iar la celălalt există o grupare carboxil liberă. Datorită acestui fapt, dipeptida poate atașa alți aminoacizi la sine, formând oligopeptide. Dacă mulți aminoacizi (mai mult de 10) sunt combinați în acest fel, atunci polipeptidă.

Peptidele joacă un rol important în organism. Multe aligopeptide sunt hormoni. Acestea sunt oxitocina, vasopresina, hormonul de eliberare a tirotropinei, tirotropina etc. Oligopeptidele includ, de asemenea, bradikidina (peptida durerii) și unele opiacee („medicamente naturale” ale omului), care îndeplinesc funcția de ameliorare a durerii. Luarea de droguri distruge sistemul de opiacee al corpului, astfel încât un dependent de droguri fără o doză de droguri experimentează dureri severe - „sevraj”, care este în mod normal ameliorată de opiacee.

Oligopeptidele includ unele antibiotice (de exemplu, gramicidina S).

Mulți hormoni (insulina, hormonul adrenocorticotrop etc.), antibioticele (de exemplu, gramicidina A), toxine (de exemplu, toxina difterice) sunt polipeptide.

Proteinele sunt polipeptide, a căror moleculă conține de la 50 la câteva mii de aminoacizi cu o greutate moleculară de peste 10.000.

Fiecare proteină are propria sa structură spațială specială într-un anumit mediu. La caracterizarea structurii spațiale (tridimensionale), se disting patru niveluri de organizare a moleculelor de proteine.

Structura primară- secvența de aminoacizi dintr-un lanț polipeptidic. Structura primară este specifică fiecărei proteine ​​și este determinată de informația genetică, adică. depinde de secvența nucleotidelor din secțiunea moleculei de ADN care codifică proteina. Toate proprietățile și funcțiile proteinelor depind de structura primară. Înlocuirea unui singur aminoacid în moleculele de proteine ​​sau schimbarea aranjamentului acestora implică de obicei o schimbare a funcției proteinei. Deoarece proteinele conțin 20 de tipuri de aminoacizi, numărul de opțiuni pentru combinațiile lor în lanțul sexual și peptidic este cu adevărat nelimitat, ceea ce oferă un număr mare de tipuri de proteine ​​în celulele vii.

În celulele vii, moleculele de proteine ​​sau secțiunile individuale ale acestora nu sunt un lanț alungit, ci sunt răsucite într-o spirală, care amintește de un arc extins (așa-numitul α-helix) sau pliate într-un strat pliat (β-stratul). Structura secundară apare ca urmare a formării legăturilor de hidrogen între grupările -CO- și -NH2 - a două legături peptidice în cadrul unui lanț polipeptidic (configurație elicoidală) sau între două lanțuri polipeptidice (straturi pliate).

Proteina cheratină are o configurație complet α-helidiană. Este proteina structurală a părului, blanii, unghiilor, ghearelor, ciocurilor, penelor și coarnelor. Structura secundară spirală este caracteristică, pe lângă cheratina, unor astfel de proteine ​​fibrilare (sub formă de fir) precum miozina, fibrinogenul și colagenul.

În majoritatea proteinelor, secțiunile elicoidale și neelicoidale ale lanțului polipeptidic se pliază într-o formațiune sferică tridimensională - un glob (caracteristic proteinelor globulare). Un globul cu o anumită configurație este structura tertiara veveriţă. Structura terțiară este stabilizată prin legături ionice, de hidrogen, legături disulfurice covalente (care se formează între atomii de sulf care alcătuiesc cisteina), precum și interacțiuni hidrofobe. Cele mai importante în apariția structurii terțiare sunt interacțiunile hidrofobe; În acest caz, proteina se pliază în așa fel încât lanțurile sale laterale hidrofobe sunt ascunse în interiorul moleculei, adică sunt protejate de contactul cu apa, iar lanțurile laterale hidrofile, dimpotrivă, sunt expuse în exterior.

Multe proteine ​​cu o structură deosebit de complexă constau din mai multe lanțuri polipeptidice ținute împreună în moleculă datorită interacțiunilor hidrofobe, precum și cu ajutorul legăturilor de hidrogen și ionice - apare structura cuaternară. Această structură se găsește, de exemplu, în hemoglobina proteică globulară. Molecula sa constă din patru subunități polipeptidice separate (protomeri) situate în structura terțiară și o parte non-proteică - hem. Doar într-o astfel de structură hemoglobina își poate îndeplini funcția de transport.

