Будова і функції білків, Лекція

23.09.2015

Карагандинская державна медична академія

Лекція «Введення Будова та функції білків»

Дисципліна Біологічна хімія

Спеціальність 051301 — Загальна медицина

Курс II

Час (тривалість) 50 хвилин

Караганда 2008р.

Затверджено на методичній нараді кафедри

«______»________________2008, Протокол №_____

Зав.кафедрою, професор______________ К. Е. Муравлева

Тема: Введення. Будова і функції білків.

Мета: ознайомити студентів з особливостями структурної організації та фізико-хімічними властивостями білків

План лекції:

1.Уявлення про білки як найважливішому класі органічних речовин і структурно-функціональному компоненті організму людини.

2.Первинна, вторинна і третинна структура білків. Поняття про активному центрі білків.

3.Загальна характеристика олігомерних білків.

4.Фізико-хімічні властивості білків. Денатурація білків. Фактори, що викликають денатурацию білків. Поняття про шаперонах. Медичне значення

1.Уявлення про білки як найважливішому класі органічних речовин і структурно-функціональному компоненті організму людини.

Кінець форми

Будова і функції білків, Лекція

БІЛКИ або ПРОТЕЇНИ — це високомолекулярні азотовмісні органічні речовини, лінійні гетерополімерів, структурним компонентом яких є амінокислоти, пов’язані пептидними зв’язками.

У природі зустрічаються десятки тисяч різних білків. І всі вони відрізняються один від одного по п’яти основним ознакою.

Основні відмінності в будові білкових молекул

За кількістю амінокислот

За співвідношенням кількості різних амінокислот. Наприклад, у білку сполучної тканини колагені 33% від загальної кількості амінокислот становить гліцин, а в молекулі білкового гормону інсуліну, що виробляється в підшлунковій залозі, вміст гліцину набагато менше – всього 8%.

Різна послідовність чергування амінокислот. Це означає, що навіть при однаковому співвідношенні різних амінокислот в яких-небудь двох білках порядок їх розташування цих амінокислот різний, то це будуть різні білки.

Кількість поліпептидних ланцюгів у різних білках може варіювати від 1 до 12, але якщо більше одиниці, то зазвичай парна (2, 4, 6 і т.п.)

За наявності небілкового компонента, який називається «ПРОСТЕТИЧНОЇ ГРУПА». Якщо її немає, то це – простий білок, якщо є – складний білок

2.Первинна, вторинна і третинна структура білків. Поняття про активному центрі білків

Формується за рахунок COOH-групи однієї амінокислоти і NH2 -групи сусідній амінокислоти. У назві пептиду закінчення назв всіх амінокислот, крім останньої, що знаходиться на «З»-кінці молекули змінюються на «іл». Наприклад, тетрапептид: валив-аспарагил-лизил-серин

ПЕПТИДНИЙ ЗВ’ЯЗОК формується ТІЛЬКИ ЗА РАХУНОК АЛЬФА-АМІНОГРУПИ І СУСІДНІЙ COOH-ГРУПИ ЗАГАЛЬНОГО ДЛЯ ВСІХ АМІНОКИСЛОТ ФРАГМЕНТА МОЛЕКУЛИ. Якщо карбоксильні і аміногрупи входять до складу радикала, то вони ніколи не беруть участь у формуванні пептидного зв’язку в молекулі білка. Амінокислоти, сполучені пептидного зв’язком у полипептидную ланцюг, називають первинною структурою білка.

Архітектури білків складні і різноманітні. Однак і в білках простежується набір «стандартних» структур. Перш за все тут мова йде про регулярних вторинних структурах білка: про ? -спіралі і ?-структурі; ? -спіралі часто зображуються спіральними стрічками ( Рис.1) або циліндрами, а витягнуті ?-структурні дільниці (слипаясь, вони утворюють листи) стрілками ( Рис.1). Безладний клубок — це ділянки, які не мають правильної, періодичної просторової організації.

Будова і функції білків, Лекція

Слайд — малюнок. 1. Регулярні вторинні структури білків

? -спіраль — утворюється внутрицепочечными водневими зв’язками між NH-групою одного залишку амінокислоти та CO-групою четвертого від неї залишку; ? -структура (складчастий лист) — утворюється межцепочечными водневими зв’язками або зв’язками між ділянками однієї поліпептидного ланцюга зігнутої у зворотному напрямку; Але конформація цих ділянок також строго обумовлена амінокислотною послідовністю.

Зміст ? -спіралей і ? -структур у різних білках по-різному: у фібрилярних білків — тільки ? -спіраль чи тільки ? -складчастий лист; а у глобулярных білків — окремі фрагменти поліпептидного ланцюга: або ? -спіраль, або ? -складчастий лист, або безладний клубок. В одному і тому ж білку можуть бути присутні всі три способи укладання поліпептидного ланцюга.

