STRUKTURA BIAŁEK

W strukturze białek wyróżnia się cztery poziomy organizacji molekularnej: struktury pierwotne, wtórne, trzeciorzędowe i czwartorzędowe. Pierwsze dwa poziomy są charakterystyczne dla wszystkich białek. Struktury trzeciorzędowe i czwartorzędowe występują tylko w białkach globularnych.

Podstawowa struktura białek

Tworzenie wiązania peptydowego

Podstawową strukturą białek jest sekwencja reszt aminokwasowych w łańcuchu polipeptydowym. Kolejność aminokwasów w białku jest zdeterminowana genetycznie przez sekwencję nukleotydów w DNA. Polipeptyd powstaje w wyniku oddziaływania grupy karboksylowej jednego aminokwasu z grupą aminową innego aminokwasu – wiązania peptydowego.

Głowa (NH2-) jednego aminokwasu jest przyłączona do ogona (-COOH) innego aminokwasu. Pomiędzy aminokwasami powstaje wiązanie peptydowe (-CO-NH-), które jest jedynym rodzajem wiązania w strukturze pierwszorzędowej białka. Jak widać na powyższym schemacie, gdy tworzy się wiązanie peptydowe, uwalniana jest woda. Rozszczepieniu wiązania peptydowego podczas hydrolizy towarzyszy dodanie wody w miejscu rozszczepionego wiązania. Końcowym produktem hydrolizy białek i polipeptydów są wolne aminokwasy.

Wiązanie peptydowe jest silniejsze wiązania pojedyncze pomiędzy węglem i azotem, ponieważ powstały tautomeryzm jest 40% dwukrotnie większy. Z tego samego powodu w łańcuchu polipeptydowym rotacja jest możliwa tylko wokół atomów węgla związanych z rodnikiem

Szkielet wszystkich polipeptydów jest taki sam. Łańcuchy polipeptydowe różnią się charakterem i sekwencją rodników. Polipeptyd nazywa się liczbą reszt aminokwasowych, które go tworzą: dipeptyd, tripeptyd itp.

Białka to polipeptydy zawierające więcej niż 50 reszt aminokwasowych. Najprostszym białkiem jest insulina. Zawiera tylko 51 reszt aminokwasowych. Rybonukleaza zawiera 124 reszty, hemoglobina 574.

W białkach sekwencja aminokwasów, czyli struktura pierwotna, jest ściśle określona. Zastąpienie jednej reszty aminokwasowej inną powoduje powstanie nowego białka. Zatem w insulinie bydlęcej na dziewiątej pozycji znajduje się reszta seryny, a w insulinie owczej reszta glicyny. W insulinie ludzkiej i końskiej różnice dotyczą trzech reszt aminokwasowych – ósmej, dziewiątej i dziesiątej. Wszystkie wymienione insuliny mają inną strukturę pierwszorzędową. Wiewiórki różne organizmy z tą samą funkcją nazywane są homologicznymi.

Struktura wtórna białek

Istnieją dwa główne typy drugorzędowej struktury białek: warstwa spiralna i złożona.

Spirale . Ze względu na swobodną rotację wiązań wokół atomu węgla α w łańcuchu polipeptydowym, liniowość łańcucha polipeptydowego zostaje zakłócona. Prowadzi to do powstawania spiral. Istnieją 3 rodzaje spiral.

1. Charakterystyka keratyny α-с pirala. Łańcuch polipeptydowy keratyny jest jakby owinięty wokół wyimaginowanego cylindra. Cewki są obok siebie połączone ze sobą wiązaniami wodorowymi pomiędzy tlenem jednego wiązania peptydowego i wodorem innego wiązania peptydowego. Wiązania wodorowe są 20 razy słabsze niż wiązania kowalencyjne między tlenem i wodorem, ale ze względu na ich liczebność dość mocno trzymają helisę.

2. β -spirala występujący w białkach bakteryjnych. Jeden obrót p-helisy składa się z 22 reszt aminokwasowych, β-helisa jest pustą rurką, a α-helisa jest wypełnionym cylindrem.

3. Zerwana spirala charakterystyczny dla kolagenu. Ten rodzaj helisy jest konsekwencją dużej zawartości glicyny i proliny z hydroksyproliną w kolagenie – aminokwasów zakłócających „prawidłowość” helisy.

Z warstwa muru charakterystyczna dla białka jedwabiu – fibroiny. Kierunek sąsiadujących łańcuchów w warstwie złożonej jest przeciwny (antyrównoległy). Łańcuchy leżą obok siebie utrzymywane przez wiązania wodorowe.

Helisy i złożone warstwy białek włóknistych często powodują powstawanie struktur superwtórnych lub superskrętów. Zatem 7 α-helis keratyny daje superhelisę. Z kolei 11 superspirali keratyny tworzy mikrofibrylę włosa.

Struktura drugorzędowa białek globularnych nie jest tak jednolita jak w przypadku białek fibrylarnych. Zatem w cząsteczce mioglobiny 77% łańcucha polipeptydowego ma charakter helikalny, a 23% nie jest helikalny. Stopień zwinięcia insuliny wynosi 60%, albuminy jaja 40%, pepsyny 28%. Łańcuch polipeptydowy chymotrypsyny prawie nie zawiera regionów helikalnych, ale występują fałdy, warstwy, pętle, zagięcia itp.

W strukturze białek globularnych o masie cząsteczkowej ponad 20 tys. Tak, koncepcja jest rozróżniana domena - małe obszary o długości 100-150 reszt aminokwasowych o charakterystycznej strukturze. Nazywa się je domenami strukturalnymi.

Pomiędzy domenami a poszczególnymi elementami strukturalnymi w obrębie domeny występują tzw sekcje zawiasów . Często w jednym białku znajduje się kilka podobnych domen tego samego typu.

