MODUŁ 1 BUDOWA, WŁAŚCIWOŚCI I FUNKCJE BIAŁEK

MODUŁ 1 BUDOWA, WŁAŚCIWOŚCI I FUNKCJE BIAŁEK

Struktura modułu	Motywy
Jednostka modułowa 1	1.1. Strukturalna organizacja białek. Etapy tworzenia konformacji białka natywnego 1.2. Podstawy funkcjonowania białek. Leki jako ligandy wpływające na funkcję białek 1.3. Denaturacja białek i możliwość ich samoistnej renatywacji
Jednostka modułowa 2	1.4. Cechy budowy i funkcjonowania białek oligomerycznych na przykładzie hemoglobiny 1,5. Utrzymanie konformacji białka natywnego w warunkach komórkowych 1.6. Różnorodność białek. Rodziny białek na przykładzie immunoglobulin 1.7. Właściwości fizykochemiczne białek i metody ich rozdzielania

Jednostka modułowa 1 ORGANIZACJA STRUKTURALNA BIAŁEK MONOMERYCZNYCH I PODSTAWY ICH DZIAŁANIA

Cele nauczania Być w stanie:

1. Wykorzystywać wiedzę o cechach strukturalnych białek i zależności funkcji białek od ich budowy do zrozumienia mechanizmów rozwoju proteinopatii dziedzicznych i nabytych.

2. Wyjaśniać mechanizmy działania terapeutycznego niektórych leków jako ligandów oddziałujących z białkami i zmieniających ich działanie.

3. Wykorzystywać wiedzę o strukturze i labilności konformacyjnej białek do zrozumienia ich niestabilności strukturalnej i funkcjonalnej oraz tendencji do denaturacji w zmieniających się warunkach.

4. Wyjaśniać zastosowanie środków denaturujących do sterylizacji materiałów i narzędzi medycznych oraz środków antyseptycznych.

Wiedzieć:

1. Poziomy organizacji strukturalnej białek.

2. Znaczenie struktury pierwszorzędowej białek, która decyduje o ich różnorodności strukturalnej i funkcjonalnej.

3. Mechanizm powstawania centrum aktywnego w białkach i jego specyficzne oddziaływanie z ligandem, które leży u podstaw funkcjonowania białek.

4. Przykłady wpływu egzogennych ligandów (leków, toksyn, trucizn) na konformację i aktywność funkcjonalną białek.

5. Przyczyny i skutki denaturacji białek, czynniki powodujące denaturację.

6. Przykłady zastosowania czynników denaturujących w medycynie jako środków antyseptycznych i środków do sterylizacji narzędzi medycznych.

TEMAT 1.1. ORGANIZACJA STRUKTURALNA BIAŁEK. ETAPY FORMOWANIA RODZIMYCH

KONFORMACJE BIAŁKOWE

Białka to cząsteczki polimerów, których monomerami jest tylko 20 α-aminokwasów. Zestaw i kolejność kombinacji aminokwasów w białku jest zdeterminowana strukturą genów w DNA poszczególnych osobników. Każde białko, zgodnie ze swoją specyficzną budową, pełni swoją funkcję. Zestaw białek danego organizmu decyduje o jego cechach fenotypowych, a także o występowaniu chorób dziedzicznych lub predyspozycji do ich rozwoju.

1. Aminokwasy tworzące białka. Wiązanie peptydowe. Białka to polimery zbudowane z monomerów – 20 α-aminokwasów, których ogólny wzór to

Aminokwasy różnią się budową, wielkością i właściwościami fizykochemicznymi rodników przyłączonych do atomu węgla α. Grupy funkcyjne aminokwasów określają charakterystykę właściwości różnych α-aminokwasów. Rodniki występujące w α-aminokwasach można podzielić na kilka grup:

Prolina, W przeciwieństwie do pozostałych 19 monomerów białkowych, nie jest to aminokwas, ale iminokwas; rodnik w prolinie jest związany zarówno z atomem węgla α, jak i grupą iminową

Aminokwasy różnią się rozpuszczalnością w wodzie. Wynika to ze zdolności rodników do interakcji z wodą (hydratem).

DO hydrofilowy obejmują rodniki zawierające nienaładowane anionowe, kationowe i polarne grupy funkcyjne.

DO hydrofobowy obejmują rodniki zawierające grupy metylowe, łańcuchy lub pierścienie alifatyczne.

2. Wiązania peptydowe łączą aminokwasy, tworząc peptydy. Podczas syntezy peptydów grupa α-karboksylowa jednego aminokwasu oddziałuje z grupą α-aminową innego aminokwasu, tworząc wiązanie peptydowe:

Białka są polipeptydami, tj. liniowe polimery połączone α-aminokwasami wiązanie peptydowe(Rys. 1.1.)

Ryż. 1.1. Terminy używane do opisu struktury peptydów

Nazywa się monomery aminokwasów tworzące polipeptydy reszty aminokwasowe.Łańcuch powtarzających się grup - NH-CH-CO- formy szkielet peptydowy. Resztę aminokwasu zawierającą wolną grupę α-aminową nazywa się N-końcową, a resztę zawierającą wolną grupę α-karboksylową nazywa się C-końcową. Peptydy są zapisywane i odczytywane od N-końca do C-końca.

Wiązanie peptydowe utworzone przez grupę iminową proliny różni się od innych wiązań peptydowych: atom azotu grupy peptydowej nie zawiera wodoru,

zamiast tego dochodzi do wiązania z rodnikiem, w wyniku czego jedna strona pierścienia zostaje włączona do szkieletu peptydowego:

Peptydy różnią się składem aminokwasów, liczbą aminokwasów i kolejnością połączeń aminokwasów, na przykład Ser-Ala-Glu-Gis i His-Glu-Ala-Ser to dwa różne peptydy.

Wiązania peptydowe są bardzo mocne, a ich chemiczna, nieenzymatyczna hydroliza wymaga trudnych warunków: analizowane białko poddaje się hydrolizie w stężonym kwasie solnym w temperaturze około 110° przez 24 godziny. W żywej komórce wiązania peptydowe mogą zostać rozerwane Enzymy proteolityczne, zwany proteazy Lub hydrolazy peptydowe.

3. Podstawowa struktura białek. Reszty aminokwasowe w łańcuchach peptydowych różnych białek nie zmieniają się losowo, ale są ułożone w określonej kolejności. Nazywa się sekwencją liniową lub kolejnością naprzemienną reszt aminokwasowych w łańcuchu polipeptydowym pierwotna struktura białka.

Podstawowa struktura każdego pojedynczego białka jest kodowana w cząsteczce DNA (w regionie zwanym genem) i jest realizowana podczas transkrypcji (kopiowanie informacji na mRNA) i translacji (synteza pierwszorzędowej struktury białka). Zatem pierwotną strukturą białek pojedynczego człowieka jest informacja przekazywana dziedzicznie z rodziców na dzieci, która określa cechy strukturalne białek danego organizmu, od których zależy funkcja istniejących białek (ryc. 1.2.).

Ryż. 1.2. Związek pomiędzy genotypem a konformacją białek syntetyzowanych w organizmie człowieka

Każde z około 100 000 pojedynczych białek w organizmie człowieka ma unikalny struktura pierwotna. Cząsteczki tego samego rodzaju białka (na przykład albuminy) mają tę samą przemianę reszt aminokwasowych, co odróżnia albuminę od innych pojedynczych białek.

Sekwencję reszt aminokwasowych w łańcuchu peptydowym można uznać za formę zapisu informacji. Informacje te określają przestrzenne rozmieszczenie liniowego łańcucha peptydowego w bardziej zwartą trójwymiarową strukturę zwaną struktura wiewiórka. Nazywa się proces tworzenia funkcjonalnie aktywnej konformacji białka składanie

4. Konformacja białka. Swobodna rotacja w szkielecie peptydowym jest możliwa pomiędzy atomem azotu grupy peptydowej a sąsiadującym atomem węgla α, a także pomiędzy atomem węgla α a węglem grupy karbonylowej. Dzięki oddziaływaniu grup funkcyjnych reszt aminokwasowych pierwotna struktura białek może nabrać bardziej złożonych struktur przestrzennych. W białkach globularnych istnieją dwa główne poziomy fałdowania konformacji łańcuchów peptydowych: wtórny I struktura trzeciorzędowa.

Struktura wtórna białek to struktura przestrzenna powstająca w wyniku utworzenia wiązań wodorowych pomiędzy grupami funkcyjnymi -C=O i -NH- szkieletu peptydowego. W tym przypadku łańcuch peptydowy może uzyskać regularne struktury dwóch typów: α-helisy I Struktury β.

W α-helisy wiązania wodorowe powstają między atomem tlenu grupy karbonylowej a wodorem azotu amidowego czwartego aminokwasu; łańcuchy boczne reszt aminokwasowych

znajdują się wzdłuż obwodu spirali, nie uczestnicząc w tworzeniu struktury wtórnej (ryc. 1.3.).

Rodniki masowe lub rodniki niosące równe ładunki zapobiegają tworzeniu się α-helisy. Reszta proliny, która ma strukturę pierścieniową, przerywa α-helisę, ponieważ z powodu braku wodoru przy atomie azotu w łańcuchu peptydowym niemożliwe jest utworzenie wiązania wodorowego. Wiązanie między azotem i atomem węgla α jest częścią pierścienia proliny, więc szkielet peptydowy ulega w tym miejscu wygięciu.

Struktura β powstaje pomiędzy liniowymi regionami szkieletu peptydowego jednego łańcucha polipeptydowego, tworząc w ten sposób złożone struktury. Mogą tworzyć się łańcuchy polipeptydowe lub ich części równoległy Lub antyrównoległe struktury β. W pierwszym przypadku N- i C-końce oddziałujących łańcuchów peptydowych pokrywają się, w drugim mają przeciwny kierunek (ryc. 1.4).

Ryż. 1.3. Struktura drugorzędowa białka - α-helisa

Ryż. 1.4. Struktury β-arkuszowe równoległe i antyrównoległe

Struktury β zaznaczono szerokimi strzałkami: A – Struktura β antyrównoległa. B - Równoległe struktury β-arkuszowe

W niektórych białkach struktury β mogą powstawać w wyniku tworzenia się wiązań wodorowych pomiędzy atomami szkieletu peptydowego różnych łańcuchów polipeptydowych.

Występuje także w białkach obszary o nieregularnym wtórnym struktura, która obejmuje zagięcia, pętle i zwoje szkieletu polipeptydowego. Często lokalizują się w miejscach, w których zmienia się kierunek łańcucha peptydowego, np. gdy tworzy się równoległa struktura β-kartki.

Na podstawie obecności α-helis i β-struktur białka globularne można podzielić na cztery kategorie.

Ryż. 1,5. Wtórna struktura mioglobiny (A) i łańcucha β hemoglobiny (B), zawierająca osiem α-helis

Ryż. 1.6. Struktura drugorzędowa domeny izomerazy triozofosforanowej i kinazy pirogronianowej

Ryż. 1.7. Struktura drugorzędowa domeny stałej immunoglobuliny (A) i enzymu dysmutazy ponadtlenkowej (B)

W czwarta kategoria obejmowały białka zawierające niewielką ilość regularnych struktur drugorzędowych. Białka te obejmują małe białka bogate w cysteinę lub metaloproteiny.

Trzeciorzędowa struktura białka- rodzaj konformacji powstający w wyniku oddziaływań pomiędzy rodnikami aminokwasów, które w łańcuchu peptydowym mogą znajdować się w znacznej odległości od siebie. Większość białek tworzy przestrzenną strukturę przypominającą globulę (białka globularne).

Ponieważ hydrofobowe rodniki aminokwasowe mają tendencję do łączenia się poprzez tzw oddziaływania hydrofobowe i międzycząsteczkowe siły van der Waalsa wewnątrz globulki białkowej tworzy się gęsty hydrofobowy rdzeń. Hydrofilowe rodniki zjonizowane i niezjonizowane zlokalizowane są głównie na powierzchni białka i decydują o jego rozpuszczalności w wodzie.

Ryż. 1.8. Rodzaje wiązań powstających pomiędzy rodnikami aminokwasów podczas tworzenia trzeciorzędowej struktury białka

1 - wiązanie jonowe- występuje pomiędzy dodatnio i ujemnie naładowanymi grupami funkcyjnymi;

2 - wiązanie wodorowe- występuje pomiędzy hydrofilową grupą nienaładowaną i dowolną inną grupą hydrofilową;

3 - oddziaływania hydrofobowe- powstają pomiędzy rodnikami hydrofobowymi;

4 - wiązanie disiarczkowe- powstają w wyniku utleniania grup SH reszt cysteiny i ich wzajemnego oddziaływania

Hydrofilowe reszty aminokwasowe znajdujące się wewnątrz hydrofobowego rdzenia mogą oddziaływać ze sobą za pomocą joński I wiązania wodorowe(ryc. 1.8).

Wiązania jonowe, wodorowe i oddziaływania hydrofobowe są słabe: ich energia jest niewiele wyższa od energii ruchu termicznego cząsteczek w temperatura pokojowa. Konformacja białka jest utrzymywana poprzez tworzenie wielu takich słabych wiązań. Ponieważ atomy tworzące białko są w ciągłym ruchu, możliwe jest rozerwanie niektórych słabych wiązań i utworzenie innych, co prowadzi do nieznacznych ruchów poszczególnych odcinków łańcucha polipeptydowego. Nazywa się tę właściwość białek zmiany konformacji w wyniku rozrywania niektórych i tworzenia innych słabych wiązań labilność konformacyjna.

Ciało ludzkie ma systemy, które wspierają homeostaza- konsystencja środowisko wewnętrzne w pewnych dopuszczalnych granicach dla zdrowego organizmu. W warunkach homeostazy niewielkie zmiany w konformacji nie zakłócają ogólnej struktury i funkcji białek. Nazywa się funkcjonalnie aktywną konformację białka konformacja natywna. Zmiany w środowisku wewnętrznym (na przykład stężenie glukozy, jonów Ca, protonów itp.) prowadzą do zmian w konformacji i zakłócenia funkcji białek.

Trzeciorzędowa struktura niektórych białek jest ustabilizowana wiązania disiarczkowe, powstaje w wyniku oddziaływania grup -SH dwóch reszt

Ryż. 1.9. Tworzenie wiązania dwusiarczkowego w cząsteczce białka

cysteina (ryc. 1.9). Większość białek wewnątrzkomórkowych nie ma kowalencyjnych wiązań dwusiarczkowych w swojej trzeciorzędowej strukturze. Ich obecność jest charakterystyczna dla białek wydzielanych przez komórkę, co zapewnia ich większą stabilność w warunkach zewnątrzkomórkowych. Zatem wiązania dwusiarczkowe są obecne w cząsteczkach insuliny i immunoglobulin.

Insulina- hormon białkowy syntetyzowany w komórkach β trzustki i wydzielany do krwi w odpowiedzi na wzrost stężenia glukozy we krwi. W strukturze insuliny występują dwa wiązania dwusiarczkowe łączące łańcuchy polipeptydowe A i B oraz jedno wiązanie dwusiarczkowe w obrębie łańcucha A (ryc. 1.10).

Ryż. 1.10. Wiązania dwusiarczkowe w strukturze insuliny

5. Nadwtórna struktura białek. Czasami wykrywa się je w białkach o różnej strukturze pierwszorzędowej i funkcjach podobne kombinacje i względne położenia struktur drugorzędnych, które nazywane są strukturą nadwtórną. Zajmuje pozycję pośrednią między strukturami drugorzędowymi i trzeciorzędowymi, ponieważ jest specyficzną kombinacją elementów struktury drugorzędowej w tworzeniu trzeciorzędowej struktury białka. Struktury superwtórne mają specyficzne nazwy, takie jak „α-helisa-zmieniająca helisę”, „zamek leucynowy”, „palce cynkowe” itp. Takie struktury superwtórne są charakterystyczne dla białek wiążących DNA.

„Zamek leucynowy”. Ten typ struktury superwtórnej służy do łączenia ze sobą dwóch białek. Na powierzchni oddziałujących białek znajdują się regiony α-helikalne zawierające co najmniej cztery reszty leucyny. Reszty leucyny w α-helisie są oddalone od siebie o sześć aminokwasów. Ponieważ każdy zwój α-helisy zawiera 3,6 reszt aminokwasowych, rodniki leucyny znajdują się na powierzchni co drugiego zwoju. Reszty leucyny α-helisy jednego białka mogą oddziaływać z resztami leucyny innego białka (oddziaływania hydrofobowe), łącząc je ze sobą (ryc. 1.11.). Wiele białek wiążących DNA funkcjonuje w kompleksach oligomerycznych, w których poszczególne podjednostki są połączone ze sobą „zamkami leucynowymi”.

Ryż. 1.11. „Zamek leucynowy” pomiędzy regionami α-helikalnymi dwóch białek

Przykładem takich białek są histony. Histony- białka jądrowe, które obejmują duża liczba aminokwasy naładowane dodatnio – arginina i lizyna (aż do 80%). Cząsteczki histonów łączą się w oligomeryczne kompleksy zawierające osiem monomerów za pomocą „zamków leucynowych”, pomimo znacznego homonimicznego ładunku tych cząsteczek.

„Palec cynkowy”- wariant struktury nadwtórnej, charakterystyczny dla białek wiążących DNA, ma postać wydłużonego fragmentu na powierzchni białka i zawiera około 20 reszt aminokwasowych (ryc. 1.12). Kształt „wydłużonego palca” wspiera atom cynku związany z czterema rodnikami aminokwasowymi – dwiema resztami cysteinowymi i dwiema resztami histydyny. W niektórych przypadkach zamiast reszt histydyny występują reszty cysteiny. Dwie blisko leżące reszty cysteiny są oddzielone od pozostałych dwóch reszt Gisili sekwencją Cys składającą się z około 12 reszt aminokwasowych. Ten region białka tworzy α-helisę, której rodniki mogą specyficznie wiązać się z regionami regulatorowymi głównego rowka DNA. Indywidualna specyficzność wiązania

Ryż. 1.12. Podstawowa struktura regionu białek wiążących DNA tworzących strukturę „palca cynkowego” (litery wskazują aminokwasy tworzące tę strukturę)

Białko regulatorowe wiążące DNA zależy od sekwencji reszt aminokwasowych zlokalizowanych w regionie palca cynkowego. Struktury takie zawierają w szczególności receptory dla hormonów steroidowych biorące udział w regulacji transkrypcji (odczycie informacji z DNA na RNA).

TEMAT 1.2. PODSTAWY DZIAŁANIA BIAŁEK. LEKI JAKO LIGANDY WPŁYWAJĄCE NA FUNKCJĘ BIAŁKA

1. Centrum aktywne białka i jego oddziaływanie z ligandem. Podczas tworzenia struktury trzeciorzędowej na powierzchni funkcjonalnie aktywnego białka tworzy się region, zwykle we wnęce utworzonej przez rodniki aminokwasów, które są daleko od siebie oddalone w strukturze pierwszorzędowej. Region ten, który ma unikalną dla danego białka strukturę i jest zdolny do specyficznego oddziaływania z konkretną cząsteczką lub grupą podobnych cząsteczek, nazywany jest miejscem wiązania białko-ligand lub miejscem aktywnym. Ligandy to cząsteczki oddziałujące z białkami.

Wysoka specyficzność Oddziaływanie białka z ligandem zapewnia komplementarność struktury centrum aktywnego do struktury liganda.

Komplementarność- jest to zgodność przestrzenna i chemiczna oddziałujących powierzchni. Centrum aktywne musi nie tylko odpowiadać przestrzennie zawartemu w nim ligandowi, ale także muszą powstać wiązania (oddziaływania jonowe, wodorowe i hydrofobowe) pomiędzy grupami funkcyjnymi rodników wchodzących w skład centrum aktywnego a ligandem, które utrzymują ligand w centrum aktywnym (ryc. 1.13 ).

Ryż. 1.13. Uzupełniające oddziaływanie białka z ligandem

Niektóre ligandy po przyłączeniu do centrum aktywnego białka pełnią pomocniczą rolę w funkcjonowaniu białek. Takie ligandy nazywane są kofaktorami, a białka zawierające część niebiałkową złożone białka(w przeciwieństwie do białek prostych, składających się wyłącznie z części białkowej). Część niebiałkowa, trwale połączona z białkiem, nazywa się grupa protetyczna. Na przykład mioglobina, hemoglobina i cytochromy zawierają grupę prostetyczną, hem, zawierającą jon żelaza, mocno związaną z centrum aktywnym. Złożone białka zawierające hem nazywane są hemoproteinami.