Sub influența diverșilor factori chimici și fizici (tratament cu alcool, acetonă, acizi, alcali, temperatură ridicată, iradiere, presiune mare etc.), structura terțiară și cuaternară a proteinei se modifică din cauza rupturii legăturilor de hidrogen și ionice. . Procesul de perturbare a structurii native (naturale) a unei proteine ​​se numește denaturare. În acest caz, există o scădere a solubilității proteinelor, o modificare a formei și dimensiunii moleculelor, pierderea activității enzimatice etc. Procesul de denaturare este uneori reversibil, adică revenirea la condițiile normale de mediu poate fi însoțită de refacerea spontană a structurii naturale a proteinei. Acest proces se numește renaturare. Rezultă că toate caracteristicile structurii și funcționării unei macromolecule proteice sunt determinate de structura sa primară.

Pe baza compoziției lor chimice, proteinele sunt împărțite în simple și complexe. LA simplu includ proteine ​​care constau numai din aminoacizi și complex- conținând o parte proteică și o parte neproteică (prostatică) - ioni metalici, carbohidrați, lipide etc. Proteinele simple sunt albumina serică, imunoglobulina (anticorpi), fibrina, unele enzime (tripsina) etc. Proteinele complexe sunt toate proteolipide. și glicoproteinele, hemoglobina, majoritatea enzimelor etc.

Funcțiile proteinelor

Structural.

Proteinele fac parte din membranele celulare și din organelele celulare. Pereții vaselor de sânge, cartilajele, tendoanele, părul, unghiile și ghearele la animalele superioare constau în principal din proteine.

Catalitic (enzimatic).

Proteinele enzimatice catalizează toate reacțiile chimice din organism. Ele asigură descompunerea nutrienților în tractul digestiv, fixarea carbonului în timpul fotosintezei, reacții de sinteză a matricei etc.

Transport.

Proteinele sunt capabile să atașeze și să transporte diferite substanțe. Albuminele din sânge transportă acizi grași, globulinele transportă ioni metalici și hormoni. Hemoglobina transportă oxigen și dioxid de carbon.

Moleculele de proteine ​​care alcătuiesc membrana plasmatică participă la transportul de substanțe în și în afara celulei.

De protecţie.

Este realizat de imunoglobuline (anticorpi) din sânge, care asigură apărarea imunitară a organismului. Fibrinogenul și trombina sunt implicate în coagularea sângelui și previn sângerarea.

contractilă.

Este asigurată de mișcarea filamentelor de proteine ​​​​de actină și miozină unul față de celălalt în mușchi și în interiorul celulelor. Alunecarea microtubulilor, construiti din proteina tubulina, explica miscarea cililor si flagelilor.

de reglementare.

Mulți hormoni sunt oligopeptide sau proteine, de exemplu: insulina, glucagonul, hormonul adenocorticotrop etc.

Receptor.

Unele proteine ​​încorporate în membrana celulară sunt capabile să-și schimbe structura ca răspuns la mediul extern. Acesta este modul în care semnalele sunt primite din mediul extern și informațiile sunt transmise în celulă. Un exemplu ar fi fitocrom- o proteină sensibilă la lumină care reglează răspunsul fotoperiodic al plantelor și opsin- componentă rodopsina, un pigment găsit în celulele retinei.

Biletul 2. 1. Factori nutritivi esentiali de natura lipidica. Unele lipide nu sunt sintetizate în corpul uman și, prin urmare, sunt factori nutriționali esențiali. Acestea includ acizi grași cu două sau mai multe legături duble (polien) - acizi grași esențiali. Unii dintre acești acizi sunt substraturi pentru sinteza hormonilor locali - eicosanoizi (subiectul 8.10).

Vitamine liposolubile indeplineste diverse functii: vitamina A participă la procesul de vedere, precum și la creșterea și diferențierea celulelor; capacitatea sa de a inhiba creșterea anumitor tipuri de tumori a fost dovedită; vitamina K participă la coagularea sângelui; vitamina D participă la reglarea metabolismului calciului; vitamina E- antioxidant, inhiba formarea radicalilor liberi si astfel contracareaza deteriorarea celulelor ca urmare a peroxidarii lipidelor.