Jest też koncepcja domena funkcjonalna . W tym drugim przypadku jedna lub kilka domen strukturalnych tworzy razem funkcjonalnie izolowany region w cząsteczce białka: miejsce substratu, środowisko aktywnego centrum enzymu lub inhibitora, kanał jonowy w błonie itp.

Struktura trzeciorzędowa- położenie łańcucha polipeptydowego (spiralnego, lekko helikalnego lub niehelikalnego) w przestrzeni trójwymiarowej.

Pomimo pozornego nieładu kulistej, jej budowa jest ściśle określona i wykazuje pewne prawidłowości.

1. Łańcuchy polipeptydowe w globuli są bardzo ciasno upakowane.

2. Zwykle grupy polarne białka znajdują się na powierzchni globuli, a rodniki hydrofobowe są w niej ukryte.

Aceton" href="/text/category/atceton/" rel="bookmark">aceton, białko wytrąca się. To wytrącanie nazywa się wysalanie. Mechanizm wysalania polega na tym, że jony soli oraz cząsteczki alkoholu i acetonu, posiadające własną silną powłokę hydratacyjną, odbierają wodę z cząsteczki białka. Różne białka są solone przy różnych stężeniach soli. Globuliny wysolono w półnasyconym roztworze siarczanu amonu, a albuminy tylko w nasyconym roztworze tej soli. Do oddzielania i oczyszczania białek stosuje się wysalanie frakcyjne.

Niektóre białka wytrącają się przy pH odpowiadającym punkt izoelektryczny. Zatem kazeina wytrąca się przy pH 4,7, ponieważ przy tej wartości pH cząsteczki nie mają ładunku i szybko agregują w duże cząstki, które są niestabilne w roztworze. Inne białka są bardziej stabilne, a ich wytrącanie wymaga działania na oba czynniki stabilności białka.

Dializa białkowa

Dzięki duże rozmiary, cząsteczki białka nie przenikają przez niektóre filmy; celofan, pęcherz rybny itp. Właściwość ta wykorzystywana jest do oczyszczania białek z zanieczyszczeń drobnocząsteczkowych, tj. do dializy.

Roztwór białka zmieszany z solami wlewa się do plastikowej torby, którą umieszcza się w naczyniu, przez które przepływa woda destylowana. Drobne jony soli i inne substancje przedostają się przez celofan do wody i są usuwane, natomiast roztwór białka pozostaje w worku.

Ładunek białkowy

W białku z reguły suma kwaśnych, ujemnie naładowanych aminokwasów (glutaminowego, asparaginowego) nie jest równa sumie zasadowych, dodatnio naładowanych aminokwasów (lizyna, arginina, histydyna). Z tego powodu białka w wodzie mają ładunek dodatni lub ujemny. Gdy roztwór takiego białka zostanie zakwaszony (powyżej H+), jonizacja grup karboksylowych zostanie stłumiona i nadejdzie moment, w którym suma grup naładowanych dodatnio zrówna się z sumą grup naładowanych ujemnie. W tym przypadku cząsteczka białka jako całość nie ma ładunku. Ten stan białka nazywa się izo uh elektryczny, a pH, przy którym występuje stan izoelektryczny, nazywa się punktem izoelektrycznym (IEP). IET jest jedną z najważniejszych cech białka.

W miarę dalszego zakwaszania roztworu białko staje się naładowane dodatnio. Cząsteczki białka zostają ponownie naładowane. Jeśli weźmiesz białko naładowane dodatnio, to po alkalizowaniu najpierw uzyska ono stan izoelektryczny, a następnie zostanie naładowany ujemnie.

Ogólna zasada jest następująca: przy pH poniżej IET białko ma ładunek dodatni i jest kationem, a przy pH powyżej IET jest naładowane ujemnie i jest anionem.

Różnica ładunków białek pozwala na ich rozdzielenie w stałym polu elektrycznym. Ta metoda separacji nazywa się elektroforezą.

Chromatografia jonowymienna opiera się również na różnicy ładunku rozdzielonych substancji w mieszaninie.

Denaturacja białek

Denaturacja to każda niehydrolityczna zmiana w strukturze białek, której towarzyszy zmiana ich aktywności biologicznej i funkcji. Denaturacja może być spowodowana wieloma czynnikami: wrzeniem, wysoką temperaturą, promieniowaniem ultrafioletowym i promieniowanie jonizujące, nadciśnienie, sole metali ciężkich, ekstremalne wartości pH (silne kwasy i zasady), niektóre związki organiczne.

Ogrzewanie i różne rodzaje promieniowania niszczą wodór i wiązania jonowe. Silne kwasy, zasady i stężone roztwory soli rozrywają wiązania jonowe. Metale ciężkie tworzą silne wiązania z karboksyanionami i rozrywają wiązania jonowe. Rozpuszczalniki organiczne i detergenty zakłócają oddziaływania hydrofobowe i rozrywają wiązania wodorowe w białkach.

Podczas denaturacji wszystkie słabe wiązania w białku ulegają zmianie lub zniszczeniu: wodorowe, elektrostatyczne, hydrofobowe itp., ale wiązania peptydowe pozostają nienaruszone.

Oznaki denaturacji to:

1) zmiana rozpuszczalności. Białko rozpuszczone w wodzie wytrąca się lub odwrotnie, nierozpuszczalne białko przechodzi do roztworu;

2) zmiana aktywności optycznej, na przykład kąta obrotu płaszczyzny spolaryzowanej wiązki;

3) pojawienie się nowych grup reaktywnych ukrytych przed denaturacją wewnątrz globuli białkowej;

4) główną i pierwszą oznaką denaturacji jest utrata funkcji. Białko strukturalne staje się luźne, enzymy tracą swoją aktywność katalityczną itp.

Po uwolnieniu od czynnika denaturującego białko stopniowo odzyskuje swoje pierwotne właściwości. Proces ten nazywa się renaturyzacja.