Kiedy do białek przyłączają się specyficzne ligandy, manifestuje się funkcja tych białek. Zatem albumina, najważniejsze białko osocza krwi, spełnia swoją funkcję transportową poprzez przyłączenie do centrum aktywnego ligandów hydrofobowych, takich jak kwasy tłuszczowe, bilirubina, niektóre leki itp. (ryc. 1.14)

Ligandami oddziałującymi z trójwymiarową strukturą łańcucha peptydowego mogą być nie tylko drobnocząsteczkowe cząsteczki organiczne i nieorganiczne, ale także makrocząsteczki:

DNA (przykłady z białkami wiążącymi DNA omówione powyżej);

Polisacharydy;

Ryż. 1.14. Związek między genotypem a fenotypem

Unikalna pierwotna struktura białek ludzkich, zakodowana w cząsteczce DNA, realizowana jest w komórkach w postaci unikalnej konformacji, struktury centrum aktywnego i funkcji białek

W takich przypadkach białko rozpoznaje specyficzny region ligandu, który jest proporcjonalny i komplementarny do miejsca wiązania. Zatem na powierzchni hepatocytów znajdują się białka receptorowe dla hormonu insuliny, który również ma struktura białka. Oddziaływanie insuliny z receptorem powoduje zmianę jej konformacji i aktywację układów sygnalizacyjnych, co prowadzi do magazynowania składników odżywczych w hepatocytach po posiłkach.

Zatem, Funkcjonowanie białek opiera się na specyficznym oddziaływaniu centrum aktywnego białka z ligandem.

2. Struktura domeny i jej rola w funkcjonowaniu białek. Długie łańcuchy polipeptydowe białek globularnych często składają się na kilka zwartych, stosunkowo niezależnych regionów. Mają niezależną strukturę trzeciorzędową, przypominającą białka globularne i nazywane są domeny. Ze względu na strukturę domenową białek łatwiej jest uformować ich strukturę trzeciorzędową.

W białkach domenowych miejsca wiązania ligandów często znajdują się pomiędzy domenami. Zatem trypsyna jest enzymem proteolitycznym wytwarzanym przez zewnątrzwydzielniczą część trzustki i jest niezbędna do trawienia białek pokarmowych. Ma budowę dwudomenową, a centrum wiązania trypsyny z jej ligandem – białkiem pokarmowym – znajduje się w rowku pomiędzy obiema domenami. W centrum aktywnym powstają warunki niezbędne do skutecznego wiązania określonego miejsca białka spożywczego i hydrolizy jego wiązań peptydowych.

Różne domeny w białku mogą przemieszczać się względem siebie, gdy centrum aktywne oddziałuje z ligandem (ryc. 1.15).

Heksokinaza- enzym katalizujący fosforylację glukozy przy użyciu ATP. Miejsce aktywne enzymu znajduje się w szczelinie pomiędzy dwiema domenami. Kiedy heksokinaza wiąże się z glukozą, otaczające ją domeny zamykają się, a substrat zostaje uwięziony, gdzie następuje fosforylacja (patrz ryc. 1.15).

Ryż. 1,15. Wiązanie domen heksokinazy z glukozą

W niektórych białkach domeny pełnią niezależne funkcje, wiążąc się z różnymi ligandami. Takie białka nazywane są wielofunkcyjnymi.

3. Leki to ligandy wpływające na funkcję białek. Oddziaływanie białek z ligandami jest specyficzne. Jednakże, ze względu na labilność konformacyjną białka i jego centrum aktywnego, możliwe jest wybranie innej substancji, która również mogłaby oddziaływać z białkiem w centrum aktywnym lub innej części cząsteczki.

Nazywa się substancję o strukturze podobnej do naturalnego ligandu Strukturalny analog ligandu lub nienaturalny ligand. Oddziałuje również z białkiem w miejscu aktywnym. Strukturalny analog liganda może zarówno wzmacniać funkcję białka (agonista), i zmniejsz go (antagonista). Ligand i jego analogi strukturalne konkurują ze sobą o wiązanie z białkiem w tym samym miejscu. Takie substancje nazywane są konkurencyjne modulatory(regulatory) funkcji białek. Wiele leków działa jako inhibitory białek. Część z nich otrzymywana jest poprzez chemiczną modyfikację naturalnych ligandów. Inhibitorami funkcji białek mogą być leki i trucizny.

Atropina jest konkurencyjnym inhibitorem receptorów M-cholinergicznych. Acetylocholina jest neuroprzekaźnikiem odpowiedzialnym za przekazywanie impulsów nerwowych przez synapsy cholinergiczne. Aby przeprowadzić wzbudzenie, acetylocholina uwolniona do szczeliny synaptycznej musi oddziaływać z białkiem receptorowym błony postsynaptycznej. Znaleziono dwa typy receptory cholinergiczne:

Receptor M oprócz acetylocholiny oddziałuje selektywnie z muskaryną (toksyną muchomora). M - receptory cholinergiczne występują na mięśniach gładkich i podczas interakcji z acetylocholiną powodują ich skurcz;

Receptor H specyficznie wiążący się z nikotyną. Receptory N-cholinergiczne znajdują się w synapsach prążkowanych mięśni szkieletowych.

Specyficzny inhibitor Receptory M-cholinergiczne jest atropina. Występuje w roślinach belladonna i lulek.

Atropina posiada grupy funkcyjne podobne budową do acetylocholiny i ich rozmieszczeniem przestrzennym, dlatego jest konkurencyjnym inhibitorem receptorów M-cholinergicznych. Biorąc pod uwagę, że wiązanie acetylocholiny z receptorami M-cholinergicznymi powoduje skurcz mięśni gładkich, atropina jest stosowana jako lek łagodzący ich skurcze (przeciwskurczowy). Dlatego wiadomo, że atropina służy do rozluźniania mięśni oka podczas oglądania dna oka, a także do łagodzenia skurczów podczas kolki żołądkowo-jelitowej. Receptory M-cholinergiczne są również obecne w ośrodku system nerwowy(OUN), dlatego duże dawki atropiny mogą powodować niepożądane reakcje ze strony ośrodkowego układu nerwowego: pobudzenie ruchowe i psychiczne, omamy, drgawki.

Ditilin jest konkurencyjnym agonistą receptorów H-cholinergicznych, hamującym funkcję synaps nerwowo-mięśniowych.

Synapsy nerwowo-mięśniowe mięśni szkieletowych zawierają receptory H-cholinergiczne. Ich interakcja z acetylocholiną prowadzi do skurczów mięśni. Podczas niektórych zabiegów chirurgicznych, a także w badaniach endoskopowych stosuje się leki powodujące rozluźnienie mięśni szkieletowych (leki zwiotczające mięśnie). Należą do nich ditilina, która jest strukturalnym analogiem acetylocholiny. Przyłącza się do receptorów H-cholinergicznych, ale w przeciwieństwie do acetylocholiny jest bardzo powoli niszczona przez enzym acetylocholinoesterazę. W wyniku długotrwałego otwarcia kanałów jonowych i utrzymującej się depolaryzacji błony dochodzi do zaburzenia przewodzenia impulsów nerwowych i rozluźnienia mięśni. Początkowo właściwości te odkryto w truciźnie kurary, dlatego nazywane są takimi lekami podobny do kurary.

TEMAT 1.3. DENATURACJA BIAŁEK I MOŻLIWOŚĆ ICH SPONTANICZNEJ RENATURACJI

1. Ponieważ natywna konformacja białek jest utrzymywana na skutek słabych oddziaływań, zmiany składu i właściwości środowiska otaczającego białko, narażenie na odczynniki chemiczne i czynniki fizyczne powodują zmianę ich konformacji (właściwość labilności konformacyjnej). Zerwanie dużej liczby wiązań prowadzi do zniszczenia natywnej konformacji i denaturacji białek.

Denaturacja białek- jest to zniszczenie ich natywnej konformacji pod wpływem czynników denaturujących, spowodowane zerwaniem słabych wiązań stabilizujących strukturę przestrzenną białka. Denaturacji towarzyszy zniszczenie unikalnej trójwymiarowej struktury i centrum aktywnego białka oraz utrata jego aktywności biologicznej (ryc. 1.16).

Wszystkie zdenaturowane cząsteczki jednego białka uzyskują losową konformację, która różni się od innych cząsteczek tego samego białka. Rodniki aminokwasowe tworzące centrum aktywne okazują się być od siebie przestrzennie odległe, tj. specyficzne miejsce wiązania białka z ligandem ulega zniszczeniu. Podczas denaturacji pierwotna struktura białek pozostaje niezmieniona.

Zastosowanie środków denaturujących w badaniach biologicznych i medycynie. W badania biochemiczne Przed oznaczeniem w materiale biologicznym związków o niskiej masie cząsteczkowej zazwyczaj najpierw usuwa się z roztworu białka. Najczęściej wykorzystuje się w tym celu kwas trichlorooctowy (TCA). Po dodaniu TCA do roztworu zdenaturowane białka wytrącają się i można je łatwo usunąć przez filtrację (tab. 1.1.).

W medycynie środki denaturujące są często stosowane do sterylizacji narzędzi i materiałów medycznych w autoklawach (środkiem denaturującym jest wysoka temperatura) oraz jako środki antyseptyczne (alkohol, fenol, chloramina) do leczenia zanieczyszczonych powierzchni zawierających patogenną mikroflorę.

2. Spontaniczna reaktywacja białek- dowód determinizmu pierwotnej struktury, konformacji i funkcji białek. Poszczególne białka są produktami jednego genu, które mają identyczną sekwencję aminokwasów i uzyskują w komórce tę samą konformację. Zasadniczy wniosek, że pierwotna struktura białka zawiera już informację o jego konformacji i funkcji, został wysunięty na podstawie zdolności niektórych białek (w szczególności rybonukleazy i mioglobiny) do samoistnej renatywacji – przywracania ich natywnej konformacji po denaturacji.

Tworzenie przestrzennych struktur białkowych odbywa się metodą samoorganizacji – spontanicznego procesu, w którym łańcuch polipeptydowy, posiadający unikalną strukturę pierwotną, ma tendencję do przyjmowania konformacji o najniższej energii swobodnej w roztworze. Zdolność do renatywacji białek, które po denaturacji zachowują swoją pierwotną strukturę, opisano w eksperymencie z enzymem rybonukleazą.

Rybonukleaza jest enzymem rozkładającym wiązania pomiędzy poszczególnymi nukleotydami w cząsteczce RNA. To globularne białko ma jeden łańcuch polipeptydowy, którego trzeciorzędowa struktura jest stabilizowana przez wiele słabych i cztery wiązania dwusiarczkowe.

Traktowanie rybonukleazy mocznikiem, który rozrywa wiązania wodorowe w cząsteczce, oraz czynnikiem redukującym, który rozrywa wiązania disiarczkowe, prowadzi do denaturacji enzymu i utraty jego aktywności.

Usunięcie czynników denaturujących poprzez dializę prowadzi do przywrócenia konformacji i funkcji białka, tj. do odrodzenia. (ryc. 1.17).

Ryż. 1.17. Denaturacja i renatywacja rybonukleazy

A - natywna konformacja rybonukleazy, w której trzeciorzędowej strukturze znajdują się cztery wiązania dwusiarczkowe; B - zdenaturowana cząsteczka rybonukleazy;

B - reaktywowana cząsteczka rybonukleazy z przywróconą strukturą i funkcją

1. Wypełnij tabelę 1.2.

Tabela 1.2. Klasyfikacja aminokwasów ze względu na polarność rodników

2. Zapisz wzór tetrapeptydu:

Asp – Pro – Fen – Liz

a) podkreślić powtarzające się grupy w peptydzie, które tworzą szkielet peptydu i grupy zmienne reprezentowane przez rodniki aminokwasowe;

b) oznaczyć końce N i C;

c) podkreślić wiązania peptydowe;

d) napisz kolejny peptyd składający się z tych samych aminokwasów;

d) policzyć ilość możliwe opcje tetrapeptyd o podobnym składzie aminokwasów.

3. Wyjaśnij rolę pierwszorzędowej struktury białek na przykładzie analizy porównawczej dwóch strukturalnie podobnych i bliskich ewolucyjnie hormonów peptydowych neuroprzysadki ssaków – oksytocyny i wazopresyny (tab. 1.3).

Tabela 1.3. Struktura i funkcje oksytocyny i wazopresyny

Dla tego:

a) porównać skład i sekwencję aminokwasów dwóch peptydów;

b) znaleźć podobieństwo struktury pierwszorzędowej obu peptydów i podobieństwo ich działania biologicznego;

c) znaleźć różnice w budowie dwóch peptydów i różnice w ich funkcjach;

d) wyciągnąć wniosek na temat wpływu struktury pierwszorzędowej peptydów na ich funkcje.

4. Opisać główne etapy powstawania konformacji białek globularnych (struktury drugorzędowe, trzeciorzędowe, koncepcja struktury superwtórnej). Wskaż rodzaje wiązań biorących udział w tworzeniu struktur białkowych. Które rodniki aminokwasowe mogą brać udział w tworzeniu oddziaływań hydrofobowych, jonowych, wiązań wodorowych.

Daj przykłady.

5. Zdefiniować pojęcie „labilności konformacyjnej białek”, wskazać przyczyny jego istnienia i znaczenie.

6. Rozwiń znaczenie wyrażenia: „Funkcjonowanie białek opiera się na ich specyficznej interakcji z ligandem”, używając terminów i wyjaśniając ich znaczenie: konformacja białka, centrum aktywne, ligand, komplementarność, funkcja białka.

7. Na jednym przykładzie wyjaśnij, czym są domeny i jaka jest ich rola w funkcjonowaniu białek.

ZADANIA SAMOKONTROLI

1. Mecz.

Grupa funkcyjna rodnika aminokwasowego:

A. Grupa karboksylowa B. Grupa hydroksylowa C Grupa guanidynowa D. Grupa tiolowa E. Grupa aminowa

2. Wybierz prawidłowe odpowiedzi.

Aminokwasy z polarnymi nienaładowanymi rodnikami to:

A. Cis B. Asn

B. Glu G. Trzy

3. Wybierz prawidłowe odpowiedzi.

Rodniki aminokwasowe:

A. Podaj specyfikę struktury pierwotnej. B. Weź udział w tworzeniu struktury trzeciorzędowej

B. Znajdujące się na powierzchni białka wpływają na jego rozpuszczalność. D. Tworzą centrum aktywne

D. Uczestniczyć w tworzeniu wiązań peptydowych

4. Wybierz prawidłowe odpowiedzi.

Oddziaływania hydrofobowe mogą tworzyć się pomiędzy rodnikami aminokwasów:

A. Tre Lay B. Pro Three

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

5. Wybierz prawidłowe odpowiedzi.

Wiązania jonowe mogą tworzyć się pomiędzy rodnikami aminokwasów:

A. Gln Asp B. Apr Liz

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

6. Wybierz prawidłowe odpowiedzi.

Wiązania wodorowe mogą tworzyć się pomiędzy rodnikami aminokwasów:

A. Ser Gln B. Cis Tre

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

7. Mecz.

Rodzaj wiązania biorącego udział w tworzeniu struktury białka:

A. Struktura pierwotna B. Struktura wtórna

B. Struktura trzeciorzędowa

D. Struktura nadwtórna. E. Konformacja.

1. Wiązania wodorowe pomiędzy atomami szkieletu peptydowego

2. Słabe wiązania pomiędzy grupami funkcyjnymi rodników aminokwasów

3. Wiązania pomiędzy grupami α-aminowymi i α-karboksylowymi aminokwasów

8. Wybierz prawidłowe odpowiedzi. Trypsyna:

A. Enzym proteolityczny B. Zawiera dwie domeny

B. Hydrolizuje skrobię

D. Aktywna witryna znajduje się pomiędzy domenami. D. Składa się z dwóch łańcuchów polipeptydowych.

9. Wybierz prawidłowe odpowiedzi. Atropina:

A. Neuroprzekaźnik

B. Strukturalny analog acetylocholiny

B. Oddziałuje z receptorami H-cholinergicznymi

D. Wzmacnia przewodzenie impulsów nerwowych przez synapsy cholinergiczne

D. Konkurencyjny inhibitor receptorów M-cholinergicznych

10. Wybierz poprawne stwierdzenia. W białkach:

A. Struktura pierwotna zawiera informacje o strukturze jej miejsca aktywnego

B. Centrum aktywne powstaje na poziomie struktury pierwotnej

B. Konformacja jest sztywno utwierdzona wiązaniami kowalencyjnymi

D. Miejsce aktywne może oddziaływać z grupą podobnych ligandów

ze względu na labilność konformacyjną białek D. Zmiana środowisko, może wpływać na powinowactwo substancji czynnej

centrum do liganda

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

3. A, B, C, D.

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

8. A, B, C, D.

PODSTAWOWE TERMINY I POJĘCIA

1. Białko, polipeptyd, aminokwasy

2. Pierwotne, drugorzędowe i trzeciorzędowe struktury białkowe

3. Konformacja, konformacja białka natywnego

4. Wiązania kowalencyjne i słabe w białkach

5. Labilność konformacyjna

6. Miejsce aktywne białka

7. Ligandy

8. Zwijanie białek

9. Strukturalne analogi ligandów

10. Białka domenowe

11. Białka proste i złożone

12. Denaturacja białek, środki denaturujące

13. Reaktywacja białek

Rozwiązywać problemy

„Strukturalna organizacja białek i podstawy ich funkcjonowania”

1. Główną funkcją białka – hemoglobiny A (HbA) jest transport tlenu do tkanek. W populacji ludzkiej znanych jest wiele form tego białka o zmienionych właściwościach i funkcjach – tzw. nieprawidłowe hemoglobiny. Na przykład stwierdzono, że hemoglobina S, występująca w czerwonych krwinkach pacjentów z niedokrwistością sierpowatokrwinkową (HbS), ma słabą rozpuszczalność w warunkach niskiego ciśnienia parcjalnego tlenu (jak ma to miejsce w przypadku krwi żylnej). Prowadzi to do powstania agregatów tego białka. Białko traci swoją funkcję, wytrąca się i nabywają czerwone krwinki nieregularny kształt(niektóre z nich przybierają kształt sierpa) i ulegają szybszemu niż zwykle zniszczeniu w śledzionie. W rezultacie rozwija się anemia sierpowatokrwinkowa.

Jedyną różnicę w pierwszorzędowej strukturze HbA stwierdzono w N-końcowym regionie łańcucha β hemoglobiny. Porównaj regiony N-końcowe nici β i pokaż, jak zmiany w strukturze pierwszorzędowej białka wpływają na jego właściwości i funkcje.

Dla tego:

a) napisz wzory aminokwasów, którymi różni się HbA i porównaj właściwości tych aminokwasów (polarność, ładunek).

b) wyciągnąć wniosek co do przyczyny zmniejszenia rozpuszczalności i zakłócenia transportu tlenu do tkanek.

2. Rysunek przedstawia schemat budowy białka, które posiada centrum wiążące z ligandem (centrum aktywne). Wyjaśnij, dlaczego białko dokonuje selektywnego wyboru ligandu. Dla tego:

a) przypomnij sobie, czym jest centrum aktywne białka i rozważ budowę centrum aktywnego białka pokazanego na rysunku;

b) napisz wzory rodników aminokwasowych tworzących centrum aktywne;

c) narysuj ligand, który mógłby specyficznie oddziaływać z miejscem aktywnym białka. Wskaż na nim grupy funkcyjne, które mogą tworzyć wiązania z rodnikami aminokwasów tworzącymi centrum aktywne;

d) wskazać rodzaje wiązań, które powstają pomiędzy ligandem i rodnikami aminokwasowymi centrum aktywnego;

e) wyjaśnić, na czym polega specyfika oddziaływania białko-ligand.

3. Rysunek przedstawia miejsce aktywne białka i kilka ligandów.

Określ, który ligand najprawdopodobniej oddziałuje z miejscem aktywnym białka i dlaczego.

Jakie rodzaje wiązań powstają podczas tworzenia kompleksu białko-ligand?

4. Strukturalne analogi naturalnych ligandów białkowych można stosować jako leki modyfikujące aktywność białek.

Acetylocholina jest mediatorem przekazywania pobudzenia w synapsach nerwowo-mięśniowych. Kiedy acetylocholina wchodzi w interakcję z białkami - receptorami błony postsynaptycznej mięśni szkieletowych, otwierają się kanały jonowe i następuje skurcz mięśni. Ditilin to lek stosowany w niektórych operacjach w celu rozluźnienia mięśni, ponieważ zakłóca przekazywanie impulsów nerwowych przez synapsy nerwowo-mięśniowe. Wyjaśnij mechanizm działania ditiliny jako środka zwiotczającego mięśnie. Dla tego:

a) napisz wzory acetylocholiny i dityliny i porównaj ich budowę;

b) opisać mechanizm relaksującego działania ditiliny.