Document

2.Structura și nivelurile de organizare structurală a proteinelor

Există patru niveluri de organizare structurală a proteinelor: primar, secundar, terțiar și cuaternar. Fiecare nivel are propriile sale caracteristici.

Structura primară a proteinei

Structura primară a proteinelor este un lanț polipeptidic liniar de aminoacizi conectați prin legături peptidice. Structura primară este cel mai simplu nivel de organizare structurală a unei molecule de proteine. Stabilitate ridicată îi este dată de legăturile peptidice covalente dintre gruparea α-amino a unui aminoacid și gruparea α-carboxil a unui alt aminoacid. [spectacol].

Dacă gruparea imino a prolinei sau hidroxiprolinei este implicată în formarea unei legături peptidice, atunci are o formă diferită [spectacol].

Când se formează legături peptidice în celule, gruparea carboxil a unui aminoacid este mai întâi activată și apoi se combină cu gruparea amino a altuia. Sinteza de laborator a polipeptidelor se realizează aproximativ în același mod.

O legătură peptidică este un fragment repetat al unui lanț polipeptidic. Are o serie de caracteristici care afectează nu numai forma structurii primare, ci și nivelurile superioare de organizare a lanțului polipeptidic:

coplanaritate - toți atomii incluși în grupul peptidic sunt în același plan;

capacitatea de a exista în două forme de rezonanță (forma ceto sau enol);

poziţia trans a substituenţilor faţă de legătura C-N;

capacitatea de a forma legături de hidrogen și fiecare dintre grupele peptidice poate forma două legături de hidrogen cu alte grupări, inclusiv cu cele peptidice.

Excepție fac grupele peptidice care implică gruparea amino a prolinei sau hidroxiprolinei. Ei sunt capabili să formeze o singură legătură de hidrogen (vezi mai sus). Acest lucru afectează formarea structurii secundare a proteinei. Lanțul polipeptidic din zona în care se află prolina sau hidroxiprolina se îndoaie ușor, deoarece nu este ținut, ca de obicei, de o a doua legătură de hidrogen.

Nomenclatura peptidelor și polipeptidelor. Numele peptidelor este alcătuit din denumirile aminoacizilor lor constituenți. Doi aminoacizi formează o dipeptidă, trei fac o tripeptidă, patru fac o tetrapeptidă etc. Fiecare peptidă sau lanț polipeptidic de orice lungime are un aminoacid N-terminal care conține o grupare amino liberă și un aminoacid C-terminal care conține un carboxil liber. grup. La denumirea polipeptidelor, toţi aminoacizii sunt enumeraţi secvenţial, începând cu cel N-terminal, înlocuind în denumirea lor, cu excepţia celui C-terminal, sufixul -in cu -il (întrucât aminoacizii din peptide nu mai au un grupa carboxil, ci una carbonil). De exemplu, numele prezentat în Fig. 1 tripeptidă - leuc nămol fenilalan nămol treon în.

Caracteristicile structurii primare a proteinei. În coloana vertebrală a lanțului polipeptidic, structurile rigide (grupe peptidice plate) alternează cu regiuni relativ mobile (-CHR), care sunt capabile să se rotească în jurul legăturilor. Astfel de caracteristici structurale ale lanțului polipeptidic afectează aranjamentul său spațial.

Structura secundară a proteinei

Structura secundară este o modalitate de pliere a unui lanț polipeptidic într-o structură ordonată datorită formării legăturilor de hidrogen între grupările peptidice ale aceluiași lanț sau lanțurile polipeptidice adiacente. În funcție de configurația lor, structurile secundare sunt împărțite în elicoidale (α-helix) și pliate în straturi (β-structură și cruce-β-form).