Właściwości optyczne białek

Z wyjątkiem chromoprotein, białka nie mają koloru. Białka absorbują światło ultrafioletowe z maksimum przy λ=280 nm ze względu na aminokwasy aromatyczne. Drugie maksimum absorpcji przy λ=216 nm należy do wiązania peptydowego.

Roztwory białek są przezroczyste, ale wykazują opalescencję – zmętnienie widoczne jest przy oświetleniu z boku. Wymienione właściwości służą do ilościowego oznaczania białka.

MONONUKLEOTYDY

Puryna Guanina Adenina

Pirymidyna Cytozyna Tymina Uracyl

Oprócz wymienionych zasad istnieją metylowane, zawierające siarkę i inne pochodne zasad azotowych. Nazywają się mniejsze podstawy. Na przykład u prokariotów występują: rybotymidyna, inozyna, ksantyna, hipoksantyna itp. W sumie znanych jest około 60 zasad azotowych.

Zasady azotowe i zbudowane z nich związki intensywnie absorbują światło w zakresie ultrafioletu (260-280 nm). Właściwość ta służy do ilościowego oznaczania substancji zawierających zasady azotowe.

https://pandia.ru/text/78/240/images/image009_58.jpg" alt="http://*****/biohimija_severina/img/B5873p267-a1.jpg" align="left" width="289" height="203 src=">Важным производным нуклеозидов является !} obóz. Powstaje z ATP przy udziale enzymu cyklazy adenylanowej. cAMP bierze udział w regulacji procesów metabolicznych w komórce. W szczególności pełni rolę drugiego przekaźnika w działaniu niektórych hormonów na komórkę. .

Związki zbudowane jak nukleotydy są częścią niektórych złożonych enzymów i pełnią tę rolę koenzymy. Często skład takich koenzymów zawiera substancje azotowe, które różnią się budową od zasad purynowych i pirymidynowych. Nie są syntetyzowane w organizmie zwierząt, ale pochodzą z pożywienia (witaminy).

Mononukleotyd flawinowy ( FMN) - fosforylowany ryboflawina(witamina B2).

Dinukleotyd flawinowo-adeninowy ( CHWILOWA MODA) składa się z dwóch nukleotydów AMP i FMN.

58" wysokość="33" style="vertical-align:top">

Koenzym A aktywuje i transportuje rodniki acylowe, które przyłączają się do grupy SH za pomocą wiązania tioeterowego.

W zależności od kwasu, jaki zawierają, związki te nazywane są: acetylokoenzymem A, malonylo-koenzymem A, sukcynylo-koenzymem A.

KWASY NUKLEINOWE

Kwasy nukleinowe- Kwas deoksyrybonukleinowy (DNA) i kwas rybonukleinowy (RNA) są polimerami, odpowiednio, deoksyrybonukleotydów i rybonukleotydów. Mononukleotydy w kwasach nukleinowych są połączone poprzez resztę Kwas fosforowy między piąty węgiel rybozy I trzeci węgiel rybozy sąsiadujący nukleotyd.

Struktura DNA

W 1950 roku Chargaff odkrył szereg wzorców w składzie nukleotydów DNA, które później nazwano regułami Chargaffa. Oto zasady: 1) Pur=Pir, 2) A=T, 3) G=C, 4) A+C=G+T. Reguły Chargaffa pomogły w sformułowaniu komplementarnego modelu struktury DNA.

Podstawowa struktura DNA reprezentowane przez łańcuchy polinukleotydowe.

Struktura DNA

Istnieje wiele wzorów w łańcuchach DNA:

1) U wirusów i prokariotów prawie cała sekwencja DNA jest unikalna, u eukariontów 30-40% DNA składa się z powtarzających się sekwencji, zwłaszcza z wielu powtarzających się odcinków DNA w regionie centromeru.

2) Łańcuchy DNA nie mają rozgałęzień.

3) W DNA istnieje wiele (tysiące) sekwencji o odwrotnym przebiegu - palindromy, „odwrócenia”. Przykłady zmiennokształtnych w języku rosyjskim: „dzik nacisnął bakłażana”. Palindromy tworzą struktury w kształcie krzyża – spinki do włosów, które odgrywają znaczącą rolę w regulacji ekspresji genów (pracy).

Struktura wtórna DNA

W 1953 roku J. Watson i F. Crick ustalili, że DNA jest podwójną helisą antyrównoległełańcuchy polinukleotydowe. Łańcuchy są utrzymywane blisko siebie przez wiązania wodorowe utworzone pomiędzy zasadami azotowymi, z podwójnym wiązaniem pomiędzy adeniną i tyminą oraz potrójnym wiązaniem pomiędzy cytozyną i guaniną. Na zewnątrz podwójnej helisy DNA znajduje się szkielet fosforanowo-cukrowy.

Uzupełniające związane zasady azotowe skierowane są do wewnątrz. W stosie zasady azotowe są przesunięte względem siebie. Istnieje kilka rodzajów helisy DNA:

1) helisa typu B, znaleziona podczas replikacji DNA;

2) helisa typu A, obserwowana podczas transkrypcji;

3) podczas przechodzenia powstaje spirala typu Z, skręcona w lewo, a nie w prawo jak spirala A lub B.

4) Opisano także helisy typu C i SBS. Ten ostatni nie jest skręcony.

Wirusy mogą zawierać jednoniciowy DNA.

Trzeciorzędowa struktura DNA

U prokariotów cząsteczki DNA są okrągłe. U eukariontów końce DNA są wolne - to jest forma liniowa DNA. Wirusy mają liniowy i kolisty DNA.

Prokarioty nie mają jądra. W nich DNA wraz z białkami jest przyczepione do błony cytoplazmatycznej, tworząc nukleoid.