5. W niektórych chorobach wzrasta temperatura ciała pacjenta, co uważa się za reakcję obronną organizmu. Jednak wysokie temperatury są szkodliwe dla białek organizmu. Wyjaśnij, dlaczego w temperaturach powyżej 40°C funkcja białek zostaje zakłócona i powstaje zagrożenie dla życia człowieka. Aby to zrobić, pamiętaj:

1) Struktura białek i wiązania utrzymujące ich strukturę w natywnej konformacji;

2) Jak zmienia się struktura i funkcja białek wraz ze wzrostem temperatury?;

3) Czym jest homeostaza i dlaczego jest ważna dla utrzymania zdrowia człowieka.

Jednostka modułowa 2 BIAŁKA OLIGOMERYCZNE JAKO CELE DZIAŁAŃ REGULACYJNYCH. STRUKTURALNA I FUNKCJONALNA RÓŻNORODNOŚĆ BIAŁEK. METODY SEPARACJI I OCZYSZCZANIA BIAŁEK

Cele nauczania Być w stanie:

1. Wykorzystywać wiedzę o cechach budowy i funkcjach białek oligomerycznych do zrozumienia adaptacyjnych mechanizmów regulacji ich funkcji.

2. Wyjaśniać rolę białek opiekuńczych w syntezie i utrzymaniu konformacji białek w warunkach komórkowych.

3. Wyjaśniać różnorodność przejawów życia poprzez różnorodność struktur i funkcji białek syntetyzowanych w organizmie.

4. Analizować związek pomiędzy strukturą białek a ich funkcją na przykładach porównania pokrewnych hemoprotein – mioglobiny i hemoglobiny, a także przedstawicieli pięciu klas białek z rodziny immunoglobulin.

5. Wykorzystać wiedzę o osobliwościach właściwości fizycznych i chemicznych białek do doboru metod ich oczyszczania z innych białek i zanieczyszczeń.

6. Interpretować wyniki badań ilościowych i jakość składu białek osocza krwi w celu potwierdzenia lub wyjaśnienia diagnozy klinicznej.

Wiedzieć:

1. Cechy budowy białek oligomerycznych i mechanizmy adaptacyjne regulujące ich funkcje na przykładzie hemoglobiny.

2. Struktura i funkcje białek opiekuńczych oraz ich znaczenie dla utrzymania natywnej konformacji białek w warunkach komórkowych.

3. Zasady łączenia białek w rodziny na podstawie podobieństwa ich budowy i funkcji na przykładzie immunoglobulin.

4. Metody rozdziału białek w oparciu o charakterystykę ich właściwości fizykochemicznych.

5. Elektroforeza osocza krwi jako metoda oceny jakościowego i ilościowego składu białek.

TEMAT 1.4. CECHY STRUKTURY I FUNKCJONOWANIA BIAŁEK OLIGOMERYCZNYCH NA PRZYKŁADZIE HEMOGLOBINY

1. Wiele białek zawiera kilka łańcuchów polipeptydowych. Takie białka nazywane są oligomeryczny, i poszczególne łańcuchy - protomery. Protomery w białkach oligomerycznych są połączone wieloma słabymi wiązaniami niekowalencyjnymi (hydrofobowymi, jonowymi, wodorowymi). Interakcja

protomery realizowane są dzięki komplementarność ich powierzchnie stykowe.

Liczba protomerów w białkach oligomerycznych może się znacznie różnić: hemoglobina zawiera 4 protomery, enzym aminotransferaza asparaginianowa ma 12 protomerów, a białko wirusa mozaiki tytoniu zawiera 2120 protomerów połączonych wiązaniami niekowalencyjnymi. W konsekwencji białka oligomeryczne mogą mieć bardzo wysokie masy cząsteczkowe.

Oddziaływanie jednego protomera z innymi można uznać za szczególny przypadek interakcji białko-ligand, ponieważ każdy protomer służy jako ligand dla innych protomerów. Nazywa się liczbę i sposób łączenia protomerów w białku czwartorzędowa struktura białka.

Białka mogą zawierać protomery o tej samej lub różnej strukturze, na przykład homodimery to białka zawierające dwa identyczne protomery, a heterodimery to białka zawierające dwa różne protomery.

Jeśli białka zawierają różne protomery, wówczas mogą powstać na nich centra wiążące z różnymi ligandami różniącymi się budową. Kiedy ligand wiąże się z miejscem aktywnym, manifestuje się funkcja tego białka. Centrum znajdujące się na innym protomerze nazywa się allosterycznym (innym niż centrum aktywne). Kontaktowanie się allosteryczny ligand lub efektor, pełni funkcję regulacyjną (ryc. 1.18). Oddziaływanie centrum allosterycznego z efektorem powoduje zmiany konformacyjne w strukturze całego białka oligomerycznego ze względu na jego labilność konformacyjną. Wpływa to na powinowactwo miejsca aktywnego do określonego ligandu i reguluje funkcję tego białka. Zmiana konformacji i funkcji wszystkich protomerów podczas interakcji białka oligomerycznego z co najmniej jednym ligandem nazywana jest kooperacyjnymi zmianami konformacyjnymi. Nazywa się efektory wzmacniające funkcję białka aktywatory, i efektory, które hamują jego funkcję - inhibitory.

Zatem białka oligomeryczne, a także białka o strukturze domenowej, mają nową właściwość w porównaniu do białek monomerycznych - zdolność do allosterycznej regulacji funkcji (regulacja poprzez przyłączenie różnych ligandów do białka). Można to zobaczyć porównując struktury i funkcje dwóch blisko spokrewnionych białek złożonych, mioglobiny i hemoglobiny.

Ryż. 1.18. Schemat struktury białka dimerycznego

2. Tworzenie struktur przestrzennych i funkcjonowanie mioglobiny.

Mioglobina (Mb) to białko występujące w mięśniach czerwonych, którego główną funkcją jest tworzenie rezerw O 2 niezbędnych do intensywnej pracy mięśni. Mb jest białkiem złożonym, zawierającym część białkową – apoMb i część niebiałkową – hem. Pierwotna struktura apoMB determinuje jego zwartą konformację kulistą i strukturę centrum aktywnego, do którego przyłączona jest niebiałkowa część mioglobiny – hem. Tlen docierający z krwi do mięśni wiąże się z hemami Fe+ 2 w mioglobinie. Mb jest białkiem monomerycznym, które ma bardzo duże powinowactwo do O 2, dlatego uwalnianie tlenu przez mioglobinę następuje tylko podczas intensywnej pracy mięśni, kiedy ciśnienie parcjalne O 2 gwałtownie maleje.

Tworzenie konformacji Mv. W mięśniach czerwonych na rybosomach podczas translacji syntetyzowana jest pierwotna struktura MB, reprezentowana przez specyficzną sekwencję 153 reszt aminokwasowych. Wtórna struktura Mb zawiera osiem α-helis, zwanych łacińskimi literami od A do H, pomiędzy którymi znajdują się obszary niehelikalne. Trzeciorzędowa struktura Mb ma postać zwartej globuli, w której wnęce znajduje się centrum aktywne pomiędzy α-helisami F i E (ryc. 1.19).

Ryż. 1.19. Struktura mioglobiny

3. Cechy budowy i funkcjonowania ośrodka czynnego SN. Centrum aktywne Mb utworzone jest głównie przez hydrofobowe rodniki aminokwasowe, szeroko od siebie oddalone w strukturze pierwszorzędowej (na przykład Tri 3 9 i Fen 138) Słabo rozpuszczalne w wodzie ligandy – hem i O 2 – przyłączają się do centrum aktywnego. Hem jest specyficznym ligandem apoMB (ryc. 1.20), którego podstawę stanowią cztery pierścienie pirolowe połączone mostkami metenylowymi; w centrum znajduje się atom Fe+ 2 połączony z atomami azotu pierścieni pirolu czterema wiązaniami koordynacyjnymi. W centrum aktywnym Mb oprócz hydrofobowych rodników aminokwasowych znajdują się także reszty dwóch aminokwasów z rodnikami hydrofilowymi - GisE 7(Rdz 64) i GIS F8(Jego 93) (ryc. 1.21).

Ryż. 1,20. Struktura hemu - niebiałkowej części mioglobiny i hemoglobiny

Ryż. 1.21. Lokalizacja hemu i O2 w miejscu aktywnym protomerów apomioglobiny i hemoglobiny

Hem jest kowalencyjnie związany z His F8 poprzez atom żelaza. O 2 przyłącza się do żelaza po drugiej stronie płaszczyzny hemu. Jego E 7 jest niezbędny do prawidłowej orientacji O 2 i ułatwia dodanie tlenu do hemu Fe + 2

GIS F8 tworzy wiązanie koordynacyjne z Fe+ 2 i mocno wiąże hem w centrum aktywnym. GisE 7 niezbędny do prawidłowej orientacji w centrum aktywnym innego liganda - O 2 podczas jego interakcji z hemem Fe + 2. Mikrośrodowisko hemu stwarza warunki do silnego, ale odwracalnego wiązania O 2 z Fe + 2 i zapobiega przedostawaniu się wody do hydrofobowego miejsca aktywnego, co może prowadzić do jego utlenienia do Fe + 3.

Monomeryczna struktura Mb i jego centrum aktywnego decyduje o wysokim powinowactwie białka do O2.

4. Struktura oligomeryczna Hb i regulacja powinowactwa Hb do ligandów O 2. Hemoglobiny ludzkie- rodzina białek, takich jak mioglobina, spokrewniona z białkami złożonymi (hemoproteinami). Mają budowę tetrameryczną i zawierają dwa łańcuchy α, ale różnią się budową dwóch pozostałych łańcuchów polipeptydowych (łańcuchy 2α, 2x). Struktura drugiego łańcucha polipeptydowego determinuje cechy funkcjonowania tych form Hb. Około 98% hemoglobiny w czerwonych krwinkach dorosłego człowieka to hemoglobina hemoglobina A(łańcuchy 2α, 2p).

Podczas rozwoju płodu działają dwa główne typy hemoglobin: embrionalna Hb(2α, 2ε), który znajduje się na wczesne stadia rozwój płodu i hemoglobina F (płód)- (2α, 2γ), która zastępuje wczesną hemoglobinę płodową w szóstym miesiącu rozwoju wewnątrzmacicznego i dopiero po urodzeniu zastępuje ją Hb A.

HB A to białko spokrewnione z mioglobiną (MB) występujące w czerwonych krwinkach dorosłego człowieka. Struktura jej poszczególnych protomerów jest podobna do struktury mioglobiny. Struktury drugorzędowe i trzeciorzędowe protomerów mioglobiny i hemoglobiny są bardzo podobne, mimo że w strukturze pierwszorzędowej ich łańcuchów polipeptydowych identyczne są jedynie 24 reszty aminokwasowe (drugorzędowa struktura protomerów hemoglobiny, podobnie jak mioglobiny, zawiera osiem α-helis, oznaczone literami łacińskimi od A do H, a struktura trzeciorzędowa ma postać zwartej globuli). Jednak w przeciwieństwie do mioglobiny hemoglobina ma strukturę oligomeryczną, składającą się z czterech łańcuchów polipeptydowych połączonych wiązaniami niekowalencyjnymi (ryc. 1.22).

Każdy protomer Hb jest powiązany z częścią niebiałkową – hemem i sąsiednimi protomerami. Połączenie części białkowej Hb z hemem jest podobne do połączenia mioglobiny: w centrum aktywnym białka hydrofobowe części hemu są otoczone hydrofobowymi rodnikami aminokwasowymi, z wyjątkiem His F 8 i His E 7, które znajdują się po obu stronach płaszczyzny hemu i odgrywają podobną rolę w funkcjonowaniu białka i jego wiązaniu z tlenem (patrz budowa mioglobiny).

Ryż. 1,22. Oligomeryczna struktura hemoglobiny

Oprócz, GisE 7 pełni ważne dodatkowa rola w funkcjonowaniu Nv. Wolny hem ma 25 000 razy większe powinowactwo do CO niż do O2. CO powstaje w organizmie w małych ilościach i ze względu na jego duże powinowactwo do hemu może zakłócać transport O 2 niezbędny do życia komórek. Jednak w składzie hemoglobiny powinowactwo hemu do tlenku węgla przekracza powinowactwo do O 2 tylko 200 razy ze względu na obecność His E 7 w centrum aktywnym. Pozostała część tego aminokwasu stwarza optymalne warunki wiązania hemu z O 2 i osłabia oddziaływanie hemu z CO.

5. Główną funkcją HB jest transport O2 z płuc do tkanek. W przeciwieństwie do monomerycznej mioglobiny, która ma bardzo duże powinowactwo do O2 i pełni funkcję magazynowania tlenu w czerwonych mięśniach, oligomeryczna struktura hemoglobiny zapewnia:

1) szybkie nasycenie HB tlenem w płucach;

2) zdolność HB do uwalniania tlenu w tkankach przy stosunkowo wysokim ciśnieniu cząstkowym O 2 (20–40 mm Hg);

3) możliwość regulacji powinowactwa Hb do O 2.

6. Wspólne zmiany w konformacji protomerów hemoglobiny przyspieszają wiązanie O 2 w płucach i jego uwalnianie do tkanek. W płucach wysokie ciśnienie parcjalne O2 sprzyja jego wiązaniu z Hb w miejscu aktywnym czterech protomerów (2α i 2β). Aktywne centrum każdego protomeru, podobnie jak w mioglobinie, znajduje się pomiędzy dwiema α-helisami (F i E) w kieszeni hydrofobowej. Zawiera część niebiałkową - hem, połączoną z częścią białkową wieloma słabymi oddziaływaniami hydrofobowymi i jednym silnym wiązaniem pomiędzy hemem Fe 2 + i His F 8 (patrz ryc. 1.21).

W deoksyhemoglobinie, dzięki temu wiązaniu z His F 8, atom Fe 2 + wystaje z płaszczyzny hemu w kierunku histydyny. Wiązanie O 2 z Fe 2 + zachodzi po drugiej stronie hemu w regionie His E 7 przy użyciu pojedynczego wolnego wiązania koordynacyjnego. Jego E 7 zapewnia optymalne warunki wiązania O 2 z żelazem hemowym.

Dodatek O2 do atomu Fe+2 jednego protomeru powoduje jego ruch do płaszczyzny hemu, po czym następuje związana z nim reszta histydyny

Ryż. 1,23. Zmiana konformacji protomeru hemoglobiny w połączeniu z O2

Prowadzi to do zmiany konformacji wszystkich łańcuchów polipeptydowych ze względu na ich labilność konformacyjną. Zmiana konformacji pozostałych łańcuchów ułatwia ich interakcję z kolejnymi cząsteczkami O 2 .

Czwarta cząsteczka O 2 przyłącza się do hemoglobiny 300 razy łatwiej niż pierwsza (ryc. 1.24).

Ryż. 1,24. Spółdzielcze zmiany w konformacji protomerów hemoglobiny podczas jej interakcji z O2

W tkankach każda kolejna cząsteczka O 2 jest odcinana łatwiej niż poprzednia, także na skutek kooperatywnych zmian w konformacji protomerów.

7. CO 2 i H+ powstające podczas katabolizmu materia organiczna, zmniejszają powinowactwo hemoglobiny do O 2 proporcjonalnie do ich stężenia. Energia niezbędna do funkcjonowania komórek wytwarzana jest przede wszystkim w mitochondriach podczas utleniania substancji organicznych przy użyciu O 2 dostarczanego z płuc przez hemoglobinę. W wyniku utleniania substancji organicznych powstają końcowe produkty ich rozkładu: CO 2 i K 2 O, których ilość jest proporcjonalna do intensywności zachodzących procesów utleniania.

CO 2 dyfunduje z komórek do krwi i przenika do czerwonych krwinek, gdzie pod wpływem enzymu karbanhydrazy przekształca się w kwas węglowy. Ten słaby kwas dysocjuje na proton i jon wodorowęglanowy.

H+ są w stanie przyłączyć się do Jego rodników 14 6 w łańcuchach α i β hemoglobiny, tj. w obszarach odległych od hemu. Protonowanie hemoglobiny zmniejsza jej powinowactwo do O 2, sprzyja usuwaniu O 2 z oksyHb, tworzeniu deoksyHb i zwiększa dopływ tlenu do tkanek proporcjonalnie do liczby utworzonych protonów (ryc. 1.25).

Wzrost ilości uwalnianego tlenu w zależności od wzrostu stężenia H+ w czerwonych krwinkach nazywany jest efektem Bohra (nazwanym na cześć duńskiego fizjologa Christiana Bohra, który jako pierwszy odkrył ten efekt).

W płucach wysokie ciśnienie parcjalne tlenu sprzyja jego wiązaniu z deoksyHb, co zmniejsza powinowactwo białka do H +. Uwolnione protony pod działaniem kwasu węglowego reagują z wodorowęglanami, tworząc CO 2 i H 2 O

Ryż. 1,25. Zależność powinowactwa Hb do O 2 od stężenia CO 2 i protonów (efekt Bohra):

A- wpływ stężenia CO 2 i H+ na uwalnianie O 2 z kompleksu z HB (efekt Bohra); B- natlenienie deoksyhemoglobiny w płucach, tworzenie i uwalnianie CO2.

Powstały CO 2 przedostaje się do przestrzeni pęcherzykowej i jest usuwany wraz z wydychanym powietrzem. Zatem ilość tlenu uwalnianego przez hemoglobinę w tkankach jest regulowana przez produkty katabolizmu substancji organicznych: im intensywniejszy rozkład substancji, np. podczas wysiłku fizycznego, tym wyższe stężenie CO 2 i H + oraz tym więcej tlenu tkanki otrzymują w wyniku zmniejszenia powinowactwa Hb do O2.

8. Allosteryczna regulacja powinowactwa Hb do O2 przez ligand – 2,3-bisfosfoglicerynian. W erytrocytach allosteryczny ligand hemoglobiny, 2,3-bisfosfoglicerynian (2,3-BPG), jest syntetyzowany z produktu utleniania glukozy - 1,3-bisfosfoglicerynianu. W normalne warunki stężenie 2,3-BPG jest wysokie i porównywalne ze stężeniem Hb. 2,3-BPG ma silny ładunek ujemny -5.

Bisfosfoglicerynian w naczyniach włosowatych tkanek, wiążąc się z deoksyhemoglobiną, zwiększa uwalnianie tlenu do tkanek, zmniejszając powinowactwo Hb do O2.

W środku tetramerycznej cząsteczki hemoglobiny znajduje się wnęka. Tworzą go reszty aminokwasowe wszystkich czterech protomerów (patrz ryc. 1.22). W naczyniach włosowatych tkanek protonowanie Hb (efekt Bohra) prowadzi do zerwania wiązania pomiędzy żelazem hemowym i O2. W cząsteczce

deoksyhemoglobina w porównaniu do oksyhemoglobiny są dodatkowe wiązania jonowe, łącząc protomery, w wyniku czego wymiary jamy centralnej zwiększają się w porównaniu z oksyhemoglobiną. Jama centralna jest miejscem przyłączania 2,3-BPG do hemoglobiny. Ze względu na różnicę w wielkości jamy centralnej, 2,3-BPG może przyłączać się jedynie do deoksyhemoglobiny.

2,3-BPG oddziałuje z hemoglobiną w miejscu odległym od aktywnych centrów białka i do którego należy allosteryczny(regulacyjne) ligandy i centralna wnęka Hb centrum allosteryczne. 2,3-BPG ma silny ładunek ujemny i oddziałuje z pięcioma dodatnio naładowanymi grupami dwóch łańcuchów β Hb: N-końcową grupą α-aminową Val i rodnikami Lys 82 His 143 (ryc. 1.26).

Ryż. 1,26. BPG w centralnej jamie deoksyhemoglobiny

BPG wiąże się z trzema dodatnio naładowanymi grupami na każdej nici β.

W naczyniach włosowatych powstająca deoksyhemoglobina oddziałuje z 2,3-BPG i pomiędzy dodatnio naładowanymi rodnikami łańcuchów β a ujemnie naładowanymi ligandami tworzą się wiązania jonowe, które zmieniają konformację białka i zmniejszają powinowactwo Hb do O2 . Zmniejszenie powinowactwa Hb do O 2 przyczynia się do bardziej wydajnego uwalniania O 2 do tkanki.

W płucach, przy wysokim ciśnieniu parcjalnym, tlen oddziałuje z Hb, łącząc żelazo hemowe; w tym przypadku zmienia się konformacja białka, zmniejsza się wnęka centralna i 2,3-BPG zostaje wyparty z centrum allosterycznego

Zatem białka oligomeryczne mają nowe właściwości w porównaniu do białek monomerycznych. Przyłączanie ligandów w miejscach

odległe od siebie przestrzennie (allosteryczne), mogą powodować zmiany konformacyjne w całej cząsteczce białka. W wyniku interakcji z ligandami regulatorowymi następuje zmiana konformacji i adaptacja funkcji cząsteczki białka do zmian środowiskowych.