α-helix. Acesta este un tip de structură proteică secundară care arată ca o spirală obișnuită, formată datorită legăturilor de hidrogen interpeptidice din cadrul unui lanț polipeptidic. Modelul structurii α-helixului (Fig. 2), care ia în considerare toate proprietățile legăturii peptidice, a fost propus de Pauling și Corey. Principalele caracteristici ale α-helix:

configurația elicoidală a lanțului polipeptidic având simetrie elicoidală;

formarea de legături de hidrogen între grupările peptidice ale fiecărui prim și al patrulea rest de aminoacid;

regularitatea rotațiilor spiralate;

echivalența tuturor reziduurilor de aminoacizi din α-helix, indiferent de structura radicalilor lor laterali;

radicalii laterali ai aminoacizilor nu participă la formarea α-helixului.

În exterior, α-helixul arată ca o spirală ușor întinsă a unui aragaz electric. Regularitatea legăturilor de hidrogen între prima și a patra grupare peptidică determină regularitatea spirelor lanțului polipeptidic. Înălțimea unei ture sau pasul elicei α este de 0,54 nm; include 3,6 resturi de aminoacizi, adică fiecare reziduu de aminoacizi se mișcă de-a lungul axei (înălțimea unui rest de aminoacizi) cu 0,15 nm (0,54:3,6 = 0,15 nm), ceea ce ne permite să vorbim despre echivalența tuturor reziduurilor de aminoacizi. în α-helix. Perioada de regularitate a unui α-helix este de 5 ture sau 18 reziduuri de aminoacizi; lungimea unei perioade este de 2,7 nm. Orez. 3. Modelul a-helix Pauling-Corey

β-Structură. Acesta este un tip de structură secundară care are o configurație ușor curbată a lanțului polipeptidic și este format din legături interpeptidice de hidrogen în secțiuni individuale ale unui lanț polipeptidic sau lanțuri polipeptidice adiacente. Se mai numește și o structură cu pliuri stratificate. Există varietăți de structuri β. Regiunile limitate stratificate formate dintr-un lanț polipeptidic al unei proteine ​​sunt numite formă încrucișată β (structură β scurtă). Legăturile de hidrogen în formă încrucișată-β se formează între grupările peptidice ale buclelor lanțului polipeptidic. Un alt tip - structura β completă - este caracteristic întregului lanț polipeptidic, care are o formă alungită și este ținut de legături interpeptidice de hidrogen între lanțurile polipeptidice paralele adiacente (Fig. 3). Această structură seamănă cu burduful unui acordeon. Mai mult, sunt posibile variante ale structurilor β: pot fi formate din lanțuri paralele (capetele N-terminale ale lanțurilor polipeptidice sunt direcționate în aceeași direcție) și antiparalele (capetele N-terminale sunt direcționate în direcții diferite). Radicalii laterali ai unui strat sunt plasați între radicalii laterali ai altui strat.

În proteine, tranzițiile de la structurile α la structurile β și înapoi sunt posibile datorită rearanjarii legăturilor de hidrogen. În loc de legături interpeptidice regulate de hidrogen de-a lungul lanțului (mulțumită cărora lanțul polipeptidic este răsucit într-o spirală), secțiunile elicoidale se desfășoară și legăturile de hidrogen se închid între fragmentele alungite ale lanțurilor polipeptidice. Această tranziție se găsește în keratina, proteina părului. La spălarea părului cu detergenți alcalini, structura elicoidală a β-keratinei este ușor distrusă și se transformă în α-keratina (părul creț se îndreaptă).

Distrugerea structurilor secundare regulate ale proteinelor (elice α și structuri β), prin analogie cu topirea unui cristal, se numește „topirea” polipeptidelor. În acest caz, legăturile de hidrogen sunt rupte, iar lanțurile polipeptidice iau forma unei încurcături aleatorii. În consecință, stabilitatea structurilor secundare este determinată de legăturile de hidrogen interpeptidice. Alte tipuri de legături nu participă aproape deloc la aceasta, cu excepția legăturilor disulfurice de-a lungul lanțului polipeptidic în locațiile reziduurilor de cisteină. Peptidele scurte sunt închise în cicluri din cauza legăturilor disulfurice. Multe proteine ​​conțin atât regiuni elicoidale α, cât și structuri β. Aproape nu există proteine ​​naturale formate din 100% α-helix (excepția este paramiozina, o proteină musculară care este 96-100% α-helix), în timp ce polipeptidele sintetice au 100% helix.