U eukariontów DNA jest oddzielone od reszty komórki błoną jądrową. Podczas interfazy DNA eukariotyczny ulega koncentracji nici chromatyny. Oprócz DNA chromatyna zawiera białka. 50% białka chromatyny - histony. Histony zawierają duża liczba reszty kwasu diaminokarboksylowego: argininy i lizyny. Są to bardzo konserwatywne białka globularne, które są prawie takie same u wszystkich eukariontów. Drugą połowę białek chromatyny stanowią białka niehistonowe, charakteryzujące się dużą różnorodnością.

Chromatyna ma kilka poziomów organizacji:

1) Nukleosomy. Prawie dwa zwoje DNA są nawinięte na rdzeń złożony z czterech par cząsteczek histonów. Ten - rdzeń. Znajduje się pomiędzy skorupami linker- 40 par nukleotydów, częściowo pokrytych białkami histonowymi i (lub) niehistonowymi lub w ogóle niepokrytymi białkami. Histony biorą udział w aktywacji i represji genów na poziomie transkrypcji.

2) Elektrozawory: 6-10 nukleosomów daje jeden obrót solenoidu.

3) Pętle. Na szkielecie białek niehistonowych znajdują się pętle o długości 30–90 tysięcy par zasad, w których początek i koniec znajdują się w pobliżu.

4) Najwyższy poziom Organizacją DNA u eukariontów jest chromosom. Podstawą chromosomu jest macierz białkowa, do której przyłączony jest DNA. Na końcach chromosomu znajdują się odcinki DNA zwane telomery. Replikacja może rozpocząć się w telomerach; telomery chronią końce chromosomów przed degradacją.

Z każdą replikacją telomery się skracają. Po osiągnięciu krytycznie małego rozmiaru telomerów komórka umiera. Telomeraza jest enzymem, który przywraca długość telomerów, czyniąc komórkę nieśmiertelną. Telomeraza jest obecna w narządach rozrodczych, łodydze I komórkach nowotworowych, ale nie w innych komórkach. W centrum chromosomu znajduje się centromer- także DNA niekodujące, które zapewnia prawidłową segregację chromosomów podczas podziału komórki.

Większość DNA jest w pętlach. To tutaj znajdują się geny. Każda pętla zawiera jeden lub więcej genów. Pętle oddziałują z macierzą chromosomową poprzez niekodujące regiony DNA.

Właściwości fizykochemiczne DNA

Chromosom to jedna cząsteczka DNA. Prokarioty mają tylko jeden chromosom. Rozmiar DNA waha się od 5000 nukleotydów u wirusów do 5 miliardów (jego długość wynosi 8 cm) u ludzi. Długość DNA wszystkich chromosomów jednej komórki ludzkiej wynosi około 2 m.

DNA to biała, włóknista masa. Roztwory są bardzo lepkie. Lepkość wzrasta wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej. Roztwory DNA absorbują światło ultrafioletowe maksymalnie przy 260 nm. DNA w wodzie ma ładunek ujemny.

W środowisku kwaśnym, zasadowym, w temperaturze °C, w obecności formamidu, mocznika i szeregu innych czynników, następuje rozbieżność łańcuchów polinukleotydowych DNA – denaturacja. Denaturacja powoduje rozbicie wiązań wodorowych – DNA” topi się„Za temperaturę topnienia uważa się tę, w której DNA ulega denaturacji o połowę (zniszczeniu ulega połowa wiązań wodorowych). Podczas topienia obserwuje się wzrost gęstości optycznej roztworów przy 260 nm - efekt hiperchromiczny.

Im więcej par G-C w DNA, tym wyższa temperatura topnienia, ponieważ Pary G-C silniejsze niż A-T, ponieważ są połączone trzema wiązaniami wodorowymi.

Po obniżeniu temperatury DNA zdenaturowany pod wpływem ciepła przywraca swoją strukturę wtórną, następuje renaturacja, czyli wyżarzanie, kwasy.

Jeśli DNA różne źródła poddane denaturacji i hybrydyzacji w mieszaninie, wówczas nastąpi hybrydyzacja obcych łańcuchów DNA zgodnie z prawami komplementarności. Możliwa jest hybrydyzacja łańcuchów DNA i RNA. W tym przypadku powstaje hybryda Kwas nukleinowy, w którym jedna nić to RNA, druga to DNA.

Aminokwasy to związki amfoteryczne, które są połączone ze sobą w cząsteczce białka za pomocą wiązań peptydowych.

α-Aminokwasy można łączyć ze sobą kowalencyjnie za pomocą wiązań peptydowych

Grupy peptydów są względem siebie ułożone pod kątem.

Liniowa sekwencja reszt aminokwasowych w łańcuchu polipeptydowym nazywana jest „podstawową strukturą białka”.

Specyfika gatunkowa białek

Indywidualność cząsteczek białka zależy od kolejności naprzemienności aminokwasów w białku. Jednak wiele białek, pełniąc tę ​​samą funkcję, różni się nieco budową u różnych przedstawicieli tego samego gatunku. Przykładem są białka grup krwi u ludzi. Ta różnorodność białek determinuje indywidualną specyfikę organizmów.

Dziedziczne zmiany w strukturze pierwotnej. Polimorfizm białek

P Podstawowa struktura białek jest programowana przez sekwencję nukleotydów w DNA. Delecja, insercja lub zamiana nukleotydu w DNA prowadzi do zmiany w strukturze syntetyzowanego białka. Jeśli zmiana w sekwencji aA nie jest śmiertelna, ale adaptacyjna lub przynajmniej neutralna, wówczas nowe białko może zostać odziedziczone i pozostać w populacji. W rezultacie powstają nowe białka o podobnych funkcjach. Ten polimorfizm białek. przykłady polimorfizmu: hemoglobina ludzka (hemoglobina embrionalna, płodowa i dorosła A

Dziedziczne proteinopatie: anemia sierpowata, inne przykłady.