TEMAT 1.5. UTRZYMANIE NAtywnej KONFORMACJI BIAŁEK W WARUNKACH KOMÓRKOWYCH

W komórkach podczas syntezy łańcuchów polipeptydowych, ich transportu przez błony do odpowiednich części komórki, podczas procesu fałdowania (tworzenia konformacji natywnej) i podczas składania białek oligomerycznych, a także podczas ich funkcjonowania, pośrednie W strukturze białka powstają podatne na agregację, niestabilne konformacje. Rodniki hydrofobowe, zwykle ukryte wewnątrz cząsteczki białka w konformacji natywnej, pojawiają się na powierzchni w konformacji niestabilnej i mają tendencję do łączenia się z grupami innych białek, które są słabo rozpuszczalne w wodzie. W komórkach wszystkich znanych organizmów odkryto specjalne białka, które zapewniają optymalne zwijanie białek komórkowych, stabilizują ich natywną konformację podczas funkcjonowania i, co najważniejsze, utrzymują strukturę i funkcje białek wewnątrzkomórkowych, gdy zaburzona jest homeostaza. Białka te nazywane są „opiekunowie” co po francusku oznacza „nianię”.

1. Chaperony molekularne i ich rola w zapobieganiu denaturacji białek.

Chaperony (CH) są klasyfikowane według masy ich podjednostek. Chaperony o dużej masie cząsteczkowej mają masę od 60 do 110 kDa. Wśród nich najczęściej badane są trzy klasy: Sh-60, Sh-70 i Sh-90. Każda klasa obejmuje rodzinę powiązanych białek. Zatem Sh-70 obejmuje białka o masie cząsteczkowej od 66 do 78 kDa. Chaperony o niskiej masie cząsteczkowej mają masę cząsteczkową od 40 do 15 kDa.

Wśród opiekunów są składowy białka, których wysoka podstawowa synteza nie zależy od wpływu stresu na komórki organizmu, oraz indukowalny, którego synteza w normalnych warunkach jest słaba, ale gwałtownie wzrasta pod wpływem stresu. Indukowalne białka opiekuńcze nazywane są także „białkami szoku cieplnego”, ponieważ po raz pierwszy odkryto je w komórkach narażonych na działanie wysokich temperatur. W komórkach, ze względu na duże stężenie białek, spontaniczna reaktywacja częściowo zdenaturowanych białek jest utrudniona. Sh-70 może zapobiegać denaturacji i pomagać w przywracaniu natywnej konformacji białek. Chaperony molekularne-70- wysoce konserwatywna klasa białek występująca we wszystkich częściach komórki: cytoplazmie, jądrze, retikulum endoplazmatycznym, mitochondriach. Na końcu karboksylowym pojedynczego łańcucha polipeptydowego Ш-70 znajduje się region będący rowkiem zdolnym do interakcji z peptydami o długości

od 7 do 9 reszt aminokwasowych wzbogaconych rodnikami hydrofobowymi. Takie regiony w białkach globularnych występują w przybliżeniu co 16 aminokwasów. Sh-70 jest w stanie chronić białka przed inaktywacją temperaturową oraz przywracać konformację i aktywność częściowo zdenaturowanych białek.

2. Rola białek opiekuńczych w zwijaniu białek. Podczas syntezy białka na rybosomie, N-końcowy region polipeptydu jest syntetyzowany przed C-końcowym. Aby utworzyć natywną konformację, wymagana jest pełna sekwencja aminokwasów białka. W procesie syntezy białek chaperony-70, dzięki strukturze swojego centrum aktywnego, są w stanie zamykać obszary polipeptydu podatne na agregację, wzbogacone w hydrofobowe rodniki aminokwasowe, aż do zakończenia syntezy (Rysunek 1.27, A ).

Ryż. 1,27. Udział białek opiekuńczych w fałdowaniu białek

A - udział chaperonów-70 w zapobieganiu oddziaływaniom hydrofobowym pomiędzy odcinkami syntetyzowanego polipeptydu; B - tworzenie natywnej konformacji białka w kompleksie chaperonowym

Wiele białek wielkocząsteczkowych o złożonej konformacji, takiej jak struktura domeny, składa się w specjalnej przestrzeni utworzonej przez Sh-60. Ř-60 funkcjonują jako kompleks oligomeryczny składający się z 14 podjednostek. Tworzą dwa puste pierścienie, z których każdy składa się z siedmiu podjednostek, pierścienie te są ze sobą połączone. Każda podjednostka Sh-60 składa się z trzech domen: wierzchołkowej (wierzchołkowej), wzbogaconej rodnikami hydrofobowymi skierowanymi w stronę wnęki pierścienia, pośredniej i równikowej (ryc. 1.28).

Ryż. 1,28. Struktura kompleksu opiekuńczego składającego się z 14 Ш-60

A - widok z boku; B - widok z góry

Zsyntetyzowane białka, które mają na powierzchni elementy charakterystyczne dla rozwiniętych cząsteczek, w szczególności rodniki hydrofobowe, dostają się do wnęki pierścieni opiekuńczych. W specyficznym środowisku tych wnęk poszukuje się możliwych konformacji, aż do znalezienia jedynej, najkorzystniejszej energetycznie (rys. 1.27, B). Towarzyszy tworzeniu się konformacji i uwalnianiu białek Hydroliza ATP w rejonie równikowym. Zazwyczaj takie fałdowanie zależne od opiekunów wymaga znacznej ilości energii.

Oprócz udziału w tworzeniu trójwymiarowej struktury białek i renatywacji częściowo zdenaturowanych białek, chaperony są również niezbędne do zachodzenia tak podstawowych procesów jak składanie białek oligomerycznych, rozpoznawanie i transport zdenaturowanych białek do lizosomów, transport białek przez błony i udział w regulacji aktywności kompleksów białkowych.

TEMAT 1.6. RÓŻNORODNOŚĆ BIAŁEK. RODZINY BIAŁEK: PRZYKŁAD IMMUNOGLOBULIN

1. Białka odgrywają decydującą rolę w życiu poszczególnych komórek i całego organizmu wielokomórkowego, a ich funkcje są zaskakująco różnorodne. Decydują o tym cechy struktury pierwszorzędowej i konformacji białek, unikalna struktura centrum aktywnego oraz zdolność wiązania określonych ligandów.

Tylko bardzo mała część wszystkich możliwych wariantów łańcuchów peptydowych może przyjąć stabilną strukturę przestrzenną; większość

z nich może przyjmować wiele konformacji o w przybliżeniu tej samej energii Gibbsa, ale o różnych właściwościach. Wybrano strukturę pierwotną większości znanych białek ewolucja biologiczna, zapewnia wyjątkową stabilność jednej z konformacji, która określa specyfikę funkcjonowania tego białka.

2. Rodziny białek. W obrębie tego samego gatunku biologicznego podstawienia reszt aminokwasowych mogą prowadzić do powstania różnych białek, które pełnią powiązane funkcje i mają sekwencje homologiczne aminokwasy. Takie pokrewne białka mają uderzająco podobne konformacje: liczbę i względne położenie α-helis i/lub struktur β, a większość zwojów i zagięć łańcuchów polipeptydowych jest podobna lub identyczna. Białka z homologicznymi regionami łańcucha polipeptydowego, podobną konformacją i powiązanymi funkcjami dzieli się na rodziny białek. Przykłady rodzin białek: proteinazy serynowe, rodzina immunoglobulin, rodzina mioglobin.

Proteinazy serynowe- rodzina białek pełniących funkcję enzymów proteolitycznych. Należą do nich enzymy trawienne – chymotrypsyna, trypsyna, elastaza i wiele czynników krzepnięcia krwi. Białka te mają identyczne aminokwasy w 40% swoich pozycji i bardzo podobną konformację (ryc. 1.29).

Ryż. 1,29. Struktury przestrzenne elastaza (A) i chymotrypsyna (B)

Niektóre podstawienia aminokwasów doprowadziły do ​​zmian w specyficzności substratowej tych białek i pojawienia się różnorodności funkcjonalnej w obrębie rodziny.

3. Rodzina immunoglobulin. W trakcie układ odpornościowy Ogromną rolę odgrywają białka z nadrodziny immunoglobulin, która obejmuje trzy rodziny białek:

Przeciwciała (immunoglobuliny);

Receptory limfocytów T;

Białka głównego kompleksu zgodności tkankowej - klasy MHC 1 i 2 (Major Histocompatibility Complex).

Wszystkie te białka mają budowę domenową, składają się z homologicznych domen immunopodobnych i pełnią podobne funkcje: oddziałują z obcymi strukturami, albo rozpuszczonymi we krwi, limfie, płynie międzykomórkowym (przeciwciała), albo znajdującymi się na powierzchni komórek (własnych lub zagraniczny).

4. Przeciwciała- specyficzne białka wytwarzane przez limfocyty B w odpowiedzi na przedostanie się obcej struktury do organizmu, tzw antygen.

Cechy struktury przeciwciał

Najprostsze cząsteczki przeciwciał składają się z czterech łańcuchów polipeptydowych: dwóch identycznych lekkich - L, zawierających około 220 aminokwasów i dwóch identycznych ciężkich - H, składających się z 440-700 aminokwasów. Wszystkie cztery łańcuchy w cząsteczce przeciwciała są połączone wieloma wiązaniami niekowalencyjnymi i czterema wiązaniami dwusiarczkowymi (ryc. 1.30).

Łańcuchy lekkie przeciwciał składają się z dwóch domen: domeny zmiennej (VL), zlokalizowanej w regionie N-końcowym łańcucha polipeptydowego i domeny stałej (CL), zlokalizowanej na C-końcu. Łańcuchy ciężkie mają zwykle cztery domeny: jedną zmienną (VH), zlokalizowaną na N-końcu i trzy domeny stałe (CH1, CH2, CH3) (patrz ryc. 1.30). Każda domena immunoglobulinowa ma nadbudowę arkusza β, w której dwie reszty cysteinowe są połączone wiązaniem dwusiarczkowym.

Pomiędzy dwiema domenami stałymi CH1 i CH2 znajduje się region zawierający dużą liczbę reszt proliny, które zapobiegają tworzeniu się struktury drugorzędowej i oddziaływaniu sąsiadujących łańcuchów H w tym segmencie. Ten region zawiasowy zapewnia elastyczność cząsteczki przeciwciała. Pomiędzy domenami zmiennymi łańcucha ciężkiego i lekkiego znajdują się dwa identyczne miejsca wiązania antygenu (miejsca aktywne wiązania antygenów), dlatego takie przeciwciała często nazywane są biwalenty. W wiązaniu antygenu z przeciwciałem nie bierze udziału cała sekwencja aminokwasów regionów zmiennych obu łańcuchów, ale jedynie 20-30 aminokwasów znajdujących się w regionach hiperzmiennych każdego łańcucha. To właśnie te regiony określają unikalną zdolność każdego typu przeciwciał do interakcji z odpowiednim antygenem komplementarnym.

Przeciwciała są jedną z linii obrony organizmu przed inwazją obcych organizmów. Ich funkcjonowanie można podzielić na dwa etapy: pierwszy etap to rozpoznanie i związanie antygenu na powierzchni obcych organizmów, co jest możliwe dzięki obecności w strukturze przeciwciała miejsc wiążących antygen; drugi etap to inicjacja procesu inaktywacji i zniszczenia antygenu. Specyficzność drugiego etapu zależy od klasy przeciwciał. Wyróżnia się pięć klas łańcuchów ciężkich, różniących się między sobą budową domen stałych: α, δ, ε, γ i μ, według których wyróżnia się pięć klas immunoglobulin: A, D, E, G i M.

Cechy strukturalne łańcuchów ciężkich nadają regionom zawiasowym i regionom C-końcowym łańcuchów ciężkich konformację charakterystyczną dla każdej klasy. Po związaniu antygenu z przeciwciałem zmiany konformacyjne w domenach stałych określają ścieżkę usuwania antygenu.

Ryż. 1. 30. Struktura domenowa IgG

Immunoglobuliny M

Immunoglobuliny M mają dwie formy.

Forma monomeryczna- I klasa przeciwciał wytwarzanych przez rozwijające się limfocyty B. Następnie wiele limfocytów B zaczyna wytwarzać przeciwciała innej klasy, ale z tym samym miejscem wiązania antygenu. IgM jest osadzone w błonie i działa jako receptor rozpoznający antygen. Integracja IgM z błoną komórkową jest możliwa dzięki obecności 25 hydrofobowych reszt aminokwasowych w części ogonowej regionu.

Wydzielnicza postać IgM zawiera pięć monomerycznych podjednostek połączonych ze sobą wiązaniami dwusiarczkowymi i dodatkowym polipeptydowym łańcuchem J (ryc. 1.31). Łańcuchy ciężkie monomerów tej postaci nie zawierają ogona hydrofobowego. Pentamer ma 10 miejsc wiązania antygenu i dlatego skutecznie rozpoznaje i usuwa antygen, który jako pierwszy dostanie się do organizmu. Wydzielnicza postać IgM to główna klasa przeciwciał wydzielanych do krwi podczas pierwotnej odpowiedzi immunologicznej. Wiązanie IgM z antygenem zmienia konformację IgM i indukuje jej związanie z pierwszym białkowym składnikiem układu dopełniacza (układ dopełniacza to zespół białek biorących udział w niszczeniu antygenu) i aktywację tego układu. Jeśli antygen znajduje się na powierzchni mikroorganizmu, układ dopełniacza powoduje naruszenie integralności Błona komórkowa i śmierć komórki bakteryjnej.

Immunoglobuliny G

Ilościowo ta klasa immunoglobulin przeważa we krwi (75% wszystkich Ig). IgG – monomery, główna klasa przeciwciał wydzielanych do krwi podczas wtórnej odpowiedzi immunologicznej. Po interakcji IgG z antygenami powierzchniowymi mikroorganizmów kompleks antygen-przeciwciało jest w stanie wiązać i aktywować białka układu dopełniacza lub oddziaływać ze specyficznymi receptorami makrofagów i neutrofili. Interakcja z fagocytami prowadzi

Ryż. 1.31. Struktura wydzielniczej formy IgM

na absorpcję kompleksów antygen-przeciwciało i ich zniszczenie w fagosomach komórkowych. IgG to jedyna klasa przeciwciał, która jest w stanie przeniknąć przez barierę łożyskową i zapewnić wewnątrzmaciczną ochronę płodu przed infekcjami.

Immunoglobuliny A

Główna klasa przeciwciał występujących w wydzielinach (mleko, ślina, wydzieliny dróg oddechowych i jelit). IgA jest wydzielana głównie w postaci dimerycznej, gdzie monomery są połączone ze sobą dodatkowym łańcuchem J (ryc. 1.32).

IgA nie oddziałuje z układem dopełniacza i komórkami fagocytarnymi, ale wiążąc się z mikroorganizmami, przeciwciała uniemożliwiają ich przyłączenie do komórek nabłonkowych i przenikanie do organizmu.

Immunoglobuliny E

Immunoglobuliny E są reprezentowane przez monomery, w których ciężkie łańcuchy ε zawierają, podobnie jak łańcuchy μ immunoglobulin M, jedną domenę zmienną i cztery stałe. Po wydzieleniu IgE wiąże się ze swoimi

Ryż. 1,32. Struktura IgA

Regiony C-końcowe z odpowiednimi receptorami na powierzchni komórek tucznych i bazofilów. W rezultacie stają się receptorami dla antygenów na powierzchni tych komórek (ryc. 1.33).

Ryż. 1,33. Oddziaływanie IgE z antygenem na powierzchni komórek tucznych

Po związaniu się antygenu z odpowiednimi miejscami wiązania antygenu IgE, komórki otrzymują sygnał do biologicznego wydzielania substancje czynne(histamina, serotonina), które w dużej mierze odpowiadają za rozwój reakcji zapalnej i manifestację reakcji alergicznych, takich jak astma, pokrzywka, katar sienny.

Immunoglobuliny D

Immunoglobuliny D występują w bardzo małych ilościach w surowicy i są monomerami. Ciężkie łańcuchy δ mają jedną domenę zmienną i trzy domeny stałe. IgD działają jako receptory dla limfocytów B; inne funkcje są nadal nieznane. Oddziaływanie specyficznych antygenów z receptorami na powierzchni limfocytów B (IgD) prowadzi do przekazania tych sygnałów do komórki i aktywacji mechanizmów zapewniających proliferację danego klonu limfocytów.

TEMAT 1.7. WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE I CHEMICZNE BIAŁEK ORAZ METODY ICH SEPARACJI

1. Poszczególne białka różnią się właściwościami fizycznymi i chemicznymi:

Kształt cząsteczek;

Waga molekularna;

Całkowity ładunek, którego wielkość zależy od stosunku grup anionowych i kationowych aminokwasów;

Stosunek polarnych i niepolarnych rodników aminokwasowych na powierzchni cząsteczek;

Stopnie odporności na różne czynniki denaturujące.

2. Rozpuszczalność białka zależy od właściwości wymienionych białek, a także od składu środowiska, w którym białko jest rozpuszczane (wartości pH, skład soli, temperatura, obecność innych substancji organicznych mogących oddziaływać z białkiem). Wielkość ładunku cząsteczek białek jest jednym z czynników wpływających na ich rozpuszczalność. Kiedy ładunek w punkcie izoelektrycznym zostanie utracony, białka łatwiej agregują i wytrącają się. Jest to szczególnie typowe dla białek zdenaturowanych, w których na powierzchni pojawiają się hydrofobowe rodniki aminokwasowe.

Na powierzchni cząsteczki białka znajdują się zarówno dodatnio, jak i ujemnie naładowane rodniki aminokwasów. Liczba tych grup, a co za tym idzie całkowity ładunek białek, zależy od pH ośrodka, tj. stosunek stężeń grup H+ - i OH -. W kwaśnym środowisku Wzrost stężenia H+ prowadzi do zahamowania dysocjacji grup karboksylowych -COO - + H+ > - COOH i zmniejszenia ładunku ujemnego białek. W środowisku zasadowym wiązanie nadmiaru OH - przez protony powstałe podczas dysocjacji grup aminowych -NH 3 + + OH - - NH 2 + H 2 O z utworzeniem wody prowadzi do zmniejszenia ładunku dodatniego białek . Nazywa się wartość pH, przy której białko ma ładunek zerowy netto punkt izoelektryczny (IEP). W IET liczba grup naładowanych dodatnio i ujemnie jest taka sama, tj. białko jest w stanie izoelektrycznym.

3. Rozdzielanie poszczególnych białek. Cechy budowy i funkcjonowania organizmu zależą od zestawu syntetyzowanych w nim białek. Badanie struktury i właściwości białek nie jest możliwe bez wyizolowania ich z komórki i oczyszczenia z innych białek i cząsteczek organicznych. Etapy izolacji i oczyszczania poszczególnych białek:

Zniszczenie komórek badanej tkanki i uzyskania homogenatu.

Podział homogenatu na frakcje przez wirowanie, uzyskując frakcję jądrową, mitochondrialną, cytozolową lub inną zawierającą pożądane białko.

Selektywna denaturacja termiczna- krótkotrwałe ogrzewanie roztworu białka, podczas którego można usunąć część zdenaturowanych zanieczyszczeń białkowych (o ile białko jest stosunkowo termostabilne).

Solenie. Różne białka wytrącają się przy różnym stężeniu soli w roztworze. Stopniowo zwiększając stężenie soli, można otrzymać szereg odrębnych frakcji, w których w jednej z nich przeważa zawartość izolowanego białka. Do frakcjonowania białek najczęściej stosuje się siarczan amonu. Białka o najmniejszej rozpuszczalności wytrącają się przy niskich stężeniach soli.

Filtracja żelowa- metoda przesiewania cząsteczek przez spęczniałe granulki Sephadexu (trójwymiarowe łańcuchy polisacharydowe dekstranu posiadające pory). Szybkość, z jaką białka przechodzą przez kolumnę wypełnioną Sephadexem, będzie zależała od ich masy cząsteczkowej: im mniejsza masa cząsteczek białka, tym łatwiej wnikają one do granulek i dłużej tam pozostają; im większa masa, tym szybciej wymywają się z kolumna.

Ultrawirowanie- metoda polegająca na umieszczeniu białek w probówce wirówkowej w rotorze ultrawirówki. Kiedy rotor się obraca, szybkość sedymentacji białek jest proporcjonalna do ich masy cząsteczkowej: frakcje białek cięższych znajdują się bliżej dna probówki, lżejsze - bliżej powierzchni.