Alte proteine ​​au grade diferite de înfăşurare. O frecvență ridicată a structurilor elicoidale α este observată în paramiozină, mioglobină și hemoglobină. În contrast, în tripsină, o ribonuclează, o parte semnificativă a lanțului polipeptidic este pliată în structuri β stratificate. Proteinele țesuturilor de susținere: keratina (proteina părului, lână), colagenul (proteina tendoanelor, pielea), fibroina (proteina din mătasea naturală) au o configurație β a lanțurilor polipeptidice. Gradele diferite de elicitate ale lanțurilor polipeptidice ale proteinelor indică faptul că, în mod evident, există forțe care perturbă parțial helicitatea sau „rup” plierea regulată a lanțului polipeptidic. Motivul pentru aceasta este o pliere mai compactă a lanțului polipeptidic proteic într-un anumit volum, adică într-o structură terțiară.

Structura terțiară a proteinelor

Structura terțiară a unei proteine ​​este modul în care lanțul polipeptidic este aranjat în spațiu. Pe baza formei structurii lor terțiare, proteinele sunt împărțite în principal în globulare și fibrilare. Proteinele globulare au cel mai adesea o formă elipsoidă, iar proteinele fibrilare (sub formă de fir) au o formă alungită (forma tijă sau fus).

Cu toate acestea, configurația structurii terțiare a proteinelor nu dă încă motive să se creadă că proteinele fibrilare au doar o structură β, iar proteinele globulare au o structură α-helidiană. Există proteine ​​fibrilare care au o structură secundară pliată, mai degrabă elicoidală decât stratificată. De exemplu, α-keratina și paramiozina (proteina mușchiului obturator al moluștelor), tropomiozinele (proteinele mușchilor scheletici) aparțin proteinelor fibrilare (au formă de tijă), iar structura lor secundară este α-helix; în contrast, proteinele globulare pot conține un număr mare de structuri β.

Spiralizarea unui lanț polipeptidic linear reduce dimensiunea acestuia de aproximativ 4 ori; iar ambalarea în structura terțiară o face de zeci de ori mai compactă decât lanțul original.

Legături care stabilizează structura terțiară a unei proteine. Legăturile dintre radicalii laterali ai aminoacizilor joacă un rol în stabilizarea structurii terțiare. Aceste conexiuni pot fi împărțite în:

puternic (covalent) [spectacol].

slab (polar și van der Waals) [spectacol].

Numeroase legături între radicalii laterali ai aminoacizilor determină configurația spațială a moleculei proteice.

Caracteristicile organizării structurii terțiare a proteinelor. Conformația structurii terțiare a lanțului polipeptidic este determinată de proprietățile radicalilor laterali ai aminoacizilor incluși în acesta (care nu au un efect vizibil asupra formării structurilor primare și secundare) și de micromediu, adică mediu inconjurator. Atunci când este pliat, lanțul polipeptidic al unei proteine ​​tinde să ia o formă favorabilă din punct de vedere energetic, caracterizată printr-un minim de energie liberă. Prin urmare, grupările R nepolare, „evitând” apa, formează, așa cum ar fi, partea internă a structurii terțiare a proteinei, unde se află partea principală a reziduurilor hidrofobe ale lanțului polipeptidic. Aproape că nu există molecule de apă în centrul globului proteic. Grupările R polare (hidrofile) ale aminoacidului sunt situate în afara acestui miez hidrofob și sunt înconjurate de molecule de apă. Lanțul polipeptidic este îndoit complex în spațiul tridimensional. Când se îndoaie, conformația elicoială secundară este perturbată. Lanțul „se rupe” în punctele slabe în care se află prolina sau hidroxiprolina, deoarece acești aminoacizi sunt mai mobili în lanț, formând o singură legătură de hidrogen cu alte grupări peptidice. Un alt loc de îndoire este glicina, care are o grupă R mică (hidrogen). Prin urmare, grupele R ale altor aminoacizi, atunci când sunt stivuite, tind să ocupe spațiul liber din locația glicinei. O serie de aminoacizi - alanina, leucina, glutamatul, histidina - contribuie la pastrarea structurilor elicoidale stabile in proteine, iar cum ar fi metionina, valina, izoleucina, acidul aspartic favorizeaza formarea structurilor β. Într-o moleculă de proteină cu configurație terțiară, există regiuni sub formă de elice α (elicoidale), structuri β (stratificate) și o spirală aleatorie. Numai aranjarea spațială corectă a proteinei o face activă; încălcarea acestuia duce la modificări ale proprietăților proteinelor și la pierderea activității biologice.