Dziedziczne proteinopatie rozwijają się w wyniku uszkodzenia aparatu genetycznego, a tym samym białek

anemię po odkryciu w jego krwi czerwonych krwinek w kształcie półksiężyca. Choroba nazywa się anemią sierpowatokrwinkową i jest spowodowana zmianą w pierwotnej strukturze HLA.

W cząsteczce hemoglobiny S zmutowane okazały się 2 łańcuchy β, w których glutaminian w pozycji 6 zastąpiono waliną zawierającą rodnik hydrofobowy. Czerwone krwinki „sierpowate” nie przechodzą dobrze przez naczynia włosowate tkanek, często zatykają naczynia krwionośne, powodując miejscowe niedotlenienie.

Rodzinna hipercholesterolemia to choroba genetyczna charakteryzująca się wysokim poziomem cholesterolu we krwi i LDL oraz wczesnym początkiem chorób układu krążenia. Wielu pacjentów ma mutacje w genie receptora LDL, który koduje odpowiednie białko receptora LDL lub apolipoproteinę B (apo-B), która jest częścią LDL wiążącą się z receptorem

2. Konformacja cząsteczek białek (struktury drugorzędowe i trzeciorzędowe)

Struktura wtórna Białko to metoda układania łańcucha polipeptydowego, w której zachodzi interakcja grup peptydowych z utworzeniem między nimi wiązań wodorowych.W białkach globularnych dominuje α-helisa, w białkach fibrylarnych dominuje struktura β.

α-Helisa jest prawoskrętną helisą utworzoną przez wiązania wodorowe pomiędzy grupami peptydowymi 1 i 4, 4 i 7, 7 i 10 w wyniku tworzenia wiązań wodorowych pomiędzy atomami tlenu grup karbonylowych i atomami azotu grup aminowych.

Struktura β powstaje w wyniku powstania wielu wiązań wodorowych pomiędzy atomami grup peptydowych regionów liniowych jednego łańcucha polipeptydowego tworzącymi zagięcia lub pomiędzy różnymi łańcuchami polipeptydowymi.

Jeśli połączone łańcuchy polipeptydowe są skierowane w przeciwne strony, powstaje antyrównoległa struktura β, ale jeśli N- i C-końce łańcuchów polipeptydowych pokrywają się, powstaje struktura równoległej harmonijkowej warstwy β (

Trzeciorzędowa struktura białek

Trzeciorzędowa struktura białek jest trójwymiarową strukturą przestrzenną powstałą w wyniku interakcji pomiędzy rodnikami aminokwasów

Wiązania biorące udział w tworzeniu trzeciorzędowej struktury białek

Oddziaływania hydrofobowe

hydrofobowe rodniki aminokwasowe mają tendencję do łączenia się w strukturze kulistej

Wiązania jonowe i wodorowe I Wiązania kowalencyjne

wiązania dwusiarczkowe, powstały w wyniku oddziaływania grup SH dwóch reszt cysteiny.

Miejsce aktywne białek- pewna część cząsteczki białka, zlokalizowana w jej wnęce, utworzona przez rodniki zebrane podczas tworzenia struktury trzeciorzędowej, oddziałuje z cząsteczką substratu

labilność konformacyjna- tendencja do zmian konformacyjnych w wyniku zrywania niektórych i tworzenia innych słabych wiązań. Konformacja białka zmienia się, gdy zmieniają się właściwości chemiczne i fizyczne środowiska, gdy białko oddziałuje z innymi cząsteczkami. W tym przypadku następuje zmiana struktury przestrzennej i konformacji białka jako całości.

3 . Czwartorzędowa struktura białek. Spółdzielcze zmiany w konformacji protomeru. Przykłady budowy i działania białek oligomerycznych: hemoglobina (w porównaniu do mioglobiny, enzymy allosteryczne).

Nazywa się liczbą i względnym położeniem łańcuchów polipeptydowych w przestrzeni „czwartorzędowa struktura białek”. Poszczególne łańcuchy polipeptydowe w takim białku są protomerami lub podjednostkami. Łączą hydrofobowy, jonowy, wodór.

Każdy protomer oddziałuje z drugim w wielu punktach. Podjednostki w oligomerach oddziałują ze sobą bardzo blisko, wówczas jakakolwiek zmiana w konformacji dowolnej podjednostki koniecznie pociąga za sobą zmianę w innych podjednostkach. Efekt ten nazywa się interakcja kooperacyjna.

Na przykład w hemoglobinie takie oddziaływanie podjednostek w płucach przyspiesza dodawanie O 2 do hemoglobiny 300 razy.

Mioglobina należą do klasy białek zawierających hem, tj. zawiera grupę prostetyczną - hem, związaną z częścią białkową apomioglobiny. Mioglobina jest klasyfikowana jako białko globularne; ma tylko jeden łańcuch polipeptydowy. Mioglobina bierze udział w magazynowaniu tlenu.

Struktura trzeciorzędowa wygląda jak zwarta kula

Hemoglobiny, podobnie jak mioglobina, zaliczane są do hemoprotein, mają jednak budowę czwartorzędową (składają się z 4 łańcuchów polipeptydowych), co umożliwia regulację ich funkcji.

Hemoglobina A jest główną hemoglobiną dorosłego organizmu, stanowi około 98% całkowitej ilości hemoglobiny, tetrameru, składa się z 2 łańcuchów polipeptydowych α i 2 β (2α2β).

Hemoglobina A 2 2%. Składa się z 2 łańcuchów α i 2 δ.

Protomery hemoglobiny, podobnie jak apomioglobina, składają się z 8 helis zwiniętych w gęstą kulistą strukturę zawierającą wewnętrzny hydrofobowy rdzeń i „kieszonkę” na wiązanie hemu. ale tetrameryczna struktura hemoglobiny jest bardziej złożonym kompleksem niż mioglobina.