Elektroforeza- metoda oparta na różnicach prędkości ruchu białek w polu elektrycznym. Wartość ta jest proporcjonalna do ładunku białek. Elektroforezę białek przeprowadza się na papierze (w tym przypadku prędkość ruchu białek jest proporcjonalna tylko do ich ładunku) lub w żelu poliakryloamidowym o określonej wielkości porów (szybkość ruchu białek jest proporcjonalna do ich ładunku i masy cząsteczkowej) .

Chromatografia jonowymienna- metoda frakcjonowania polegająca na wiązaniu zjonizowanych grup białek z przeciwnie naładowanymi grupami żywic jonowymiennych (nierozpuszczalnych materiałów polimerowych). Siła wiązania białka z żywicą jest proporcjonalna do ładunku białka. Białka zaadsorbowane na polimerze jonowymiennym można wypłukać wraz ze wzrostem stężenia roztworów NaCl; im niższy ładunek białka, tym niższe stężenie NaCl wymagane do wypłukania białka związanego z grupami jonowymi żywicy.

Chromatografii powinowactwa- najbardziej specyficzna metoda izolacji poszczególnych białek.Ligand białka jest kowalencyjnie przyłączony do obojętnego polimeru. Kiedy roztwór białka przepuszczany jest przez kolumnę z polimerem, na kolumnie adsorbowane jest wyłącznie białko specyficzne dla danego liganda, ze względu na komplementarne wiązanie białka z ligandem.

Dializa- metoda służąca do usuwania związków drobnocząsteczkowych z roztworu izolowanego białka. Metoda opiera się na niezdolności białek do przejścia przez półprzepuszczalną membranę, w przeciwieństwie do substancji o niskiej masie cząsteczkowej. Służy do oczyszczania białek z zanieczyszczeń drobnocząsteczkowych, np. soli po wysalaniu.

ZADANIA NA PRACĘ POZASZKOLNĄ

1. Wypełnij tabelę. 1.4.

Tabela 1.4. Analiza porównawcza struktura i funkcje pokrewnych białek - mioglobiny i hemoglobiny

a) zapamiętaj strukturę aktywnego centrum Mb i Hb. Jaką rolę odgrywają hydrofobowe rodniki aminokwasowe w tworzeniu centrów aktywnych tych białek? Opisać budowę centrum aktywnego Mb i Hb oraz mechanizmy przyłączania do niego ligandów. Jaką rolę odgrywają reszty His F 8 i His E 7 w funkcjonowaniu centrum aktywnego Mv iHv?

b) jakie nowe właściwości w porównaniu z monomeryczną mioglobiną ma blisko spokrewnione białko oligomeryczne, hemoglobina? Wyjaśnić rolę kooperatywnych zmian w konformacji protomerów w cząsteczce hemoglobiny, wpływ stężenia CO 2 i protonów na powinowactwo hemoglobiny do tlenu, a także rolę 2,3-BPG w allosterycznej regulacji funkcji Hb .

2. Scharakteryzuj chaperony molekularne, zwracając uwagę na związek pomiędzy ich strukturą i funkcją.

3. Jakie białka dzielimy na rodziny? Na przykładzie rodziny immunoglobulin zidentyfikuj podobne cechy strukturalne i powiązane funkcje białek tej rodziny.

4. Oczyszczone pojedyncze białka są często wymagane do celów biochemicznych i leczniczych. Wyjaśnij które fizyczne i chemiczne właściwości białka opierają się na metodach stosowanych do ich rozdzielania i oczyszczania.

ZADANIA SAMOKONTROLI

1. Wybierz prawidłowe odpowiedzi.

Funkcje hemoglobiny:

A. Transport O 2 z płuc do tkanek B. Transport H + z tkanek do płuc

B. Utrzymanie stałego pH krwi. D. Transport CO 2 z płuc do tkanek

D. Transport CO 2 z tkanek do płuc

2. Wybierz prawidłowe odpowiedzi. Ligandα -protomer Hb to: A. Hem

B. Tlen

B. CO G. 2,3-BPG

D. β-Protomer

3. Wybierz prawidłowe odpowiedzi.

Hemoglobina w przeciwieństwie do mioglobiny:

A. Ma strukturę czwartorzędową

B. Strukturę drugorzędową reprezentują jedynie α-helisy

B. Należy do białek złożonych

D. Oddziałuje z ligandem allosterycznym. D. Kowalencyjnie związany z hemem

4. Wybierz prawidłowe odpowiedzi.

Powinowactwo Hb do O2 maleje:

A. Gdy dodana zostanie jedna cząsteczka O 2. B. Gdy zostanie usunięta jedna cząsteczka O 2

B. Podczas interakcji z 2,3-BPG

D. Po przyłączeniu do protomerów H + D. Gdy stężenie 2,3-BPG maleje

5. Mecz.

Typy HB charakteryzują się:

A. W formie deoksy tworzy agregaty włókniste B. Zawiera dwa łańcuchy α i dwa δ

B. Dominująca forma Hb w erytrocytach dorosłych D. Zawiera hem z Fe+ 3 w centrum aktywnym

D. Zawiera dwa łańcuchy α i dwa łańcuchy γ 1. HbA 2.

6. Mecz.

Ligandy Hb:

A. Wiąże się z Hb w centrum allosterycznym

B. Ma bardzo duże powinowactwo do miejsca aktywnego Hb

B. Łącząc zwiększa powinowactwo Hb do O 2 G. Utlenia Fe+ 2 do Fe+ 3

D. Formularze wiązanie kowalencyjne z gisF8

7. Wybierz prawidłowe odpowiedzi.

Opiekunowie:

A. Białka obecne we wszystkich częściach komórki

B. Synteza wzrasta pod wpływem stresu

B. Uczestniczyć w hydrolizie zdenaturowanych białek

D. Uczestniczyć w utrzymaniu natywnej konformacji białek

D. Tworzą organelle, w których powstaje konformacja białek.

8. Mecz. Immunoglobuliny:

A. Forma wydzielnicza jest pentameryczna.

B. Klasa Ig, która przenika przez barierę łożyskową

B. Ig - receptor komórek tucznych

D. Główna klasa Ig obecna w wydzielinach komórek nabłonkowych. D. Receptor limfocytów B, którego aktywacja zapewnia proliferację komórek

9. Wybierz prawidłowe odpowiedzi.

Immunoglobuliny E:

A. Wytwarzane przez makrofagi. B. Mają ciężkie łańcuchy ε.

B. Osadzone w błonie limfocytów T

D. Działają jako błonowe receptory antygenów na komórkach tucznych i bazofilach

D. Odpowiedzialny za reakcje alergiczne

10. Wybierz prawidłowe odpowiedzi.

Metoda rozdziału białek opiera się na różnicach w ich masie cząsteczkowej:

A. Filtracja żelowa

B. Ultrawirowanie

B. Elektroforeza w żelu poliakryloamidowym. D. Chromatografia jonowymienna

D. Chromatografia powinowactwa

11. Wybierz poprawną odpowiedź.

Metoda rozdziału białek opiera się na różnicach w ich rozpuszczalności w wodzie:

A. Filtracja żelowa B. Wysalanie

B. Chromatografia jonowymienna. D. Chromatografia powinowactwa

D. Elektroforeza w żelu poliakryloamidowym

STANDARDY ODPOWIEDZI NA „ZADANIA SAMOKONTROLI”

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

PODSTAWOWE TERMINY I POJĘCIA

1. Białka oligomeryczne, protomer, struktura czwartorzędowa białka

2. Kooperacyjne zmiany w konformacji protomeru

3. Efekt Bohra

4. Allosteryczna regulacja funkcji białek, centrum allosteryczne i efektor allosteryczny

5. Chaperony molekularne, białka szoku cieplnego

6. Rodziny białek (proteazy serynowe, immunoglobuliny)

7. Zależność IgM-, G-, E-, A-struktura-funkcja

8. Ładunek całkowity białek, punkt izoelektryczny białek

9. Elektroforeza

10. Solenie

11. Filtracja żelowa

12. Chromatografia jonowymienna

13. Ultrawirowanie

14. Chromatografia powinowactwa

15. Elektroforeza białek osocza krwi

ZADANIA DO PRACY W KLASIE

1. Porównaj zależności stopnia nasycenia hemoglobiny (Hb) i mioglobiny (Mb) tlenem od jej ciśnienia parcjalnego w tkankach

Ryż. 1,34. Zależność nasycenia Mv iNHtlenu z jego ciśnienia cząstkowego

Należy pamiętać, że kształt krzywych nasycenia białka tlenem jest inny: dla mioglobiny - hiperbola, dla hemoglobiny - kształt esowaty.

1. porównać wartości ciśnienia cząstkowego tlenu, przy którym Mb i Hb są nasycone O 2 o 50%. Które z tych białek ma większe powinowactwo do O2?

2. Jakie cechy strukturalne Mb decydują o jego wysokim powinowactwie do O 2?

3. Jakie cechy strukturalne HB pozwalają na uwalnianie O2 w kapilarach spoczynkowych tkanek (przy stosunkowo wysokim ciśnieniu parcjalnym O2) i gwałtownie zwiększają to uwalnianie w pracujących mięśniach? Jaka właściwość białek oligomerycznych zapewnia taki efekt?

4. Oblicz, jaką ilość O 2 (w%) utlenionej hemoglobiny oddaje mięśnie odpoczywające i pracujące?

5. wyciągać wnioski na temat związku pomiędzy strukturą białka a jego funkcją.

2. Ilość tlenu uwalnianego przez hemoglobinę w naczyniach włosowatych zależy od intensywności procesów katabolicznych w tkankach (efekt Bohra). W jaki sposób zmiany w metabolizmie tkanek regulują powinowactwo Hb do O2? Wpływ CO 2 i H+ na powinowactwo Hb do O 2

1. opisać efekt Bohra.

2. w jakim kierunku przebiega proces pokazany na schemacie:

a) w naczyniach włosowatych płuc;

b) w naczyniach włosowatych tkankowych?

3. Jakie jest fizjologiczne znaczenie efektu Bohra?

4. Dlaczego oddziaływanie Hb z H+ w miejscach odległych od hemu zmienia powinowactwo białka do O 2?

3. Powinowactwo Hb do O2 zależy od stężenia jej ligandu – 2,3-bisfosfoglicerynianu, który jest allosterycznym regulatorem powinowactwa Hb do O2. Dlaczego interakcja ligandu w miejscu odległym od miejsca aktywnego wpływa na funkcję białka? W jaki sposób 2,3-BPG reguluje powinowactwo Hb do O2? Aby rozwiązać problem, odpowiedz na następujące pytania:

1. gdzie i z czego syntetyzowany jest 2,3-bisfosfoglicerynian (2,3-BPG)? Napisz jego wzór, wskaż ładunek tej cząsteczki.

2. Z jaką formą hemoglobiny (oksy czy deoksy) wchodzi w interakcję BPG i dlaczego? W jakiej części cząsteczki Hb zachodzi interakcja?

3. w jakim kierunku przebiega proces pokazany na schemacie?

a) w naczyniach włosowatych tkankowych;

b) w naczyniach włosowatych płuc?

4. gdzie stężenie kompleksu powinno być wyższe

Nv-2,3-BFG:

a) w naczyniach włosowatych mięśni w stanie spoczynku,

b) w naczyniach włosowatych pracujących mięśni (pod warunkiem takiego samego stężenia BPG w erytrocytach)?

5. Jak zmieni się powinowactwo HB do tlenu, gdy człowiek przystosuje się do warunków wysokogórskich, jeśli wzrośnie stężenie BPG w erytrocytach? Jakie jest fizjologiczne znaczenie tego zjawiska?

4. Zniszczenie 2,3-BPG podczas przechowywania zakonserwowanej krwi upośledza funkcje HB. Jak zmieni się powinowactwo HB do O 2 w zakonserwowanej krwi, jeśli stężenie 2,3-BPG w erytrocytach może spaść z 8 do 0,5 mmol/l. Czy można przetaczać taką krew ciężko chorym, jeśli stężenie 2,3-BPG zostanie przywrócone dopiero po trzech dniach? Czy możliwe jest przywrócenie funkcji czerwonych krwinek poprzez dodanie do krwi 2,3-BPG?

5. Zapamiętaj strukturę najprostszych cząsteczek immunoglobulin. Jaką rolę odgrywają immunoglobuliny w układzie odpornościowym? Dlaczego Igs często nazywane są biwalentami? Jak struktura Ig wiąże się z ich funkcją? (Opisz na przykładzie klasy immunoglobulin.)

Właściwości fizykochemiczne białek i metody ich rozdzielania.

6. Jak ładunek netto białka wpływa na jego rozpuszczalność?

a) określić całkowity ładunek peptydu przy pH 7

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

b) jak zmieni się ładunek tego peptydu przy pH >7, pH<7, рН <<7?

c) jaki jest punkt izoelektryczny białka (IEP) i w jakim środowisku się ono znajduje?

IET tego peptydu?

d) przy jakiej wartości pH będzie zaobserwowana najmniejsza rozpuszczalność tego peptydu.

7. Dlaczego kwaśne mleko, w przeciwieństwie do świeżego mleka, „zsiada się” po ugotowaniu (tj. wytrąca się kazeina białka mleka)? W świeżym mleku cząsteczki kazeiny mają ładunek ujemny.

8. Do separacji poszczególnych białek stosuje się filtrację żelową. Mieszaninę zawierającą białka A, B, C o masach cząsteczkowych odpowiednio 160 000, 80 000 i 60 000 poddano analizie metodą filtracji żelowej (ryc. 1.35). Spęcznione granulki żelu przepuszczają białka o masie cząsteczkowej mniejszej niż 70 000. Na jakiej zasadzie leży ta metoda separacji? Który wykres poprawnie przedstawia wyniki frakcjonowania? Wskaż kolejność, w jakiej białka A, B i C są uwalniane z kolumny.

Ryż. 1,35. Zastosowanie filtracji żelowej do separacji białek

9. Na ryc. 1.36, A przedstawia schemat elektroforezy na papierze białek surowicy krwi osoby zdrowej. Względne ilości frakcji białkowych otrzymanych tą metodą wynoszą: albuminy 54-58%, α1-globuliny 6-7%, α2-globuliny 8-9%, β-globuliny 13%, γ-globuliny 11-12%.

Ryż. 1.36 Elektroforeza na papierze białek osocza krwi osoby zdrowej (A) i pacjenta (B)

I - γ-globuliny; II - β-globuliny; III -α 2 -globulina; IV -α 2 -globulina; V - albuminy

Wielu chorobom towarzyszą ilościowe zmiany w składzie białek surowicy (dyproteinemia). Charakter tych zmian jest brany pod uwagę przy stawianiu diagnozy oraz ocenie ciężkości i stadium choroby.

Korzystając z danych podanych w tabeli. 1.5, zgadnij o chorobie, którą charakteryzuje profil elektroforetyczny przedstawiony na ryc. 1,36.

Tabela 1.5. Zmiany stężenia białek surowicy w patologii

AA są monomeryczne jednostki strukturalne cząsteczki białka tworzące łańcuch polipeptydowy. AA można znaleźć w dwóch formach sterycznych: L- I D-. Kształty te są lustrzanie symetryczne. W nich masywny rodnik boczny R i atom H przy węglu α zmieniają miejsca. Tylko glicyna, której łańcuch boczny składa się z atomu H, nie ma tych form. Łańcuchy boczne składają się z reszt L- aminokwasy, tyle że są one kodowane przez geny. Reszty D nie są kodowane podczas syntezy białek macierzy, ale są syntetyzowane przez specjalne enzymy. Recemizacja(przejście L- do D-) praktycznie nie zachodzi podczas biosyntezy, jak również samoistnie w białkach, ale często zachodzi podczas chemicznej syntezy peptydów.

Cząsteczka białka charakteryzuje się obecnością silnych kowalencyjny i stosunkowo słaby wiązania niekowalencyjne. To połączenie wiązań kowalencyjnych i niekowalencyjnych zapewnia cząsteczce białka pewną siłę i dynamikę podczas jej funkcjonowania (ryc. 1).

a – oddziaływanie elektrostatyczne; b – wiązania wodorowe; c – oddziaływanie niepolarnych łańcuchów bocznych spowodowane wypychaniem rodników hydrofobowych do strefy „suchej” przez cząsteczki rozpuszczalnika; d – wiązania dwusiarczkowe (podwójna zakrzywiona linia wskazuje szkielet wiązania polipeptydowego).

Rysunek 1 – Rodzaje wiązań w cząsteczce białka (wg Filippovicha).

kowalencyjny wiązania w cząsteczce białka mogą być dwojakiego rodzaju - peptyd i dwusiarczek. AA w łańcuchu białkowym są ze sobą powiązane peptyd znajomości Z I N atomy. Wiązanie peptydowe lub amidowe kwasu ( -CO-NH-), Jest typowe wiązanie kowalencyjne. Wiązanie peptydowe powstaje, gdy grupa karboksylowa jednego aminokwasu oddziałuje z grupą aminową innego. Wolne grupy aminowe i karboksylowe powstałego dipeptydu mogą ponownie wejść w reakcję polikondensacji z nowymi cząsteczkami AA, tworząc związek wielkocząsteczkowy. Zatem za pomocą wiązania peptydowego reszty aminokwasów łączą się ze sobą, tworząc regularny szkielet cząsteczki białka, z którego wychodzą różne grupy boczne (R 1 ... RM). Liczba jednostek łańcucha bocznego (M) jest kodowana przez gen i waha się od kilkudziesięciu do wielu tysięcy. W procesie biosyntezy białek poszczególne reszty aminokwasowe łączą się ze sobą w liniowej sekwencji:

NH-CH-CO-NH-CH-CO-…-NH-CH-CO-

Związki powstałe w wyniku kondensacji kilku AA nazywane są peptydy(di-, tri-, tetrapeptydy itp.). Peptydy mogą zawierać nie tylko proteinogenne, ale także nieproteinogenne AA. Peptydy odgrywają ważną rolę jako półprodukty w metabolizmie, a wiele z nich to związki fizjologicznie bardzo aktywne. Do peptydów zaliczają się niektóre antybiotyki (gramicydyna, licheniformina), hormony (insulina, oksytacyna, wazopresyna) i toksyny (amanityny). Peptydy mogą stanowić zamknięty łańcuch polipeptydowy, tj. mogą być cyklopeptydami, a niektóre mają nawet strukturę bicykliczną. Wśród cyklopeptydów znajdują się substancje silnie toksyczne (trujący muchomor grzybowy ( Amanita falloides).

Nazwy peptydów określane są nazwami AA wchodzącymi w jego skład, wymienionymi sekwencyjnie, zaczynając od N-końca i przyrostkiem -in- w nazwach wszystkich AA, z wyjątkiem C-końcowego , który ma wolną grupę COOH (karboksyl), zastępuje się przyrostkiem -yl. Przykładowo, jeśli w tworzeniu trzech peptydów biorą udział dwie cząsteczki alaniny i jedna cząsteczka glicyny, tripeptyd nazywa się alanylalanyloglicyną lub alaalagli. Aminokwasy są oznaczane symbolami trzyliterowymi (Tabela 1).

Tabela 1 – Skróty aminokwasów

Odgrywają ważną rolę w stabilizacji struktury przestrzennej cząsteczki białka. kowalencyjne wiązania disiarczkowe (-S-S-), które powstają w wyniku utlenienia grup sulfhydrylowych reszt cysteiny. Wiązania dwusiarczkowe mogą tworzyć się pomiędzy resztami cysteiny dwóch łańcuchów polipeptydowych lub dwiema resztami cysteiny jednego łańcucha polipeptydowego, stabilizując pewną konformację cząsteczki białka. W stabilizowaniu konformacji cząsteczki białka odgrywają znaczącą rolę wiązania niekowalencyjne I interakcje. Należą do nich oddziaływania hydrofobowe, elektrostatyczne, jonowe, a także wiązania wodorowe. Wspierają one strukturę przestrzenną białka znacznie słabiej niż wiązania chemiczne ustalające sekwencję monomerów (AA) w łańcuchu białkowym.

Oddziaływanie hydrofobowe zachodzi, gdy łączą się hydrofobowe rodniki węglowodorowe i aromatyczne niektórych aminokwasów (alaniny, waliny, leucyny, izoleucyny, fenyloalaniny i tryptofanu). Proces oddziaływania hydrofobowego można przedstawić jako ruch niepolarnych grup łańcucha polipeptydowego (metylo -CH 3, etyl -C 2 H 5, fenyl -C 6 H 6) z wody do regionów hydrofobowych powstałych w wyniku stowarzyszenie tych grup. W wyniku tego ruchu grupy niepolarne pojawiają się blisko siebie we wnętrzu cząsteczki, a grupy hydrofilowe znajdują się na powierzchni i stykają się z wodą.