Structura proteinelor cuaternare

Proteinele formate dintr-un lanț polipeptidic au doar structură terțiară. Acestea includ mioglobina - o proteină din țesutul muscular implicată în legarea oxigenului, o serie de enzime (lizozimă, pepsină, tripsină etc.). Cu toate acestea, unele proteine ​​sunt construite din mai multe lanțuri polipeptidice, fiecare dintre ele având o structură terțiară. Pentru astfel de proteine ​​a fost introdus conceptul de structură cuaternară, care este organizarea mai multor lanțuri polipeptidice cu structură terțiară într-o singură moleculă de proteină funcțională. O astfel de proteină cu structură cuaternară se numește oligomer, iar lanțurile sale polipeptidice cu structură terțiară se numesc protomeri sau subunități (Fig. 4).

La nivel cuaternar de organizare, proteinele păstrează configurația de bază a structurii terțiare (globulare sau fibrilare). De exemplu, hemoglobina este o proteină cu structură cuaternară și este formată din patru subunități. Fiecare dintre subunități este o proteină globulară și, în general, hemoglobina are și o configurație globulară. Proteinele părului și lânii - keratinele, înrudite în structură terțiară cu proteinele fibrilare, au o conformație fibrilă și o structură cuaternară.

Stabilizarea structurii cuaternare a proteinelor. Toate proteinele care au o structură cuaternară sunt izolate sub formă de macromolecule individuale care nu se descompun în subunități. Contactele dintre suprafețele subunităților sunt posibile numai datorită grupărilor polare ale reziduurilor de aminoacizi, deoarece în timpul formării structurii terțiare a fiecăruia dintre lanțurile polipeptidice, radicalii laterali ai aminoacizilor nepolari (care alcătuiesc majoritatea toți aminoacizii proteinogeni) sunt ascunși în interiorul subunității. Între grupările lor polare se formează numeroase legături ionice (sare), hidrogen și, în unele cazuri, legături disulfurice, care țin ferm subunitățile sub forma unui complex organizat. Utilizarea de substanțe care rup legăturile de hidrogen sau de substanțe care reduc punțile disulfurice determină dezagregarea protomerilor și distrugerea structurii cuaternare a proteinei. În tabel 1 rezumă datele privind legăturile care stabilizează diferite niveluri de organizare a moleculei proteice [spectacol].

Caracteristici ale organizării structurale a unor proteine ​​fibrilare

Organizarea structurală a proteinelor fibrilare are o serie de caracteristici în comparație cu proteinele globulare. Aceste caracteristici pot fi observate în exemplul keratinei, fibroinei și colagenului. Keratinele există în formațiile α și β. α-Keratinele și fibroina au o structură secundară stratificată, totuși, în cheratina lanțurile sunt paralele, iar în fibroină sunt antiparalele (vezi Fig. 3); În plus, keratina conține legături disulfurice intercatenare, în timp ce fibroina nu le are. Ruperea legăturilor disulfurice duce la separarea lanțurilor polipeptidice din cheratine. Dimpotrivă, formarea numărului maxim de legături disulfurice în cheratine prin expunerea la agenți oxidanți creează o structură spațială puternică. În general, în proteinele fibrilare, spre deosebire de proteinele globulare, uneori este dificil să se facă distincția strictă între diferitele niveluri de organizare. Dacă acceptăm (ca pentru o proteină globulară) că structura terțiară ar trebui să fie formată prin așezarea unui lanț polipeptidic în spațiu, iar structura cuaternară cu mai multe lanțuri, atunci în proteinele fibrilare sunt implicate mai multe lanțuri polipeptidice deja în timpul formării structurii secundare. . Un exemplu tipic de proteină fibrilă este colagenul, care este una dintre cele mai abundente proteine ​​din corpul uman (aproximativ 1/3 din masa tuturor proteinelor). Se găsește în țesuturile care au rezistență mare și extensibilitate scăzută (oase, tendoane, piele, dinți etc.). În colagen, o treime din reziduurile de aminoacizi sunt glicină și aproximativ un sfert sau puțin mai mult sunt prolină sau hidroxiprolină.