Enzymy allosteryczne to enzymy, których aktywność jest regulowana nie tylko przez liczbę cząsteczek substratu, ale także przez inne substancje zwane efektorami; mają centrum allosteryczne odległe od katalitycznego aktywny ośrodek; efektory przyłączają się do enzymu niekowalencyjnie w centrach allosterycznych (regulacyjnych);

4 . Pojęcie enzymów. Specyfika działania enzymów. Kofaktory enzymów. Zależność szybkości reakcji enzymatycznych od stężenia substratu, enzymu, temperatury i pH. Zasady oznaczania ilościowego enzymów. Jednostki aktywności.

Enzymy to białka. zwiększają szybkość reakcji chemicznej, ale nie są zużywane.

Enzymy proste składają się tylko z AA, a enzymy złożone składają się z 2 części: białkowej (apoenzym) i niebiałkowej (kofaktor). Jeśli kofaktor jest ściśle związany z apoenzymem, nazywa się go grupą prostetyczną; jeśli jest luźno związany, nazywa się go koenzymem.

W łańcuchu polipeptydowym. Ważnymi cechami struktury pierwszorzędowej są konserwatywne motywy – kombinacje aminokwasów, które odgrywają kluczową rolę w funkcjach białek. Konserwatywne motywy są zachowywane przez całą ewolucję gatunków i często można je wykorzystać do przewidywania funkcji nieznanego białka. Motywy konserwatywne- krótkie sekwencje nukleotydów w DNA lub aminokwasów w białku, które są zachowywane w procesie ewolucji, ponieważ te nukleotydy lub aminokwasy są niezbędne do przeprowadzenia wszelkich procesów w komórce.

Struktura wtórna- lokalne uporządkowanie fragmentu łańcucha polipeptydowego, stabilizowanego wiązaniami wodorowymi. α-helisy- gęste skręty wokół długiej osi cząsteczki, jeden obrót to 3,6 reszt aminokwasowych, a skok helisy wynosi 0,54 nm, helisa jest stabilizowana wiązaniami wodorowymi pomiędzy grupami peptydowymi H i O, rozmieszczonymi w odległości 4 jednostek oprócz. β- pościel(złożone warstwy) - kilka zygzakowatych łańcuchów polipeptydowych, w których tworzą się wiązania wodorowe pomiędzy aminokwasami lub różnymi łańcuchami białkowymi, które są stosunkowo odległe od siebie (0,347 nm na resztę aminokwasową) w strukturze pierwszorzędowej.

Struktura trzeciorzędowa— struktura przestrzenna łańcucha polipeptydowego (zestaw współrzędnych przestrzennych atomów tworzących białko). Konstrukcyjnie składa się z stabilizowanych elementów konstrukcji drugorzędnej różne rodzaje interakcje, w których interakcje hydrofobowe odgrywają kluczową rolę. W stabilizacji struktury trzeciorzędowej biorą udział: wiązania kowalencyjne(pomiędzy dwiema resztami cysteiny znajdują się mostki dwusiarczkowe); wiązania jonowe pomiędzy przeciwnie naładowanymi grupami bocznymi reszt aminokwasowych; wiązania wodorowe; oddziaływania hydrofilowo-hydrofobowe podczas interakcji z otaczającymi cząsteczkami wody cząsteczka białka „ma tendencję” do fałdowania, w wyniku czego niepolarne boczne grupy aminokwasów są izolowane z roztworu wodnego; polarne hydrofilowe grupy boczne pojawiają się na powierzchni cząsteczki.

Struktura czwartorzędowa- (podjednostka, domena) — wzajemne porozumienie kilka łańcuchów polipeptydowych jako część pojedynczego kompleksu białkowego. Cząsteczki białka, które są częścią białka o strukturze czwartorzędowej, powstają oddzielnie na rybosomach i dopiero po zakończeniu syntezy tworzą wspólną strukturę supramolekularną.

Skład AK białek, wiązanie peptydowe i jego właściwości fizykochemiczne. postać

Części główne i konstrukcyjne Składnikami cząsteczki białka są aminokwasy. Produkty spożywcze zawierają 20 aminokwasów, z czego 8 nie jest syntetyzowanych w organizmie człowieka i stanowi niezbędne czynniki odżywcze (walina, leucyna, izoleucyna, treonina, fenyloalanina, tryptofan, metionina, lizyna). Dla dzieci niezbędny aminokwas jest histydyna. Pozostałe aminokwasy są wymienne, czyli mogą być syntetyzowane w organizmie (alanina, kwas asparaginowy, glikol, glicyna, kwas glutaminowy, prolina, seryna, tyrozyna, cystyna, cysteina)

Zapotrzebowanie na aminokwasy egzogenne jest zaspokajane głównie poprzez syntezę w organizmie, a częściowo poprzez ich przyjmowanie z pożywieniem. Do badania składu aminokwasowego białek stosuje się kombinację hydrolizy kwasowej (HC1), zasadowej [Ba(OH)2] i rzadziej enzymatycznej. Hydrofobowy(niepolarne, nienaładowane): glicyna, alanina, walina, leucyna, izoleucyna, metionina, prolina, fenyloalanina, tryptofan. Hydrofilowy(polarny, nienaładowany): asparagina, glutamina, seryna, treonina, tyrozyna, cysteina. Hydrofilowe (ładunek ujemny): kwas asparaginowy, kwas glutaminowy. Hydrofilowy(pol. ładunek): lizyna, arginina, histydyna.