Wiązania wodorowe powstaje pomiędzy atomami wodoru związanymi kowalencyjnie z atomem zawierającym wolną parę elektronów lub innym atomem elektroujemnym. W strukturach biologicznych wiązanie wodorowe najczęściej tworzy atom wodoru związany z tlenem lub azotem. Wiązania wodorowe mogą być wewnątrzłańcuchowe i międzyłańcuchowe. Wewnątrzłańcuchowe wiązania wodorowe stabilizują struktury α-helikalne, a międzyłańcuchowe wiązania wodorowe stabilizują struktury β-arkuszy.

Wiązania jonowe (solne). Przypuszczalnie powstają one pomiędzy zdysocjowanymi wolnymi grupami karboksylowymi (COO -) aminokwasów monoaminodikarboksylowych (glutaminowy i asparaginowy) i protonowanymi wolnymi grupami aminowymi (NH3 +) aminokwasów diamino-monokarboksylowych. Wiązania jonowe mogą być wewnątrzłańcuchowe i międzyłańcuchowe.

Poziomy organizacji strukturalnej cząsteczki wiewiórka. O właściwościach funkcjonalnych białek decyduje kolejność AA i ich struktura przestrzenna. Z tego punktu widzenia istnieją cztery poziomy: struktury pierwotne, wtórne, trzeciorzędowe i czwartorzędowe.

Pod struktura pierwotna rozumieć skład jakościowy i ilościowy AA, a także kolejność ich ułożenia w łańcuchach polipeptydowych cząsteczki białka. Cząsteczka białka może mieć jeden lub więcej łańcuchów polipeptydowych. Na przykład cząsteczka enzymu rybonukleazy oznacza jeden łańcuch polipeptydowy posiadający osiem reszt cysteinowych tworzących cztery wewnątrzcząsteczkowe wiązania dwusiarczkowe. Hormon insuliny składa się z dwóch łańcuchów polipeptydowych połączonych mostkami dwusiarczkowymi pomiędzy resztami cysteiny.

Struktura wtórna pokazuje konfigurację przestrzenną cząsteczki białka. Istnieją trzy typy struktury wtórnej: α-helikalna, β-plisowana i helisa kolagenowa.

Odgrywają ważną rolę w stabilizacji struktury wtórnej. wiązania wodorowe, które powstają pomiędzy atomem wodoru połączonym z elektroujemnym atomem azotu jednego wiązania peptydowego i karbonylowym atomem tlenu czwartego aminokwasu z niego i są skierowane wzdłuż osi helisy. Obliczenia energii pokazują, że prawoskrętna α-helisa jest bardziej wydajna (rys. 2). Włókniste α-keratyny (wełna, skóra, pióra) składają się z kilku łańcuchów polipeptydowych o prawoskrętnej konfiguracji α-helikalnej i tworzą mocne superspirale, które pełnią funkcje mechaniczne.

Rycina 2 – konfiguracja α-helikalna struktury białka

Inny rodzaj drugorzędowej struktury białka nazywa się Struktura arkusza β lub warstwa β-plisowana. Na ryc. Na rysunku 3 przedstawiono model takiej konstrukcji (a – widok z boku, b – widok z góry). Kropki na rysunku pokazują międzyłańcuchowe atomy wodoru

Rycina 3 – Konfiguracja β-kartki struktury białka

nowe połączenia. Przy takim układzie przestrzennym tworzy się układ równoległych i antyrównoległych fragmentów jednego lub większej liczby łańcuchów polipeptydowych. Łańcuchy polipeptydowe w układach są całkowicie wydłużone. Fałdy pojawiają się, ponieważ płaszczyzny dwóch sąsiednich wiązań peptydowych tworzą pewien kąt. Układ stabilizowany jest przez poprzeczne wiązania wodorowe pomiędzy łańcuchami ułożonymi prostopadle do orientacji wiązań polipeptydowych. Odległość między łańcuchami wynosi 0,95 nm, a okres identyczności wzdłuż łańcucha wynosi 0,70 nm dla łańcuchów równoległych i 0,65 nm dla łańcuchów przeciwrównoległych. Struktura ta jest charakterystyczna dla białek fibrylarnych (β-keratyny, fibroiny itp.). W szczególności β-keratyna charakteryzuje się równoległym ułożeniem łańcuchów polipeptydowych, które są dodatkowo stabilizowane międzyłańcuchowymi wiązaniami S-S. W fibroinie jedwabiu sąsiednie łańcuchy polipeptydowe są antyrównoległe.

Trzecim typem struktury wtórnej jest spirala kolagenowa. Składa się z trzech spiralnych łańcuchów w kształcie pręta o średnicy 1,5 nm i długości około 300 nm. Spiralne łańcuchy owijają się wokół siebie, tworząc superhelisę. Odległość pomiędzy dwiema resztami AK wzdłuż osi helisy wynosi 0,29 nm, a na jeden obrót helisy przypada 3,3 reszt. Helix kolagenu jest stabilizowany przez wiązania wodorowe, które powstają pomiędzy wodorem grup peptydowych NH reszt AA jednego łańcucha i tlenem grup CO reszt AA drugiego łańcucha. Taka struktura nadaje białku wysoką elastyczność i wytrzymałość.

Struktura trzeciorzędowa. Większość białek w stanie natywnym ma bardzo zwartą strukturę, o której decyduje wielkość, kształt, polarność rodników AK, a także sekwencja AK (ryc. 4). Tworzenie natywnej struktury globularnej jest procesem wieloskładnikowym, opartym na różnego rodzaju oddziaływaniach niekowalencyjnych. Przekształceniu rozwiniętego łańcucha polipeptydowego w zwartą cząsteczkę towarzyszą hydrofobowe oddziaływania rodników węglowodorowych takich aminokwasów jak leucyna, izoleucyna, fenyloalanina, tryptofan, które są wystarczająco oddalone od siebie w łańcuchu polipeptydowym. Prawie wszystkie są niepolarne lub rodniki hydrofobowe Te AK znajdują się wewnątrz globuli i zapewniają stabilność jej struktury. Rodniki polarne lub jonowe (zwłaszcza kwas asparaginowy i glutaminowy, arginina i lizyna) znajdują się na zewnętrznej powierzchni cząsteczki i są w stanie uwodnionym. W miejscach fałdowania łańcucha polipeptydowego lokalizują się reszty takich aminokwasów jak prolina, izoleucyna i seryna, które nie są zdolne do tworzenia struktur α-helikalnych. Zatem istnieje ścisły związek pomiędzy sekwencją AK w białku a jego konformacją. Różnice w składzie aminokwasów oraz w sekwencji poszczególnych reszt AK powodują pojawienie się w łańcuchu polipeptydowym lokalnych punktów niestabilnych, w których zostaje zakłócona stabilność α-helisy i mogą powstać zagięcia pod wpływem różnych czynników molekularnych siły.

Rysunek 4 – Trzeciorzędowa struktura białka

Oddziaływania hydrofobowe, jonowe, wiązania wodorowe itp. mają istotny wpływ na proces powstawania natywnej konformacji białka lub jego struktury trzeciorzędowej.Pod wpływem tych sił następuje termodynamicznie odpowiednia konformacja cząsteczki białka i jej stabilizacja. osiągnięty. Po zakończeniu procesu zwijania łańcucha polipeptydowego ważną rolę w stabilizacji jego konformacji odgrywają kowalencyjne wiązania dwusiarczkowe.

Obecnie rozszyfrowano trzeciorzędową strukturę mioglobiny, hemoglobiny, RNazy, lizozymu, chymotrypsyny, karboksypeptydazy i innych białek.

Pod struktura czwartorzędowa implikuje charakterystyczny sposób łączenia i przestrzennego rozmieszczania poszczególnych łańcuchów polipeptydowych, które tworzą jedną funkcjonalnie indywidualną cząsteczkę. Skład i złożoność pierwszorzędowej, drugorzędowej i trzeciorzędowej struktury podjednostek może się znacznie różnić. Na przykład cząsteczka hemoglobiny składa się z czterech podjednostek, które są połączone w multimer o masie cząsteczkowej 60000-70000, polimeraza RNA z E coli składa się z pięciu podjednostek, a białko wirusa mozaiki tytoniu zawiera kilka tysięcy identycznych podjednostek o masie cząsteczkowej około 17 500 każda. W tworzeniu struktury czwartorzędowej biorą udział wiązania wodorowe, oddziaływania elektrostatyczne, van der Waalsa i hydrofobowe.

Strukturę czwartorzędową niektórych białek charakteryzuje kulisty układ podjednostek (hemoglobina), podczas gdy inne białka łączą się w spiralne struktury czwartorzędowe zgodnie z rodzajem symetrii śrubowej (wirus mozaiki tytoniowej). Struktura czwartorzędowa została ustalona dla hemoglobiny, wirusa mozaiki tytoniu, polimerazy RNA, dehydrogenazy mleczanowej, katalazy, karbamoilazy asparaginianowej itp.

Wszystkie procesy zachodzące w komórce zachodzą przy udziale białek. Ich funkcje są niezwykle różnorodne. Każde białko, jako substancja o określonej budowie chemicznej, pełni jedną wysoce wyspecjalizowaną funkcję, a tylko w nielicznych pojedynczych przypadkach kilka wzajemnie ze sobą powiązanych.

Schodząc z poziomu komórkowego na poziom molekularny Napotykamy następujące główne funkcje białek:

1. Funkcja katalityczna (enzymatyczna): Liczne reakcje biochemiczne w organizmach żywych zachodzą w łagodnych warunkach, w temperaturach bliskich 40°C i wartościach pH bliskich obojętnemu. W tych warunkach szybkości większości reakcji są znikome, dlatego do ich akceptowalnej realizacji wymagane są specjalne katalizatory biologiczne - enzymy. Nawet tak prosta reakcja jak odwodnienie kwasu węglowego:

CO 2 + H 2 O HCO 3 - + H +

katalizowane przez enzym anhydraza węglanowa. Ogólnie rzecz biorąc, wszystkie reakcje, z wyjątkiem reakcji fotolizy wody 2H 2 O® 4H + + 4e - + O 2, są katalizowane przez enzymy w organizmach żywych. Z reguły enzymy są albo białkami, albo kompleksami białek z niektórymi kofaktor– jon metalu lub specjalna cząsteczka organiczna. Enzymy charakteryzują się wysoką, czasem wyjątkową, selektywnością działania. Na przykład enzymy, które katalizują addycję a-aminokwasów do odpowiednich t-RNA podczas biosyntezy białek, katalizują addycję tylko L-aminokwasów i nie katalizują addycji D-aminokwasów.

2. Funkcja transportowa białek. Białka służą do magazynowania i transportu tlenu (hemoglobiny, hemocyjaniny). Funkcja ta przypomina funkcję enzymatyczną, jednak różni się od niej tym, że O 2 nie ulega zmianom.

Do komórki musi przedostać się wiele substancji, dostarczając jej budulca i energii. Jednocześnie wszystkie błony biologiczne zbudowane są według jednej zasady - podwójnej warstwy lipidów, w której zanurzone są różne białka, z hydrofilowymi obszarami makrocząsteczek skupionymi na powierzchni błon, a hydrofobowymi „ogonami” w grubość membrany. Struktura ta jest nieprzepuszczalna dla tak ważnych składników, jak cukry, aminokwasy i jony metali alkalicznych. Ich przenikanie do komórki odbywa się za pomocą specjalnych białek transportowych osadzonych w błonie komórkowej.

3. Funkcje regulacyjne- polipeptydy o niskiej masie cząsteczkowej (insulina, oksytocyna), hormony stymulują aktywność funkcjonalną w komórkach innych tkanek i narządów.

4. Ochronna funkcja immunologiczna. Układ odpornościowy ma zdolność reagowania na pojawienie się obcych cząstek poprzez wytwarzanie ogromnej liczby limfocytów, które mogą specyficznie uszkadzać te cząstki, którymi mogą być obce komórki, takie jak bakterie chorobotwórcze, komórki nowotworowe, cząstki supramolekularne, takie jak wirusy, makrocząsteczki, w tym białka obce. Jedna z grup limfocytów - Limfocyty B, wytwarza specjalne białka uwalniane do układu krążenia, które rozpoznają obce cząstki, tworząc na tym etapie zniszczenia wysoce specyficzny kompleks. Te białka są immunoglobuliny organizmy wyższe, chronią je przed obcymi biopolimerami ze względu na ich specyficzną budowę (grupę funkcyjną).

5.Funkcja przechowywania, przesyłania sygnałów chemicznych i elektrycznych.

6. Funkcja strukturalna. Oprócz białek pełniących subtelne, wysoce wyspecjalizowane funkcje, istnieją białka o znaczeniu głównie strukturalnym. Zapewniają wytrzymałość mechaniczną i inne właściwości mechaniczne poszczególnych tkanek organizmów żywych. Przede wszystkim to kolagen- główny składnik białkowy macierzy zewnątrzkomórkowej tkanki łącznej. U ssaków kolagen stanowi do 25% całkowitej masy białek. W tkankach elastycznych - skórze, ścianach naczyń krwionośnych, płucach - oprócz kolagenu, macierz pozakomórkowa zawiera białko elastyna, zdolny do dość szerokiego rozciągnięcia i powrotu do pierwotnego stanu.

Innym przykładem białka strukturalnego jest fibroina jedwab, wydzielany przez gąsienice jedwabników podczas formowania się poczwarek i będący głównym składnikiem nici jedwabnych.

7. Białka motoryczne. Skurcz mięśni to proces, podczas którego energia chemiczna zmagazynowana w postaci wysokoenergetycznych wiązań pirofosforanowych w cząsteczkach ATP zamieniana jest na pracę mechaniczną. Bezpośrednimi uczestnikami procesu skurczu są dwa białka - aktyna i miozyna.

8. Funkcja receptora. Duże znaczenie, szczególnie dla funkcjonowania organizmów wielokomórkowych, mają białka receptorowe, osadzony w błonie komórkowej komórek i służący do odbierania i przekształcania różnych sygnałów docierających do komórki, zarówno z otoczenia, jak i z innych komórek. Najbardziej zbadane są receptory acetylocholiny, zlokalizowane na błonie komórkowej w szeregu kontaktów międzyneuronowych, w tym w korze mózgowej i na połączeniach nerwowo-mięśniowych. Białka te specyficznie oddziałują z acetylocholiną i reagują, przekazując sygnał do komórki. Po odebraniu i przetłumaczeniu sygnału neuroprzekaźnik musi zostać usunięty, aby przygotować komórkę na odbiór kolejnego sygnału.

9. Toksyny: Wiele żywych organizmów wytwarza wysoce toksyczne substancje – toksyny – w celu ochrony przed potencjalnymi wrogami. Wiele z nich to białka, jednak są wśród nich także złożone, niskocząsteczkowe cząsteczki organiczne. Przykładem takiej substancji jest trujący początek muchomora - a-amanityna: Związek ten specyficznie blokuje syntezę eukariotycznego mRNA. Dla człowieka dawka śmiertelna to kilka mg tej toksyny.

Struktura pierwotna i wtórna białek. Białka nie są jednostkami statycznymi. Są to struktury, które w procesie biologicznego funkcjonowania mogą ulegać pewnym zmianom konformacyjnym. Analizę konformacji przeprowadza się w oparciu o różne poziomy organizacji cząsteczek białka. Już w 1959 roku K. Linderström-Lang zidentyfikował cztery poziomy organizacji strukturalnej białek - strukturę pierwotną, wtórną, trzeciorzędową i czwartorzędową. Później, na podstawie porównania danych z analizy dyfrakcji promieni rentgenowskich, kalorymetrii i innych metod, zidentyfikowano dwa kolejne poziomy organizacji - struktury superwtórne i domeny białkowe.

Sekwencja aminokwasów nazywana jest pierwotną strukturą białka. Badanie rozmieszczenia aminokwasów w białkach stanowi ważny etap w badaniu struktury białek. Obecnie analiza ta przeprowadzana jest automatycznie przy wykorzystaniu urządzeń sequinatorowych. W ostatnich latach zastosowano nową metodę określania sekwencji aminokwasów. Izoluje się fragment DNA zawierający gen struktury danego białka, sekwencję nukleotydową rozszyfrowuje się i zgodnie z kodem genetycznym tłumaczy na sekwencję aminokwasów. Struktura pierwotna to jednowymiarowa reprezentacja cząsteczki białka. Znajomość struktury pierwszorzędowej służy do przewidywania drugorzędowej i trzeciorzędowej struktury białka. Jednoczesne wykorzystanie sekwencji aminokwasów i krystalograficznych map gęstości elektronowej umożliwia odtworzenie przestrzennego układu wszystkich grup atomowych w białku.

W łańcuchu polipeptydowym grupa peptydowa jest płaska i sztywna. Łańcuch polipeptydowy można przedstawić jako sekwencję podobnych płaszczyzn (grup peptydowych) połączonych ze sobą wiązaniami pojedynczymi. Rotacja wokół tych wiązań nie jest całkowicie swobodna ze względu na ograniczenia steryczne. Kąt obrotu wokół wiązań C – C a oznaczamy przez ψ, a kąt obrotu wokół wiązań N – C a oznaczają φ. G. Ramachandran obliczył stany konformacyjne łańcucha polipeptydowego za pomocą komputera i określił zakres możliwych wartości ψ i (wykresy Ramachandrana lub mapy konformacyjne). Na mapach konformacyjnych wartości kątów ψ i φ w białkach nie są arbitralne, wyraźnie ograniczają się do określonych regionów, co wskazuje na istnienie ograniczonej liczby konformacji łańcucha polipeptydowego.

Przez strukturę drugorzędową białka rozumie się uporządkowany układ łańcucha polipeptydowego, stabilizowanego wiązaniami wodorowymi pomiędzy nimi grupy peptydowe. Biorąc pod uwagę ten poziom strukturalny, mówimy o lokalnej konformacji odcinków łańcucha polipeptydowego. Najbardziej powszechną i najbardziej korzystną energetycznie i sterycznie strukturą wtórną jest prawa α– spirala, co jako pierwsi postulowali L. Pauling i R. Corey (1951). Najważniejsze cechy α– helisa: 1) liczba reszt aminokwasowych na stopień helisy wynosi 3,6; 2) skok helisy d = 0,54 nm; 3) translacja na resztę wzdłuż helisy Δd = 0,15 nm; 4) promień α– spirale R= 0,23 nm; 5) wiązania wodorowe (równolegle do osi helisy) powstają pomiędzy każdą pierwszą i czwartą grupą peptydową; 6) za α– spirale φ = -57° i ψ = -47°. Jak widać na przekroju α– Przy każdym obrocie spirala przesuwa się w prawo o 60°. W wyniku takiego przesunięcia dopiero po 10 obrotach 1. grupa peptydów dokładnie zbiegnie się z 36. grupą peptydów.

Struktury drugorzędowe cząsteczek białka to równoległe i antyrównoległe arkusze β (lub struktura β). Na mapie konformacyjnej Ramachandrana dla arkusza β z łańcuchami antyrównoległymi φ = -139° i ψ = +135°, dla warstwy β z równoległymi łańcuchy φ = - 119° i ψ = +113°. Większość mają nie więcej niż sześć łańcuchów polipeptydowych stabilizowanych wiązaniami wodorowymi i sześć reszt aminokwasowych na długości każdego łańcucha. Wymiary takiej blachy to: szerokość t = 2,5 nm, długość l = 2,0 nm. Większość złożonych arkuszy ma kształt zwinięty. Skręcenie jest prostopadłe do wydłużonych łańcuchów.

Kolejnym poziomem organizacji cząsteczek białek są struktury superwtórne. Przykładem takich struktur są struktury superhelikalne. Istnieją dwa α– helisy (w tropomiozynie, lekkiej meromiozynie, paramiozynie) lub trzy α -helisy (w fibrynogenie) są skręcone względem siebie. Skok superskrętki w lekkiej meromiozynie wynosi α= 18,6 nm. Na przykładzie tropomiozyny o znanej sekwencji aminokwasów stwierdzono, że superhelisa jest stabilizowana poprzez oddziaływania hydrofobowe pomiędzy poszczególnymi α -spirale.