Третинна структура глобулярных білків являє орієнтацію в просторі поліпептидного ланцюга, що містить ? -спіралі ? -структури і ділянки без періодичної структури (безладний клубок). Додаткове складання скрученої поліпептидного ланцюга утворює компактну структуру. Це відбувається, передусім, в результаті взаємодії між бічними ланцюгами амінокислотних залишків. Існує кілька видів взаємодії між R-групами, в основному нековалентного характеру (рис.2):

Зв’язку, стабілізуючі третинну структуру:

електростатичні сили притягання між R-групами, несучими протилежно заряджені іоногенні групи (іонні зв’язку);

водневі зв’язки між полярними (гідрофільними) R-групами;

гідрофобні взаємодії між неполярними (гідрофобними) R-групами;

дисульфідні зв’язки між радикалами двох молекул цистеїну. Ці зв’язки ковалентні. Вони підвищують стабільність третинної структури, але не завжди є обов’язковими для правильного скручування молекули. У ряді білків вони можуть взагалі бути відсутніми.

Будова і функції білків, Лекція

Слайд-малюнок 2. Типи зв’язків, що виникають між радикалами амінокислот при формуванні третинної структури білка. 1 — іонна зв’язок; 2 — воднева зв’язок; 3 — гідрофобні взаємодії; 4 — дисульфидная зв’язок.

Гідрофобні радикали амінокислот мають тенденцію до об’єднання всередині глобулярной структури білків, утворюючи щільне гідрофобне ядро. Гідрофільні іонізовані і неионизированные радикали амінокислот в основному розташовані на поверхні білка і визначають його розчинність у воді.

Конформаційна лабільність білків — це здатність білків до невеликих змін кон-формації за рахунок розриву одних і утворення інших слабких зв’язків.

На поверхні глобули утворюється ділянка, яка може приєднувати до себе інші молекули, званілігандами. Наприклад, л иганд білка-ферменту – субстрат; ліганд транспортного білка – транспортується речовина; ліганд антитіла (імуноглобуліну) – антиген; ліганд рецептора гормону або нейромедіатора – гормон або нейромедіатор.

Центр зв’язування з лігандом, або активний центр, формується із радикалами амінокислотних залишків, зближених на рівні третинної структури. У лінійній пептидного ланцюга вони можуть знаходитися на відстані, значно віддаленому один від одного.

Білки проявляютьвисоку специфічність (вибірковість) при взаємодії з лігандом. Висока специфічність взаємодії білка з лігандом забезпечується комплементарностью структури активного центру структурі ліганду.

Комплементарність — це просторове і хімічне відповідність взаємодіючих поверхонь.

Довгі поліпептидні ланцюги часто складаються в декілька компактних, відносно незалежних областей. Вони мають самостійну третинну структуру, що нагадує таку глобулярных білків, і називаютьсядомени.

Завдяки доменній структурі білків легше формується їх тривимірна структура. Центри зв’язування білка з лігандом часто розташовуються між доменами. Різні домени в білку можуть переміщатися відносно один одного при взаємодії з лігандом. У деяких білках домени виконують самостійні функції, зв’язуючись з різними лігандами. Такі білки називаються багатофункціональними .

3.Загальна характеристика олігомерних білків.

Багато білки мають у своєму складі кілька поліпептидних ланцюгів. Такі білки називають олігомерних. а окремі ланцюги —протомерами. Протомеры в олигомерном білку з’єднані безліччю слабких нековалентних зв’язків (гідрофобних, іонних, водневих). Взаємодія протомеров здійснюється завдяки комплементарності їх контактуючих поверхонь. Кількість протомеров в білках може сильно варіювати: гемоглобін містить 4 протомера, фермент аспартаттранскарбамоилаза — 12 протомеров, білок вірусу тютюнової мозаїки входить 2120 протомеров, сполучених нековалентными зв’язками. Отже, білки з четвертинної структурою можуть мати дуже велику молекулярну масу. Кожен протомер служить лігандом для інших протомеров.

Будова і функції білків, Лекція

Слайд-малюнок 3. Рівні організації білків

Кількість і порядок з’єднання протомеров в білку називається четвертинної структурою.

Олігомерні білки можуть містити різну кількість протомеров (наприклад, димери, тетрамеры, гексамеры тощо). До складу олігомерних білків можуть входити однакові або різні протомеры, наприклад гомодимеры — білки містять 2 однакових протомера, гетеродимеры — білки, що містять 2 різних протомера. Різні за структурою протомеры можуть пов’язувати різні ліганди.

Взаємодія одного протомера зі специфічним лігандом викликає конформаційні зміни всього олігомерного білка і змінює спорідненість інших протомеров до лігандів. Це явище носить назвукооперативних змін конформації протомеров. В олігомерних білків з’являється нове порівняно з одноцепочечными білками властивість — здатність до алостеричній регуляції їх функцій.