Wiązanie peptydowe- rodzaj wiązania amidowego, który powstaje podczas tworzenia białek i peptydów w wyniku oddziaływania grupy α-aminowej (-NH2) jednego aminokwasu z grupą α-karboksylową (-COOH) innego aminokwasu . Wiązanie peptydowe ma charakter częściowego wiązania podwójnego, jest więc krótsze od pozostałych wiązań szkieletu peptydowego i w efekcie ma niewielką ruchliwość. Struktura elektronowa Wiązanie peptydowe określa płaską, sztywną strukturę grupy peptydowej. Płaszczyzny grup peptydowych są względem siebie ustawione pod kątem. Wiązania peptydowe są bardzo mocne i nie pękają samoistnie normalne warunki występujące w komórkach (środowisko neutralne, temperatura ciała). W warunkach laboratoryjnych hydrolizę wiązań peptydowych białek przeprowadza się w zamkniętej ampułce ze stężonym (6 mol/l) kwas chlorowodorowy, w temperaturze powyżej 105°C, a całkowita hydroliza białka do wolnych aminokwasów następuje w ciągu około jednego dnia. W organizmach żywych wiązania peptydowe w białkach rozrywane są za pomocą specjalnych enzymów proteolitycznych (z ang. białko- białko, Liza- zniszczenie), zwane także proteazami lub hydrolazami peptydowymi.

Reakcje barwne na aminokwasy.

Reakcja ninhydrynowa: roztwór barwiący a-aminokwasów po podgrzaniu (kolor niebieski).

Reakcja ksantoproteinowa , żółty kolor po ugotowaniu z koncentratem kwas azotowy. Po dodaniu stężonej zasady kolor żółty zmienia się na pomarańczowy. Aromatyczne AA (fenyloalanina, tyrozyna i tryptofan).

R-cja Adamkiewicza tryptofan w środowisku kwaśnym oddziałując z aldehydami kwaśnymi tworzy czerwono-fioletowe produkty kondensacji.

R-cja Folia , Aminokwasy zawierające grupy sulfhydrylowe – SH, ulegają hydrolizie zasadowej tworząc siarczek sodu Na2S. Ten ostatni, oddziałując z plumbitem sodu (powstającym podczas reakcji octanu ołowiu z NaOH), tworzy czarny lub brązowy osad siarczku ołowiu PbS.

R-cja Millona, ​​​​To reakcja na aminokwas tyrozynę. Odczynnik Millona (roztwór HgNO 3 i Hg(NO 2) 2 w rozcieńczonym HNO 3 zawierający domieszkę HNO 2) reaguje z tyrozyną, tworząc sól rtęciową nitrowej pochodnej tyrozyny, zabarwioną na różowo-czerwono.

Zależność konformacji białek od ich struktury pierwszorzędowej.

Na czym opiera się każde białkołańcuch polipeptydowy. Nie jest tylko wydłużony w przestrzeni, ale zorganizowany w trójwymiarową strukturę. Korzystając z analizy dyfrakcji promieni rentgenowskich, Pauling i Corey określili kąty wiązań peptydowych, potwierdzając obecność sztywnej, płaskiej (płaskiej) struktury łańcucha polipeptydowego. Chociaż jego ruchliwość konformacyjna jest ograniczona, możliwa jest mobilność wokół pojedynczych wiązań przy atomie węgla alfa. Kąty obrotu wiązań pojedynczych nazywane są skręcaniem: kąt obrotu wokół wiązania NC oznacza się przez φ, kąt obrotu wokół Połączenia SS- ψ. Podstawniki w odniesieniu do wiązania peptydowego mogą znajdować się w pozycji cis lub trans, przy czym wiązanie trans peptydowe jest bardziej stabilne.

Konfiguracja- przestrzenny względny układ części cząsteczki sztywno połączonych wiązaniami kowalencyjnymi (na przykład: należących do stereoizomerów serii L lub serii D). W przypadku białek koncepcja ta jest również stosowana Struktura cząsteczka białka - określony, ale nie zamrożony, niezmienny względny układ części cząsteczki. Ponieważ konformacja cząsteczki białka powstaje przy udziale słabych typów wiązań, jest ona mobilna (zdolna do zmian), a białko może zmieniać swoją strukturę. W zależności od warunków środowiskowych cząsteczka może występować w różnych stanach konformacyjnych, które łatwo przekształcają się w siebie. Energetycznie korzystne dla warunków rzeczywistych jest tylko jeden lub kilka stanów konformacyjnych, pomiędzy którymi występuje równowaga.

Przejścia z jednego stanu konformacyjnego do drugiego zapewniają funkcjonowanie cząsteczki białka. Są to odwracalne zmiany konformacyjne (zachodzące w organizmie np. podczas przewodzenia impulsu nerwowego, podczas przenoszenia tlenu przez hemoglobinę). Kiedy zmienia się konformacja, część słabych wiązań ulega zniszczeniu i powstają nowe wiązania słaby typ. Białka włókniste są trwałymi, nierozpuszczalnymi substancjami w wodzie i rozcieńczonych roztworach soli. Ułożone równolegle względem siebie wzdłuż jednej osi łańcuchy polipeptydowe tworzą długie włókna (fibryle) lub warstwy o konformacji struktury b. Przykłady białek włóknistych: kolagen ścięgien i tkanki kostnej, keratyna włosów, narośli rogowych, skóry, paznokci i piór, elastyna elastycznej tkanki łącznej.

Białka globularne to związki, których łańcuchy polipeptydowe są ściśle zwinięte w zwarte struktury kuliste lub kuliste o konformacji a-helikalnej. Większość białek globularnych jest rozpuszczalna w roztwory wodne i łatwo się rozprowadza. Należą do nich prawie wszystkie obecnie znane enzymy, a także przeciwciała, niektóre hormony i wiele białek pełniących funkcję transportową, na przykład albumina surowicy i hemoglobina. Niektóre białka należą do typu pośredniego. Podobnie jak białka włókniste składają się z długich, pałeczkowatych struktur, a jednocześnie podobnie jak białka globularne są rozpuszczalne w wodnych roztworach soli. Białka te obejmują: miozynę - element konstrukcyjny mięśniach fibrynogen jest prekursorem fibryny biorącej udział w krzepnięciu krwi.