Pierwotna struktura łańcucha i tworzenie globul białkowych

Jednym z najważniejszych problemów fizyki białek jest problem związku pomiędzy pierwszorzędową strukturą łańcucha polipeptydowego a przestrzenną strukturą globuli. Natywna struktura przestrzenna makrocząsteczek jest biologicznie funkcjonalna, a pierwotna struktura jest zakodowana genetycznie. I dlaczego cząsteczka białka tworzy globulę, czyli inaczej mówiąc, dlaczego białko jest zdolne do samoorganizacji i białko w tym stanie może już pełnić swoje funkcje? Jak odkrył Guzzo, specyficzny układ aminokwasów ma znaczenie dla struktury przestrzennej białka. Istnieją aminokwasy „niehelikalne”, które nie mogą tworzyć helis, oraz aminokwasy „helikalne”, które mogą się zginać (asp, cis, tyr, ser). Od tego zależy skręt i układ cząsteczki. A aminokwas glicyna jest również szczególnie ważny dla tworzenia struktury przestrzennej białka - jest jak staw uniwersalny, który może zajmować różne pozycje.

Obecnie przyjmuje się, że samoorganizacja globulki białkowej nie jest wynikiem jakiegoś ukierunkowanego procesu. Wielu badaczy uważa, że ​​program bezbłędnej samoorganizacji jest zakodowany w samej strukturze pierwotnej. Samoorganizacja zachodzi etapowo, tak że na każdym kolejnym etapie powstaje coraz bardziej złożona i ustabilizowana struktura.

Regularne konformacje łańcuchów polipeptydowych stabilizowanych wiązaniami wodorowymi ( α i formy β) są stabilne tylko w określonych warunkach.Zmiany temperatury, pH i rozpuszczalnika ośrodka prowadzą do przejść konformacyjnych. American Doty odkrył, że przejścia helisa-cewka zachodzą w bardzo krótkim czasie. Przejście charakteryzuje się zmianą lepkości, rozproszeniem światła itp. Ostrość przejścia wskazuje na kooperacyjny charakter, tj. Każde ogniwo makrocząsteczki jest w stanie ustalonym za pomocą wiązań wodorowych. Pod wpływem czynników zewnętrznych zmienia się opakowanie cząsteczek, tj. struktura.

Według naukowca Ptitsina w pierwszym etapie w rozwiniętym łańcuchu białkowym powstają zmienne (zmienione, niestabilne) jądra odcinków helikalnych o wydłużonej strukturze (miejscach obrazu). Na drugim etapie jedna lub więcej par zarodków łączy się, tworząc centra organizacji struktury trzeciorzędowej. W trzecim etapie centra rosną w wyniku połączenia sąsiednich odcinków łańcucha.

I na ostatnim, czwartym etapie, przez wzrost lub połączenie kilku centrów, powstaje pojedyncza zwarta struktura globuli.

Domeny białek i struktura trzeciorzędowa

Trzeciorzędowa struktura białka jest najbardziej stabilną termodynamicznie formą fałdowania i fałdowania łańcucha polipeptydowego. Powstaje pytanie, w jaki sposób zachodzi fałdowanie białek, w jaki sposób jednowymiarowa informacja osadzona w sekwencji aminokwasów jest przekształcana w informację przestrzenną? Eksperymenty dotyczące denaturacji i renaturacji białek wykazały, że procesy niszczenia i tworzenia zwartej struktury trzeciorzędowej zachodzą dość szybko: nukleaza gronkowcowa ponownie fałduje się w ciągu 1 s.

Model zarodkowania służy do wyjaśnienia procesu koagulacji. Model ten zakłada, że ​​krótkie odcinki łańcucha polipeptydowego bardzo szybko zwijają się niezależnie od siebie, a w drugim etapie zbliżają się do siebie, tworząc zwartą trójwymiarową strukturę. Tworzą się segmenty białkowe α -helisy i β-arkusze przy dużej prędkości. Wykazano to eksperymentalnie Przejścia spirala-cewka zachodzą w czasie od 10 -6 do 10 -8 s.

Ostatnio w białkach zidentyfikowano kolejny ważny poziom organizacji strukturalnej. Analiza map gęstości elektronowej białek o masie cząsteczkowej powyżej 20 000 wykazała, że ​​białka składają się z kilku słabo połączonych ze sobą obszarów kulistych. Obszary te nazywane są domenami. Poszczególne domeny często można izolować z białek przy użyciu enzymów proteolitycznych, nie tracąc przy tym ich właściwości funkcjonalnych. Domena jest zdefiniowana jako region jednego łańcucha polipeptydowego zawarty w zwartej objętości. Są to odcinki łańcucha, które zwijają się i rozwijają się w białku niezależnie od siebie.

Dziedzinę można postrzegać jako stosunkowo autonomiczną jednostkę strukturalną. Za pomocą mikrokalorymetrii skaningowej Privalov wykazał obecność w złożonych białkach poszczególnych bloków kooperacyjnych, które charakteryzują się gwałtownymi przejściami strukturalnymi podczas denaturacji termicznej. Okazało się że w wielu przypadkach takie współpracujące białka dobrze odpowiadają wyizolowanym fragmentom proteolitycznym białek. Umożliwiło to identyfikację bloków kooperacyjnych z domenami białkowymi. Często izolowane fragmenty proteolityczne mają właściwości strukturalne podobne do bloków kooperacyjnych, tj. ich temperatury topnienia i entalpie przejścia pokrywają się, a także zachowują cechy funkcjonalne białek natywnych. Domeny są połączone bardzo ograniczoną liczbą wiązań peptydowych, które stosunkowo łatwo ulegają rozerwaniu przez enzymy proteolityczne.

Obecnie, wykorzystując skaningową mikroskopię elektronową i rozszczepienie proteolityczne, ustalono strukturę domenową białek wielkocząsteczkowych, takich jak immunoglobulina, miozyna, fibrynogen itp.

Domeny mogą reprezentować ważne formacje pośrednie w procesie składania natywnej struktury białka. Białka składające się z domen powinny mieć bardziej elastyczną strukturę niż białka, w których różne regiony są połączone razem. Najwyraźniej , odwracalne zmiany konformacyjne wpływające na funkcję enzymów są związane z rearanżacjami międzydomenowymi bez zmiany stabilności strukturalnej samych domen.

Hipoteza stopionej globuli. Jednym ze sposobów badania składania łańcucha polipeptydowego w strukturę trójwymiarową jest denaturacja, a następnie renaturacja cząsteczki białka.

Doświadczenia K. Anfinsena z rybonukleazą wyraźnie pokazują możliwość złożenia dokładnie takiej struktury przestrzennej, która została naruszona w wyniku denaturacji.

W tym przypadku przywrócenie konformacji natywnej nie wymaga obecności żadnych dodatkowych struktur. Jakie modele zwijania łańcucha polipeptydowego do odpowiedniej konformacji są najbardziej prawdopodobne? Jedną z powszechnych hipotez dotyczących samoorganizacji białek jest hipoteza stopionej globuli. W ramach tej koncepcji wyróżnia się kilka etapów samoorganizacji białek.

1. W rozwiniętym łańcuchu polipeptydowym za pomocą wiązań wodorowych i oddziaływań hydrofobowych powstają poszczególne odcinki struktury drugorzędowej, które służą jako zarodki do tworzenia kompletnych struktur drugorzędowych i superwtórnych.

2. Gdy liczba tych odcinków osiągnie określoną wartość progową, następuje reorientacja rodników bocznych i łańcuch polipeptydowy przechodzi w nową, bardziej zwartą formę, a liczba wiązań niekowalencyjnych znacznie wzrasta. Cechą charakterystyczną tego etapu jest powstawanie specyficznych kontaktów pomiędzy atomami znajdującymi się w odległych częściach łańcucha polipeptydowego, ale zbliżonymi do siebie w wyniku powstania struktury trzeciorzędowej.

3. W ostatnim etapie powstaje natywna konformacja cząsteczki białka, co wiąże się z zamknięciem wiązań dwusiarczkowych i ostateczną stabilizacją konformacji białka. Możliwa jest także nieswoista agregacja częściowo złożonych łańcuchów polipeptydowych, co można zaliczyć do błędów w tworzeniu białek natywnych. Częściowo złożony łańcuch polipeptydowy (etap 2) nazywa się stopioną kulą i sceną 3 najwolniej tworzy dojrzałe białko.

Komórki zawierają szereg katalitycznie nieaktywnych białek, które jednak w dużym stopniu przyczyniają się do tworzenia przestrzennych struktur białkowych. Są to tak zwane chapirony i chapironiny. Jeden z odkrywców chapironów molekularnych, L. Ellis, nazywa je funkcjonalną klasą niepowiązanych ze sobą rodzin białek, które pomagają w prawidłowym niekowalencyjnym składaniu innych struktur zawierających polipeptydy in vivo, ale nie są częścią złożonych struktur i nie uczestniczyć w realizacji ich normalnych funkcji fizjologicznych.

Chapirony pomagają w prawidłowym składaniu trójwymiarowej konformacji białka poprzez tworzenie odwracalnych niekowalencyjnych kompleksów z częściowo złożonym łańcuchem polipeptydowym, jednocześnie hamując nieprawidłowe wiązania prowadzące do tworzenia funkcjonalnie nieaktywnych struktur białkowych. Lista funkcji charakterystycznych dla chapironów obejmuje ochronę stopionych kuleczek przed agregacją, a także przenoszenie nowo syntetyzowanych białek do różnych loci komórkowych. Chapirony to głównie białka szoku cieplnego, których synteza gwałtownie wzrasta pod wpływem stresującej ekspozycji na temperaturę. Rodziny tych białek występują w komórkach drobnoustrojów, roślin i zwierząt. Klasyfikacja chapironów opiera się na ich masie cząsteczkowej, która waha się od 10 do 90 kDa. Zasadniczo funkcje chapironów i chapironin są różne, chociaż oba są białkami, które pomagają w tworzeniu trójwymiarowej struktury białek. Chapirony utrzymują nowo syntetyzowany łańcuch polipeptydowy w stanie niezłożonym, zapobiegając jego złożeniu do postaci odmiennej od natywnej, a chapironiny zapewniają warunki do powstania jedynej prawidłowej, natywnej struktury białka.

Czwartorzędowa struktura białek

Tworzenie się chaotycznie utworzonych agregatów jest błędem prowadzącym do pojawienia się funkcjonalnie nieaktywnych białek, dlatego komórki posiadają mechanizmy ich szybkiej degradacji i rozpadu na poszczególne aminokwasy. Jednakże w przyrodzie istnieje wiele genetycznie zdeterminowanych agregatów, które zawierają kilka łańcuchów polipeptydowych tworzących duże makrocząsteczki białkowe. Struktura czwartorzędowa odnosi się do dwóch lub więcej powiązanych ze sobą przestrzennie podjednostek. Najwyraźniej w odniesieniu do czwartorzędowej struktury białek bardziej poprawne jest mówienie nie o agregatach, ale o zespołach globul. Charakteryzując czwartorzędową strukturę białek należy wykluczyć jej pseudowarianty. Zatem hormon białkowy insulina składa się z dwóch łańcuchów polipeptydowych, ale nie są to pełne globulki, lecz powstają w wyniku ograniczonej proteolizy pojedynczego łańcucha polipeptydowego. Kompleksy wieloenzymowe nie są białkami o prawdziwej strukturze czwartorzędowej. Są to typowe struktury supramolekularne. Podczas tworzenia struktury czwartorzędowej poszczególne podjednostki oddziałują ze sobą wyłącznie poprzez wiązania niekowalencyjne, głównie wodorowe i hydrofobowe. Bardzo istotnym faktem jest to, że powierzchnie styku oddziałujących ze sobą podjednostek są względem siebie komplementarne. W obszarach styku występują grupy hydrofobowe, zwane „lepkimi plamami”.

Wzajemna orientacja atomów elektroujemnych, ułatwiona obecnością miejsc komplementarnych, przyczynia się do powstania dużej liczby wiązań wodorowych. Zapewnia to realizację efektu kooperacji i stabilizację makrocząsteczki. Ponadto mnogość wiązań niekowalencyjnych jest podstawą do przenoszenia przegrupowań strukturalnych z jednej podjednostki na drugą.

Białka o strukturze czwartorzędowej nazywane są często oligomerami. Wyróżnić homomeryczny I heteromeryczny białka. Białka homomeryczne to białka, w których wszystkie podjednostki mają tę samą strukturę. Przykładem jest katalaza białkowa, która składa się z czterech absolutnie równoważnych podjednostek. W białkach heteromerycznych poszczególne podjednostki nie tylko różnią się budową, ale mogą także pełnić odmienne funkcje. Na przykład białko polimerazy RNA składa się z pięciu podjednostek o różnych strukturach i nierównych funkcjach.

Białka to polipeptydy, których masa cząsteczkowa przekracza 6000-10000 daltonów. Składają się z dużej liczby reszt aminokwasowych.

W odróżnieniu od peptydów drobnocząsteczkowych, białka mają dobrze rozwiniętą trójwymiarową strukturę przestrzenną, która jest stabilizowana przez różnego rodzaju oddziaływania silne i słabe. Istnieją cztery poziomy organizacji strukturalnej cząsteczki białka: struktury pierwszorzędowe, drugorzędowe, trzeciorzędowe i czwartorzędowe.

Podstawową strukturą białka jest sekwencja reszt aminokwasowych połączonych wiązaniami peptydowymi.

Po raz pierwszy założenie o roli wiązań peptydowych w budowie cząsteczek białka wysunął rosyjski biochemik A. Ya. Danilevsky, którego idee stały się podstawą polipeptydowej teorii struktury białka, sformułowanej przez niemieckiego chemika E. Fischera w 1902 r.

Podstawą pierwotnej struktury cząsteczki białka jest regularnie powtarzający się szkielet peptydowy - NH-CH-CO-, a boczne rodniki aminokwasów stanowią jego zmienną część.

Podstawowa struktura białka jest silna, ponieważ jego konstrukcja opiera się na wiązaniach peptydowych o charakterze kowalencyjnym, reprezentujących silne oddziaływania;

Łącząc się ze sobą w różnych sekwencjach, aminokwasy proteinogenne tworzą izomery. Z trzech aminokwasów można zbudować sześć różnych tripeptydów. Na przykład z glicyny, alaniny i waliny - gli-ala-val, gli-val-ala, ala-gli-val, ala-val-gli, val-gli-ala i val-ala-gli. Z czterech aminokwasów można utworzyć 24 tetrapeptydy, a z pięciu aminokwasów można utworzyć 120 pentapeptydów. Z 20 aminokwasów można zbudować 2 432 902 008 176 640 000 polipeptydów. Co więcej, każdy aminokwas jest wykorzystywany w konstrukcji łańcuchów polipeptydowych rozpatrywanych tylko raz.

Wiele naturalnych polipeptydów zawiera setki, a nawet tysiące reszt aminokwasowych, a każdy z 20 aminokwasów proteinogennych może występować więcej niż raz w swoim składzie. Dlatego liczba możliwych wariantów łańcuchów polipeptydowych jest nieskończenie duża. Jednak nie wszystkie teoretycznie możliwe warianty sekwencji aminokwasowych są realizowane w przyrodzie.

Pierwszym białkiem, którego pierwotną strukturę udało się rozszyfrować, jest insulina bydlęca. Jego cząsteczka składa się z dwóch łańcuchów polipeptydowych, z których jeden zawiera 21, a drugi 30 reszt aminokwasowych. Łańcuchy są połączone ze sobą dwoma wiązaniami dwusiarczkowymi. Kolejne wiązanie dwusiarczkowe znajduje się wewnątrz krótkiego łańcucha. Kolejność ułożenia reszt aminokwasowych w cząsteczce insuliny ustalił angielski biochemik F. Sanger w 1953 roku.

Tym samym F. Sanger potwierdził polipeptydową teorię budowy cząsteczki białka E. Fischera i udowodnił, że białka to związki chemiczne, które mają określoną strukturę, którą można przedstawić za pomocą wzoru chemicznego. Do chwili obecnej rozszyfrowano podstawowe struktury kilku tysięcy białek.

Charakter chemiczny każdego białka jest wyjątkowy i ściśle powiązany z jego funkcją biologiczną. Zdolność białka do pełnienia swojej wrodzonej funkcji jest określona przez jego strukturę pierwotną. Nawet niewielkie zmiany w sekwencji aminokwasów w białku mogą doprowadzić do poważnych zakłóceń w jego funkcjonowaniu, wywołując poważną chorobę.

Choroby związane z zaburzeniami pierwotnej struktury białek nazywane są chorobami molekularnymi. Do chwili obecnej odkryto kilka tysięcy takich chorób.

Jedną z chorób molekularnych jest anemia sierpowatokrwinkowa, której przyczyną jest naruszenie pierwotnej struktury hemoglobiny. U osób z wrodzoną nieprawidłowością w budowie hemoglobiny w łańcuchu polipeptydowym, składającym się ze 146 reszt aminokwasowych, na szóstej pozycji znajduje się walina, natomiast u osób zdrowych na tym miejscu znajduje się kwas glutaminowy. Nieprawidłowa hemoglobina gorzej transportuje tlen, a czerwone krwinki pacjentów mają sierpowaty kształt. Choroba objawia się powolnym rozwojem i ogólnym osłabieniem organizmu.

Podstawowa struktura białka jest zdeterminowana genetycznie. Umożliwia to organizmom tego samego gatunku utrzymanie stałego zestawu białek. Jednakże w różnych typach organizmów żywych białka pełniące tę samą funkcję nie są identyczne pod względem struktury pierwszorzędowej - w niektórych odcinkach łańcucha polipeptydowego mogą mieć różne sekwencje aminokwasów. Takie białka nazywane są homologiczny(Grecka „homologia” - zgoda).

Badania konformacji cząsteczek białek wykazały, że łańcuchy polipeptydowe nie rozciągają się ściśle liniowo, ale składają się w przestrzeni w określony sposób, tworząc strukturę drugorzędową.

Struktura drugorzędowa białka jest kombinacją uporządkowanych i amorficznych regionów łańcucha polipeptydowego.

Badając struktury krystaliczne związków zawierających grupy amidowe, amerykański biochemik L. Pauling stwierdził, że długość wiązania peptydowego jest zbliżona do długości wiązania podwójnego i wynosi 0,1325 nm. Dlatego swobodna rotacja atomów węgla i azotu wokół wiązania peptydowego jest trudna.

Ponadto atomy grup peptydowych i atomy węgla α znajdują się w łańcuchu polipeptydowym w przybliżeniu w tej samej płaszczyźnie. W związku z tym zwroty w łańcuchu polipeptydowym mogą wystąpić tylko przy wiązaniach sąsiadujących z atomami węgla.

W wyniku rotacji grup peptydowych wokół atomów węgla α, jak ustalili L. Pauling i R. Corey na początku lat 50. ubiegłego wieku, łańcuch polipeptydowy składa się w α-helisę i jest stabilizowany poprzez utworzenie maksymalna możliwa liczba wiązań wodorowych.

Podczas tworzenia struktury drugorzędowej cząsteczki białka powstają wiązania wodorowe pomiędzy atomami grup peptydowych znajdujących się na sąsiednich zwojach helisy naprzeciw siebie. Atom wodoru połączony wiązaniem kowalencyjnym z atomem azotu ma pewien ładunek dodatni. Atom tlenu połączony wiązaniem podwójnym z atomem węgla ma pewien ładunek ujemny. Atom wodoru, znajdujący się naprzeciw atomu tlenu, łączy się z nim poprzez wiązanie wodorowe. Wiązanie wodorowe jest słabe. Jednak dzięki powstaniu dużej liczby tych wiązań zapewnione jest zachowanie ściśle uporządkowanej struktury.

Wiązania wodorowe są zawsze skierowane równolegle do wyimaginowanej osi a-helisy, a rodniki aminokwasów są skierowane na zewnątrz od jej zwojów. Grupy peptydowe są połączone ze sobą wiązaniami wodorowymi głównie poprzez cztery reszty aminokwasowe, ponieważ to ich grupy O-C i H-N są przestrzennie blisko siebie.

Helisa A jest prawoskrętna. Jeśli spojrzysz na to od końca, od końca N, to skręcenie łańcucha polipeptydowego następuje zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Ustalono parametry a-helisy. Odległość pomiędzy sąsiednimi zwojami (skok spirali) wynosi ∅54 nm, a średnica wewnętrzna helisy wynosi 1,01 nm. Jeden pełny obrót helisy zawiera 3,6 reszt aminokwasowych. Pełne powtórzenie struktury α-helisy następuje co 5 obrotów i obejmuje 18 reszt aminokwasowych. Ten odcinek α-helisy nazywany jest okresem tożsamości i ma długość 2,7 nm.

Łańcuchy polipeptydowe nie składają się w α-helisę na całej swojej długości. Nazywa się procent zwiniętych regionów w cząsteczce białka stopień spiralizacji. Białka różnią się znacznie stopniem spiralizacji, na przykład: dla hemoglobiny we krwi jest bardzo wysoki - 75%, dla insuliny również dość wysoki - 60%, dla albuminy jaja kurzego jest znacznie niższy - 45%, a dla chymotrypsynogenu ( nieaktywny prekursor enzymu trawiennego) jest go niezwykle mało – tylko 11%.