Lanțul polipeptidic izolat de colagen (structură primară) arată ca o linie întreruptă. Conține aproximativ 1000 de aminoacizi și are o greutate moleculară de aproximativ 10 5 (Fig. 5, a, b). Lanțul polipeptidic este construit dintr-un trio repetat de aminoacizi (triplet) cu următoarea compoziție: gly-A-B, unde A și B sunt orice aminoacizi, alții decât glicina (cel mai adesea prolină și hidroxiprolina). Lanțurile polipeptidice de colagen (sau lanțuri α) în timpul formării structurilor secundare și terțiare (Fig. 5, c și d) nu pot produce elice α tipice cu simetrie elicoidală. Prolina, hidroxiprolina și glicina (aminoacizi antihelical) interferează cu acest lucru. Prin urmare, trei lanțuri α formează, parcă, spirale răsucite, ca trei fire care se înfășoară în jurul unui cilindru. Trei lanțuri α elicoidale formează o structură de colagen care se repetă numită tropocolagen (Fig. 5d). Tropocolagenul în organizarea sa este structura terțiară a colagenului. Inelele plate de prolină și hidroxiprolină care alternează în mod regulat de-a lungul lanțului îi conferă rigiditate, la fel ca și legăturile intercatenare dintre lanțurile α de tropocolagen (de aceea colagenul este rezistent la întindere). Tropocolagenul este în esență o subunitate a fibrilelor de colagen. Așezarea subunităților de tropocolagen în structura cuaternară a colagenului are loc în mod treptat (Fig. 5e).

Stabilizarea structurilor de colagen are loc datorită legăturilor intercatenare de hidrogen, ionice și van der Waals și unui număr mic de legături covalente.

Lanțurile α de colagen au structuri chimice diferite. Există diferite tipuri de lanțuri α 1 (I, II, III, IV) și lanțuri α 2. În funcție de care lanțuri α 1 - și α 2 - sunt implicate în formarea helixului cu trei catene de tropocolagen, se disting patru tipuri de colagen:

primul tip - două α 1 (I) și un lanț α 2;

al doilea tip - trei lanțuri α 1 (II);

al treilea tip - trei lanțuri α 1 (III);

al patrulea tip - trei lanțuri α 1 (IV).

Cel mai frecvent colagen este primul tip: se găsește în țesutul osos, piele, tendoane; colagenul de tip 2 se găsește în țesutul cartilajului etc. Un tip de țesut poate conține diferite tipuri de colagen.

Agregarea ordonată a structurilor de colagen, rigiditatea și inerția lor asigură rezistența ridicată a fibrelor de colagen. Proteinele de colagen conțin și componente carbohidrați, adică sunt complexe proteine-carbohidrați.

Colagenul este o proteină extracelulară care este formată din celulele țesutului conjunctiv găsite în toate organele. Prin urmare, cu deteriorarea colagenului (sau întreruperea formării acestuia), apar multiple încălcări ale funcțiilor de susținere ale țesutului conjunctiv al organelor.

Lanțul polipeptidic alfa se termină cu combinația de aminoacizi valină-leucină, iar lanțul polipeptidic beta se termină cu combinația valină-histidină-leucină. Lanțurile polipeptidice alfa și beta din molecula de hemoglobină nu sunt aranjate liniar; aceasta este structura primară. Datorită existenței forțelor intramoleculare, lanțurile polipeptidice sunt răsucite sub forma unei helix alfa-helix (structură secundară) tipică proteinelor. Helixul alfa-helix în sine se îndoaie spațial pentru fiecare lanț polipeptidic alfa și beta, formând plexuri de formă ovoidă (structură terțiară). Părțile individuale ale spiralelor alfa-helix ale lanțurilor polipeptidice sunt marcate cu litere latine de la A la H. Toate cele patru lanțuri polipeptidice alfa și beta curbate terțiare sunt situate spațial într-o anumită relație - o structură cuaternară. Ele sunt conectate nu prin legături chimice reale, ci prin forțe intermoleculare.