Łączenie aminokwasów poprzez wiązania peptydowe tworzy liniowy łańcuch polipeptydowy zwany pierwotna struktura białka

Biorąc pod uwagę, że w syntezie białek bierze udział 20 aminokwasów, a przeciętne białko zawiera 500 reszt aminokwasowych, możemy mówić o niewyobrażalnej liczbie potencjalnych białek. W organizmie człowieka odkryto około 100 tysięcy różnych białek.

Na przykład 2 aminokwasy (alanina i seryna) tworzą 2 peptydy Ala-Ser i Ser-Ala; 3 aminokwasy dadzą już 6 wariantów tripeptydu; 20 aminokwasów – 1018 różnych peptydów o długości zaledwie 20 aminokwasów (zakładając, że każdy aminokwas został użyty tylko raz).

Największym obecnie znanym białkiem jest tytyna- jest składnikiem sarkomerów miocytów, masa cząsteczkowa różnych jego izoform waha się od 3000 do 3700 kDa. Ludzka soleus titin składa się z 38 138 aminokwasów.

Podstawowa struktura białek, tj. sekwencja aminokwasów jest programowana przez sekwencję nukleotydów w DNA. Utrata, insercja lub zastąpienie nukleotydu w DNA prowadzi do zmiany składu aminokwasów, a co za tym idzie, struktury syntetyzowanego białka.

Sekcja łańcucha białkowego o długości 6 aminokwasów (Ser-Cys-Tyr-Lei-Glu-Ala)
(wiązania peptydowe zaznaczono żółtym tłem, aminokwasy wyróżniono ramką)

Jeśli zmiana w sekwencji aminokwasów nie jest śmiertelna, ale adaptacyjna lub przynajmniej neutralna, wówczas nowe białko może zostać odziedziczone i pozostać w populacji. W rezultacie powstają nowe białka o podobnych funkcjach. Zjawisko to nazywa się wielopostaciowość białka.

W przypadku wielu białek wykryto wyraźny konserwatyzm strukturalny. Na przykład hormon insulina osoba różni się od zwyżkowy tylko trzy aminokwasy, z wieprzowina– na jeden aminokwas (alanina zamiast treoniny).

Sekwencja i stosunek aminokwasów w strukturze pierwszorzędowej determinuje powstawanie wtórny, trzeciorzędowy I czwartorzędowy Struktury.

Heterogeniczność genotypowa

W wyniku tego, że każdy gen u człowieka występuje w dwóch kopiach (allelach) i może podlegać mutacjom (zamian, delecji, insercji) i rekombinacjom, które nie wpływają znacząco na funkcję kodowanego białka, dochodzi do polimorfizm genów i odpowiednio polimorfizm białka. Pojawiają się całe rodziny pokrewnych białek, które mają podobne, ale różne właściwości i funkcje.

Na przykład jest około 300 różne rodzaje hemoglobina, niektóre z nich są niezbędne różne etapy ontogeneza: na przykład HbP jest embrionalna, powstaje w pierwszym miesiącu rozwoju, HbF jest płodowa, niezbędna w późniejszych stadiach rozwoju płodu, HbA i HbA2 to hemoglobina osoby dorosłej. Różnorodność zapewnia polimorfizm łańcuchów globiny: hemoglobina P zawiera łańcuchy 2ξ i 2ε, HbF zawiera łańcuchy 2α i 2γ, HbA zawiera łańcuchy 2α i 2β, a HbA2 zawiera łańcuchy 2α i 2δ.

Na anemia sierpowata na szóstej pozycji łańcucha β hemoglobiny kwas glutaminowy zastępuje walina. Prowadzi to do syntezy hemoglobina S (HbS)- hemoglobina, która polimeryzuje w formie deoksy i tworzy nici. W rezultacie czerwone krwinki ulegają deformacji, przyjmują kształt sierpa (banana), tracą elastyczność i ulegają zniszczeniu podczas przechodzenia przez naczynia włosowate. To ostatecznie prowadzi do zmniejszonego utlenowania tkanek i martwicy.

Grupy krwi AB0 zależą od struktury specjalnego węglowodanu na błonie czerwonych krwinek. Różnice w strukturze węglowodanów wynikają z odmiennej specyficzności i aktywności enzym transferaza glikozylowa, zdolne do modyfikowania oryginalnego oligosacharydu. Enzym ma trzy warianty i przyłącza N-acetylogalaktozę lub galaktozę do oligosacharydu błon erytrocytów lub enzym nie przyłącza dodatkowych grup sacharydowych (grupa 0).
W rezultacie osoby z grupą krwi A0 mają na swoich czerwonych krwinkach oligosacharyd z przyłączoną do niej N-acetylogalaktozaminą, osoby z grupą krwi B0 mają oligosacharyd z galaktozą, 00 mają tylko „czysty” oligosacharyd, osoby z grupą krwi AB mają oligosacharyd i N-acetylogalaktozamina oraz galaktoza.

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 α-aminokwasów połączone wiązaniem peptydowym (ryc. 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 końce N i C 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 disiarczkowe 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 ligandu.

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 badaniach biochemicznych 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;

e) policzyć liczbę możliwych wariantów tetrapeptydu 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, na przykład 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 normalnych warunkach 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 pojawiają się dodatkowe wiązania jonowe łączące protomery, w wyniku czego zwiększają się wymiary jamy centralnej 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 budowie 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 także 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. Struktura pierwotna większości znanych białek wyselekcjonowana na drodze ewolucji biologicznej zapewnia wyjątkową stabilność jednej z konformacji, która determinuje charakterystykę 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, czwartorzędowa struktura białek

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 spoczynkowe i pracujące?

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

2. Ilość tlenu wydzielanego 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 najniższa 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