Różnice w stopniu helikalizacji białek wiążą się z szeregiem czynników zakłócających regularne tworzenie wiązań wodorowych pomiędzy grupami peptydowymi. Zakłócenie helikalizacji spowodowane jest w szczególności tworzeniem wiązań dwusiarczkowych przez reszty cysteinowe łączące różne odcinki jednego lub większej liczby łańcuchów polipeptydowych. W obszarze bliskim reszty iminokwasu proliny, wokół atomu węgla α, którego rotacja sąsiadujących atomów jest niemożliwa, tworzy się zagięcie łańcucha polipeptydowego.

Wiele aminokwasów proteinogennych ma rodniki, które uniemożliwiają im udział w tworzeniu α-helisy. Aminokwasy te tworzą równoległe fałdy połączone ze sobą wiązaniami wodorowymi. Ten typ regularnej sekcji łańcucha polipeptydowego nazywany jest strukturą złożonej warstwy lub strukturą β.

W przeciwieństwie do α-helisy, która ma kształt pręta, struktura β ma kształt złożonego arkusza. Jest stabilizowany przez wiązania wodorowe, które powstają pomiędzy grupami peptydowymi zlokalizowanymi na sąsiadujących odcinkach łańcucha polipeptydowego. Odcinki te mogą być skierowane albo w jednym kierunku – wówczas powstaje równoległa struktura β, albo w kierunku przeciwnym – w tym przypadku pojawia się antyrównoległa struktura β.

Grupy peptydowe w strukturze β znajdują się w płaszczyznach fałd, a rodniki aminokwasowe łańcuchów bocznych znajdują się powyżej i poniżej tych płaszczyzn. Odległość pomiędzy sąsiadującymi odcinkami łańcucha polipeptydowego w strukturze złożonej warstwy wynosi 0,272 nm, co odpowiada długości wiązania wodorowego pomiędzy grupami -CO- i -NH-. Same wiązania wodorowe są ułożone prostopadle do kierunku struktury złożonej warstwy. Zawartość struktury β w różnych białkach jest bardzo zróżnicowana.

Niektóre odcinki łańcuchów polipeptydowych nie mają żadnej uporządkowanej struktury i wyglądają jak przypadkowe cewki. Takie obszary nazywane są amorficzny(Greckie „amorphos” - bezkształtne). Jednakże w każdym białku regiony amorficzne mają swoją własną ustaloną konformację. Co więcej, w przeciwieństwie do stosunkowo sztywnych sekcji – α-helisy i β-struktury – cewki amorficzne mogą stosunkowo łatwo zmieniać swoją konformację.

Białka różnią się zawartością różnych typów struktur drugorzędowych. Na przykład w strukturze hemoglobiny znajdują się tylko α-helisy. Wiele enzymów zawiera różne kombinacje zarówno α-helis, jak i β-struktur, wśród immunoglobulin znajdują się białka, które mają tylko strukturę β. Wreszcie istnieją również białka, w których uporządkowane regiony występują w małych ilościach, a większość łańcucha polipeptydowego ma strukturę amorficzną.

Łańcuchy polipeptydowe o utworzonej strukturze drugorzędowej są w określony sposób umiejscowione w przestrzeni, tworząc kolejny poziom organizacji strukturalnej cząsteczki białka - strukturę trzeciorzędową.

Trzeciorzędowa struktura białka powstaje w wyniku specyficznego ułożenia uporządkowanych i amorficznych odcinków łańcucha polipeptydowego w określonej objętości przestrzeni. Utrzymuje się ona dzięki silnym i słabym oddziaływaniom zachodzącym pomiędzy bocznymi rodnikami reszt aminokwasowych. Do oddziaływań silnych zaliczają się wiązania disiarczkowe, do oddziaływań słabych zaliczają się wiązania wodorowe i jonowe, a także oddziaływania hydrofobowe.

Wiązanie dwusiarczkowe powstaje w wyniku oddziaływania dwóch blisko siebie rozmieszczonych rodników reszt cysteiny zawierających wolne grupy sulfhydrylowe.

Mostki dwusiarczkowe mogą łączyć nie tylko poszczególne odcinki w obrębie jednego łańcucha polipeptydowego, ale także (w procesie tworzenia czwartorzędowej struktury białka) różne łańcuchy polipeptydowe.

Wiązania wodorowe mogą występować pomiędzy bocznymi rodnikami reszt aminokwasowych zawierających grupy OH, np. pomiędzy dwiema resztami seryny.

Oprócz rodników reszt seryny, w podobny sposób mogą tworzyć wiązania wodorowe rodniki reszt treoniny i tyrozyny.

Wiele wiązań wodorowych, które powstają pomiędzy rodnikami bocznymi, np.: tyrozyną i kwasem glutaminowy, asparaginą i seryną, lizyną i glutaminą itp., bierze również udział w tworzeniu trzeciorzędowej struktury cząsteczki białka.

Wiązania jonowe powstają, gdy ujemnie naładowane rodniki reszt aminokwasów kwasowych – asparaginowego lub glutaminianowego – łączą się z dodatnio naładowanymi rodnikami reszt zasadowych aminokwasów – lizyny, argininy lub histydyny. Wiązanie jonowe pomiędzy rodnikami kwasu asparaginowego i resztami lizyny.

Oddziaływania hydrofobowe zachodzą w wodzie w wyniku wzajemnego przyciągania niepolarnych rodników reszt aminokwasowych. Aminokwasy z rodnikami niepolarnymi obejmują na przykład alaninę, walinę, leucynę, izoleucynę, fenyloalaninę, metioninę. Hydrofobowe oddziaływanie pomiędzy bocznymi rodnikami reszt waliny i alaniny.

Aby uniknąć kontaktu z wodą, niepolarne rodniki reszt aminokwasowych mają tendencję do skupiania się wewnątrz cząsteczki białka. Białko składa się w zwarte ciało - kulkę (łac. „globulus” - kula). Wewnątrz globuli powstaje hydrofobowy rdzeń, a na zewnątrz polarne rodniki reszt aminokwasowych, które oddziałują z wodą. Na przykład aminokwasy kwasowe i zasadowe, seryna, treonina, tyrozyna, asparagina i glutamina mają rodniki polarne.

Zatem każda globula białkowa jest otoczona otoczką hydratacyjną, reprezentowaną przez tak zwany „płaszcz wodny”, który obejmuje również strukturyzowane cząsteczki wody zdolne do utrzymywania na powierzchni globuli do połowy rodników hydrofobowych obecnych w łańcuchu polipeptydowym . To określa rozpuszczalność białka.

Ze względu na wiele oddziaływań międzyrodnikowych poszczególne sekcje cząsteczki białka stają się przestrzennie bliskie i unieruchomione względem siebie. Podczas tworzenia trzeciorzędowej struktury białka powstaje jego centrum aktywne. W rezultacie białko nabywa zdolność do pełnienia swojej funkcji biologicznej.

Pierwszym białkiem, którego struktura trzeciorzędowa została ustalona, ​​była mioglobina.

Globule trzeciorzędowe mogą oddziaływać ze sobą, tworząc pojedynczą cząsteczkę. Takie globule nazywane są podjednostkami, a ich połączenie nazywa się czwartorzędową strukturą cząsteczki białka.

Czwartorzędowa struktura białka może składać się ze zmiennej liczby podjednostek utrzymywanych razem głównie przez słabe interakcje. Jest nieodłącznym elementem wielu białek.

Podjednostki, charakterystycznie rozmieszczone w przestrzeni względem siebie, tworzą kompleks oligomeryczny (multimeryczny). Zdolność białek do tworzenia takich struktur umożliwia połączenie kilku ośrodków aktywnych i powiązanych ze sobą funkcji w jedną całość, co jest bardzo ważne dla zapewnienia przebiegu złożonych procesów metabolicznych w komórce.

Czwartorzędowe struktury białkowe mogą być zbudowane z 2, 4, 6, 8, 10, 12, 24 lub więcej podjednostek, a rzadko z nieparzystej ich liczby. Na przykład czwartorzędowa struktura hemoglobiny składa się z czterech identycznych podjednostek parami.

Czwartorzędowa struktura cząsteczki białka jest tak samo wyjątkowa, jak inne jej struktury. W tym przypadku całe trójwymiarowe upakowanie łańcucha polipeptydowego w przestrzeni jest zdeterminowane jego pierwotną strukturą. Nazywa się specyficzną strukturę przestrzenną (konformację), w której cząsteczki białka wykazują aktywność biologiczną rodzinny(łac. nativus – wrodzony).

Wiewiórki- Są to wielkocząsteczkowe biopolimerowe związki organiczne, których monomerami są aminokwasy. Białka zidentyfikowano jako odrębną klasę cząsteczek biologicznych w XVIII wieku. w wyniku prac francuskiego chemika A. de Fourcroix. Jako pierwszy opisał białka i zaproponował nazwę białka, co we współczesnym znaczeniu oznacza białko, holenderski chemik E. J. Berzelius. Pierwszą izolację białka (w postaci glutenu) z mąki pszennej przeprowadził J. Beccari. Cecha badań nad białkami na początku XXI wieku. jednoczesne pozyskiwanie danych o składzie białkowym całych komórek, tkanek czy organizmów, co jest nauką odrębną - proteomika .

Masa cząsteczkowa białek od 5000 do 150000 Tak i więcej.

Jednym z największych pojedynczych białek jest tytyna(składnik sarkomerów mięśniowych), zawierający ponad 29 tysięcy aminokwasów i ma masę cząsteczkową 3 000 000 Da. Ale największe białka masowe (ponad 40 000 000 Da) są charakterystyczne dla wirusów.

Skład chemiczny . Białka składają się z C, Η, O, N; w niektórych białkach jest S, niektóre białka tworzą kompleksy z innymi cząsteczkami, które zawierają P, Fe, Zn, Cu. Białka to biopolimery składające się z 20 różnych monomerów - naturalne podstawowe aminokwasy. Białka mogą tworzyć kompleksy interpolimerowe z węglowodanami, lipidami, kwasami nukleinowymi, kwasem fosforowym itp.

Charakterystyka fizykochemiczna. Ze względu na obecność wolnych grup aminowych i grup karboksylowych białka charakteryzują się wszystkimi właściwościami kwasów i zasad ( właściwości amfoteryczne). Dysocjacja aminokwasów i grup karboksylowych białek determinuje ruchliwość elektroforetyczną białek. Przy niskich wartościach pH roztworu białka dominują w nim dodatnio naładowane grupy aminowe, więc białka mają postać kationową. Przy wysokich wartościach pH przeważają ujemnie naładowane grupy COOH, a białka będą w formie anionowej. Przy pewnej pośredniej wartości pH grupy aminowe i grupy karboksylowe mogą oddziaływać ze sobą, wówczas suma ładunków wynosi zero, a białka pozostają nieruchome w polu elektrycznym ( właściwości elektryczne). Wysoka masa cząsteczkowa zapewnia roztworom białek właściwości charakterystyczne dla układów koloidalnych, a mianowicie: zdolność do tworzenia żeli, wysoką lepkość, niską szybkość dyfuzji, wysoki stopień pęcznienia, dzięki czemu wiążą około 80-90% całej wody w organizmie ( właściwości koloidalne). Rozpad białek następuje pod wpływem kwasów, zasad lub specyficznych enzymów hydrolazy, które rozkładają je na peptydy i aminokwasy. Syntezę przeprowadza się z aminokwasów z zasadą matrycy przy użyciu informacyjnego RNA. Pod wpływem różnych substancji chemicznych białka mogą koagulować i wytrącać się, tracąc swoje naturalne właściwości. Brak ładunku i powłoki hydratacyjnej przyczynia się do zbieżności cząsteczek białka, ich sklejania się i wytrącania. Zjawisko to nazywa się koagulacja, może być odwrotne i nieodwracalne. Nieodwracalną koagulację można uznać za denaturację białka. Denaturacja to proces zakłócania naturalnej struktury białek. Jednocześnie zmniejsza się rozpuszczalność białka, zmienia się kształt i wielkość cząsteczek itp. Proces denaturacji jest odwracalny, to znaczy powrotowi do normalnych warunków towarzyszy przywrócenie

naturalnej struktury białka. Proces ten nazywa się renaturyzacja . Wynika z tego, że charakterystyka białka zależy od jego struktury pierwszorzędowej. Ale proces niszczenia pierwotnej struktury białek jest zawsze nieodwracalny, nazywa się to zniszczenie . Właściwości białek zależą od budowy, składu i sekwencji aminokwasów.

Struktura białek. Cząsteczki białek to liniowe polimery składające się z aminokwasów. Oprócz sekwencji aminokwasowej łańcucha polipeptydowego (struktura pierwotna), niezwykle ważna dla funkcjonowania białek jest struktura trójwymiarowa (wtórnie trzeciorzędowa i czwartorzędowa), która zawarta jest w wyniku oddziaływania struktur poniżej poziomów i powstaje podczas procesu zwijania białek. Nazywa się trójwymiarową strukturą białek w normalnych warunkach naturalnych, w których białka pełnią swoje funkcje biologiczne stan szyty białko i sama struktura konformacja natywna Istnieją cztery poziomy struktury białka.

Poziomy organizacji cząsteczek białek

Struktura pierwotna kodowany przez odpowiedni gen, jest specyficzny dla każdego pojedynczego białka i w największym stopniu determinuje właściwości powstałego białka. Struktura wtórna ma kształt helisy (struktura α) lub strukturę złożonego arkusza (konformacja β) i jest termodynamicznie stabilnym stanem łańcucha polipeptydowego oraz prostą strukturą konformacyjną biomolekuł. Przykładami białek o strukturze wtórnej w postaci spirali są białka keratynowe (z włosów, paznokci, piór itp.) oraz w postaci złożonej płachty – fibroina (białko jedwabiu). W strukturze drugorzędowej obszary α-helikalne często występują naprzemiennie z obszarami liniowymi. Struktura trzeciorzędowa zachodzi automatycznie w wyniku oddziaływania reszt aminokwasowych z cząsteczkami wody. W tym przypadku rodniki hydrofobowe są „wciągane” do cząsteczki białka, a grupy hydrofilowe są zorientowane w stronę rozpuszczalnika. W ten sposób powstaje zwarta cząsteczka białka, wewnątrz której praktycznie nie ma cząsteczek wody. Do białek o strukturze trzeciorzędowej zalicza się mioglobinę. Struktura czwartorzędowa powstaje w wyniku połączenia kilku podjednostek ( protomery), które razem spełniają wspólną cechę

funkcjonować. Ta kombinacja nazywana jest kompleksem białkowym ( multimer, Lub epimer). Typowymi białkami o strukturze czwartorzędowej są hemoglobina, STM i niektóre enzymy.

Ostateczna struktura może być bardzo złożona, a proces jej adopcji do nowo syntetyzowanego łańcucha polipeptydowego wymaga pewnego czasu. Proces przyjmowania struktury przez białko nazywa się koagulacja, Lub Składanie. Wiele białek nie jest w stanie samodzielnie zakończyć fałdowania i osiągnąć stanu natywnego, często poprzez interakcję z innymi białkami komórkowymi. Takie białka wymagają zewnętrznej pomocy ze strony białek specjalnej klasy - molekularnej opiekunowie. Większość białek uzyskuje prawidłową konformację tylko w określonych warunkach środowiskowych. Kiedy te warunki się zmieniają, białko ulega denaturacji, zmieniając swoją konformację. Czynnikami powodującymi zmiany w konformacji białek są ciepło, promieniowanie, mocne kwasy, mocne zasady, stężone sole, metale ciężkie, rozpuszczalniki organiczne i tym podobne.

Rodzaje wiązań chemicznych w białkach. Aminokwasy potrafią tworzyć szereg wiązań chemicznych (peptydowych, dwusiarczkowych, wodorowych, jonowych, hydrofobowych) z różnymi grupami funkcyjnymi, a ta właściwość jest bardzo istotna dla budowy i funkcji białek.

Wiązanie peptydowe - jest to kowalencyjne wiązanie polarne azot-węgiel, które powstaje w wyniku oddziaływania NH 2 jednego aminokwasu z COOH drugiego z uwolnieniem wody. To wiązanie amidowe kwasu (-CO-NH-) jest głównym wiązaniem chemicznym cząsteczek białek i określa ich pierwotną strukturę i konformację. Związek powstały w wyniku kondensacji dwóch aminokwasów jest dipeptydem. Na jednym końcu tej cząsteczki znajduje się grupa aminowa, na drugim - wolna grupa karboksylowa. Dzięki temu dipeptyd może przyłączać do siebie inne aminokwasy.

Wiązanie dwusiarczkowe jest kowalencyjnym wiązaniem polarnym, które powstaje w wyniku oddziaływania grup sulfhydrylowych (-CII) rodniki aminokwasów zawierających siarkę, cysteina. To połączenie (-SS-) może zachodzić zarówno pomiędzy różnymi odcinkami jednego łańcucha polipeptydowego, jak i pomiędzy różnymi łańcuchami, determinując charakterystykę cząsteczek białka. O stabilności wielu białek w dużej mierze decyduje liczba tych wiązań, które jakby „zszywają” cząsteczki, nadając im wytrzymałość i nierozpuszczalność (np. w kolagenie skóry, keratynie włosów, wełnie).

Wiązanie wodorowe - Jest to wiązanie polarne, które występuje, gdy elektrododatni wodór oddziałuje z elektroujemnym tlenem w grupach hydroksylowych, karboksylowych i aminowych różnych aminokwasów. Te połączenia (-ON) znacznie słabsze od peptydowych, dwusiarczkowych i jonowych, ale ze względu na swoją ilość (występują pomiędzy grupami najliczniej występującymi w cząsteczkach białek) stają się bardzo istotne w stabilizowaniu struktury cząsteczek białek.

Wiązanie jonowe to elektrostatyczne wiązanie polarne, które występuje pomiędzy zjonizowaną, dodatnio naładowaną grupą aminową jednego aminokwasu i zjonizowaną, ujemnie naładowaną grupą karboksylową innego aminokwasu. To połączenie soli (-COO - HN 3+ -) może łączyć zarówno zwoje jednego lub większej liczby łańcuchów polipeptydowych w białkach o strukturze trzeciorzędowej, jak i zwoje różnych łańcuchów w białkach o strukturze czwartorzędowej. W środowisku wodnym wiązania jonowe są znacznie słabsze niż wiązania peptydowe i mogą zostać rozerwane przez zmiany pH.

Oddziaływania hydrofobowe - Jest to niepolarne wiązanie pomiędzy rodnikami aminokwasów, które nie przenoszą ładunku elektrycznego i nie rozpuszczają się w wodzie. Podejście tych rodników wynika z charakteru oddziaływania grup hydrofobowych (-CH3, -C2H5 itp.) z wodą. Te połączenia (-R-R-) nawet słabsze od wodorowych, wspierają trzeciorzędową i czwartorzędową strukturę białek.

BIOLOGIA + Hemoglobina (z języka greckiego Naita - krew i "łac. Globus - piłka") - złożone białko zawierające żelazo erytrocytów zwierzęcych i ludzkich; jest w stanie wiązać się z tlenem, zapewniając jego transfer do tkanek. Ponadto hemoglobina jest zdolna do wiązania niewielkiej ilości CO w tkankach i uwalniania go w płucach. Hemoglobina jest złożonym białkiem klasy chromoprotein i zawiera 1) część białkowa – globina, która składa się z czterech protomerów – dwóch identycznych łańcuchów a i dwóch identycznych łańcuchów β, 2) część niebiałkowa - hem, który jest reprezentowany przez cztery grupy prostetyczne z centrum koordynacyjnym w postaci Fe 2+ . Podjednostki są połączone wiązaniami wodorowymi, jonowymi, ale główny udział w tym oddziaływaniu mają oddziaływania hydrofobowe. Prawidłowa zawartość hemoglobiny we krwi człowieka wynosi: u mężczyzn – 130-170 g/l, u kobiet – 120-150 g/l, u dzieci – 120-140 g/l. Hemoglobina jest wysoce toksyczna, gdy znaczna jej ilość przedostaje się do osocza krwi z czerwonych krwinek (na przykład podczas transfuzji niezgodnej krwi) . Biorąc pod uwagę wysoką toksyczność wolnej hemoglobiny, organizm posiada specjalne systemy jej wiązania i neutralizacji. W szczególności jednym ze składników układu neutralizacji hemoglobiny jest specjalne białko osocza, haptoglobina, które specyficznie wiąże wolną globinę i globinę w składzie hemoglobiny.