S-a dovedit că oamenii au trei tipuri principale de hemoglobină normală: embrionară - U, fetală - F și hemoglobină adultă - A. HbU (numit după litera inițială a cuvântului uter) apare în embrion între 7 și 12 săptămâni de viață, apoi dispare si apare hemoglobina fetala, care dupa luna a treia este hemoglobina principala a fatului. În continuare, apare treptat hemoglobina adultă obișnuită, numită HbA, după litera inițială a cuvântului englez „adult”. Cantitatea de hemoglobină fetală scade treptat, astfel încât în ​​momentul nașterii, 80% din hemoglobină este HbA și doar 20% este HbF. După naștere, hemoglobina fetală continuă să scadă și la 2–3 ani de viață este de doar 1–2%. Aceeași cantitate de hemoglobină fetală este la un adult. O cantitate de HbF care depășește 2% este considerată patologică pentru un adult și pentru copiii cu vârsta peste 3 ani.

Pe lângă tipurile normale de hemoglobină, în prezent sunt cunoscute peste 50 de variante patologice. Au fost numiți pentru prima dată cu litere latine. Litera B este absentă în desemnarea tipurilor de hemoglobină, deoarece inițial a desemnat HbS.

Hemoglobina (Hb)- o cromoproteină prezentă în celulele roșii din sânge și implicată în transportul oxigenului către țesuturi. Hemoglobina la adulți se numește hemoglobină A (Hb A). Greutatea sa moleculară este de aproximativ 65.000 Da. Molecula Hb A are o structură cuaternară și include patru subunități - lanțuri polipeptidice (denumite α1, α2, β1 și β2, fiecare dintre ele asociată cu hem.

Amintiți-vă că hemoglobina este o proteină alosterică; moleculele sale se pot schimba reversibil de la o conformație la alta. Aceasta modifică afinitatea proteinei pentru liganzi. Conformația cu cea mai mică afinitate pentru ligand se numește timp sau T-conformație. Conformația cu cea mai mare afinitate pentru ligand este denumită conformație relaxată sau R-conformație.

Conformațiile R și T ale moleculei de hemoglobină sunt într-o stare de echilibru dinamic:

Diferiți factori de mediu pot schimba acest echilibru într-o direcție sau alta. Regulatorii alosterici care afectează afinitatea Hb pentru O2 sunt: ​​1) oxigenul; 2) concentraţia H+ (pH mediu); 3) dioxid de carbon (CO2); 4) 2,3-difosfoglicerat (DPG). Atașarea unei molecule de oxigen la una dintre subunitățile hemoglobinei promovează tranziția unei conformații tensionate la una relaxată și crește afinitatea pentru oxigen a altor subunități ale aceleiași molecule de hemoglobină. Acest fenomen se numește efect de cooperare. Natura complexă a legării hemoglobinei de oxigen este reflectată de curba de saturație a hemoglobinei O2, care are o formă de S (Figura 3.1).

Figura 3.1. Curbele de saturație a mioglobinei (1) și hemoglobinei (2).

Forme moleculare hemoglobina diferă între ele în structura lanțurilor polipeptidice. Un exemplu de astfel de varietate de hemoglobină care există în condiții fiziologice este hemoglobina fetala (HbF), prezente în sânge în timpul etapei embrionare a dezvoltării umane. Spre deosebire de HbA, molecula sa conține 2 lanțuri α și 2 lanțuri γ (adică lanțurile β sunt înlocuite cu lanțuri γ). O astfel de hemoglobină are o afinitate mai mare pentru oxigen. Acesta este ceea ce permite embrionului să primească oxigen din sângele mamei prin placentă. La scurt timp după naștere, HbF din sângele copilului este înlocuită cu HbA.

Un exemplu de hemoglobină anormală sau patologică este hemoglobina S deja menționată (vezi 2.4.), întâlnită la pacienții cu anemie falciformă. După cum știți deja, aceasta diferă de hemoglobina A prin înlocuirea glutamatului cu valină în lanțurile β. Această substituție de aminoacizi determină o scădere a solubilității HbS în apă și o scădere a afinității sale pentru O2.