4.Фізико-хімічні властивості білків. Денатурація білків. Фактори, що викликають денатурацию білків. Поняття про шаперонах. Медичне значення

Індивідуальні білки різняться за фізико-хімічними властивостями: 1) формою молекул; 2) молекулярної маси; 3) сумарному заряду, величина якого залежить від співвідношення аніонних і катіонних груп амінокислот; 4) співвідношення полярних і неполярних радикалів амінокислот на поверхні молекул; 5) ступенем стійкості до впливу різних денатуруючих агентів. Розчинність білків залежить: від перерахованих вище властивостей білків; від складу середовища, у якій розчиняється білок (величини рН, сольового складу, температури, наявності інших органічних речовин, здатних взаємодіяти з білком). Величина заряду білків — один з факторів, що збільшує їх розчинність. При втраті заряду в ізоелектричної точці білки легше агрегує і випадають в осад. Це особливо характерно для денатурованих білків, у яких на поверхні з’являються гідрофобні радикали амінокислот.

На поверхні білкової молекули є як позитивно, так і негативно заряджені радикали амінокислот. Кількість цих груп, а отже, і сумарний заряд білків залежать від рН середовища. Значення рН, при якому білок має сумарний нульовий заряд, називається ізоелектричної точкою (ИЭТ). У ИЭТ кількість позитивно і негативно заряджених груп однаково, тобто білок знаходиться в изоэлектрическом стані.

Денатурація білків — це руйнування їх нативної конформації, викликане розривом слабких зв’язків, що стабілізують просторові структури, при дії денатуруючих агентів.

Фактори, які викликають денатурацию білків, можна розділити на фізичні хімічні .

Фізичні фактори

1. Високі температури. Для різних білків характерна різна чутливість до теплового впливу. Частина білків піддається денатурації вже при 40-50 0 С. Такі білки називають термолабильными. Інші білки денатурують при значно більш високих температурах, вони є термостабільність .

2. Ультрафіолетове опромінення

3. Рентгенівське та радіоактивне опромінення

4. Ультразвук

5. Механічна дія (наприклад, вібрація).

5.Денатурація білків. Фактори, що викликають денатурацию білків. Ренативация білка.

Хімічні фактори

1. Концентровані кислоти і луги. Наприклад, трихлоруксусная кислота (органічна), азотна кислота (неорганічна).

2. Солі важких металів (наприклад, CuSO4 ).

3. Органічні розчинники (етиловий спирт, ацетон)

4. Рослинні алкалоїди.

5. Сечовина у високих концентраціях

Денатурація супроводжується втратою біологічної активності білка.

1. Унікальна тривимірна структура кожного білка руйнується, і всі молекули одного білка набувають випадкову конформацію, тобто відмінну від інших таких же молекул.

2. Радикали амінокислот, які формують активний центр білка, виявляються просторово віддаленими один від одного, тобто руйнується специфічний центр зв’язування білка з лігандом.

3. Гідрофобні радикали, які зазвичай знаходяться в гідрофобному ядрі глобулярных білків, при денатурації виявляються на поверхні молекули, тим самим створюються умови для агрегації білків. Агрегати білків випадають в осад. При денатурації білків не відбувається руйнування їх первинної структури. Видалення денатуруючих агентів діалізом призводить до відновлення конформації і функції білка, тобто доренативации (ренатурації).

В клітці виявлено сімейства білків – шаперонов. Шапероны належать до трьох білковим домами, так званих білків теплового шоку (hsp60, hsp70, hsp90). Свою назву ці білки отримали тому, що і синтез зростає при підвищенні температури та інших формах стресу. При цьому вони виконують функцію захисту білків клітини від денатурації. Білки — представники сімейства hsp70 — зв’язуються на початковій фазі утворення зростаючого пептиду. Одні з них контролюють процес згортання білка в цитоплазмі, інші — беруть участь в перенесенні білків в мітохондрії. Білки hsp60 охоплюють синтезований поліпептид зразок барильця, тим самим забезпечуючи умови для прийняття правильної конформації. Також шапероны беруть участь у таких фундаментальних процесах, як: ренативация частково денатурованих білків; 2) впізнавання денатурованих білків і їх транспорт в лізосоми; 3) формування тривимірної структури білків; 4) складання олігомерних білків; 5) транспорт білків через мембрани.

Молекулярні шапероны запобігають денатурацию білків. Частково денатурований білок потрапляє в порожнину шаперонинового комплексу. В специфічному середовищі цієї порожнини в умовах ізольованості від інших молекул цитозоля клітини вибір можливих конформацій білка відбувається до тих пір, поки не буде знайдена найбільш енергетично вигідна конформація. Шаперонзависимое формування нативної конформацій пов’язано з витрачанням значної кількості енергії, джерелом якої служить АТР (рис.4).

Ілюстративний матеріал

Слайд-малюнок 1. Регулярні вторинні структури білків

Слайд-малюнок 2. Типи зв’язків, що виникають між радикалами амінокислот при формуванні третинної структури білка.

Слайд-малюнок 3. Рівні організації білків
Анімація: Функції шаперонов

Короткий опис статті: будова білків За співвідношенням кількості різних амінокислот. Наприклад, у білку сполучної тканини колагені 33% від загальної кількості амінокислот становить гліцин, а в молекулі білкового гормону інсуліну, що виробляється в підшлунковій залозі, вміст гліцину набагато менше – всього 8%. білків, білка, амінокислот, білки,

Джерело: Будова та функції білків — Лекція

Також ви можете прочитати