нативен протеин. Концепцията за нативен протеин. Концепцията за алостерични протеини. Теоретични основи на урока

Пептидната връзка определя гръбнака (ръба) на първичната структура на протеиновата молекула и й придава твърдост.

Теоретична основакласове

Структура на протеинова молекула

Цел на урока:за изследване на видовете макромолекулна организация на протеиновите молекули.

Първична структурапротеини- последователността на аминокиселините в полипептидната верига (или вериги) и позицията на дисулфидните връзки (ако има такива).

Първичната структура се стабилизира от ковалентни връзки: пептидни връзки, а в някои пептиди и дисулфидни връзки.

Разрушаване на ковалентни връзки на първичната структура - хидролиза: 1) киселинна - в 6 n. НС1, 100-110°С, 24 часа; 2) ензимен - с помощта на протеолитични ензими в стомаха при рН 1,5-5,0 - пепсин; трипсин, химотрипсин, карбоксипептидаза - в дванадесетопръстника; дипептидази, трипептидази и аминопептидази - в тънките черва, при pH 8,6.

Характеристика на пептидната връзка. Пептидната връзка е планарна (компланарна). Връзката C-N наподобява двойна връзка (въртенето е невъзможно) поради p, π - конюгация (конюгация на свободна двойка електрони на атом с π-електрони на двойната връзка C=O).

Последователността на аминокиселините в първичната структура на протеина е специфични видове, характерни за този протеин.

Първичната структура на протеина генетично определени и възпроизведени в процесите на транскрипция и транслация.

Първичната структура на протеина е основен за образуването на последващи протеинови структурипоради взаимодействието на радикалите на аминокиселинните остатъци на полипептидната верига.

Замяната на аминокиселина от серия L с аминокиселина от серия D или замяната дори на една L-аминокиселина с друга може да доведе до пълно изчезване биологична активностпептид.

Физиологично активни пептидисъдържат от 3 до 100 аминокиселинни остатъка (ММ под 6000 Da). За разлика от протеините, полипептидите могат да съдържат непротеиногенни или модифицирани протеиногенни аминокиселини. Примери:

1. Брадикинин и калидин предизвикват релаксация на гладката мускулатура и са продукти на протеолизата на специфични плазмени a 2 -глобулини, следователно тези пептиди съдържат само протеиногенни аминокиселини:

брадикинин: arg-pro-pro-gly-phen-ser-pro-phen-arg;

Калидин: Lys-arg-pro-pro-gli-phen-ser-pro-phen-arg.

2. Глутатион (γ-glu-cis-gli) се намира във всички клетки. Необходим е за транспорта на аминокиселините през мембраните, за работата на редица ензими. Той запазва дисулфидни връзки, съдържа атипична пептидна връзка, когато глутаматът не е свързан с цистеин чрез α-амино група.

Протеинов полиморфизъм- това е съществуването на един и същ протеин в няколко молекулярни форми, които се различават по първична структура, физико-химични свойства и прояви на биологична активност.

Причините за протеиновия полиморфизъм са рекомбинации и мутации на гени. Изопротеините са множество молекулярни форми на протеин, намиращи се в организми от един и същи вид в резултат на наличието на повече от един структурен ген в генофонда на вида. Множество гени могат да бъдат представени като множество алели или като множество генни локуси.

Примери за протеинов полиморфизъм.

1. Белтъчен полиморфизъм във филогенезата - наличие на хомоложни протеини при различните видове. В тези протеини участъците от първичната структура, отговорни за тяхната функция, остават консервативни (непроменени). За заместване на изгубените протеини в човешкото тяло се използват хомоложни животински протеини, в чиято първична структура има минимални разлики (говежди, свински, кашалот инсулин).

2. Полиморфизъм на белтъците в онтогенезата - наличие на хомоложни белтъци в различни сегменти от жизнения цикъл на организма. Плодът има хемоглобин F (фетален хемоглобин, α 2 γ 2, има висок афинитет към кислорода). След раждането той се заменя с хемоглобин A 1 (a 2 b 2).

3. Полиморфизъм на тъканния протеин. Един и същи ензим в различни клетки катализира една и съща реакция, но има различия в първичната структура - изоензими. Определянето на изоензимите в кръвта помага да се диагностицира увреждането на определена тъкан.

4. Белтъчен полиморфизъм в патологията. Помислете за примера на множество форми на мутации, които се предават по наследство. В този случай най-често има замяна на кисела аминокиселина с основна или неутрална:

в HbC, заместване на glu 6 в β-веригата чрез лизис;

в HbE, заместване на glu 26 в β-веригата с lys;

в HbI, заместване на lys 16 в β-веригата с asp;

в HbS, заместването на glu 6 в β-веригата с вал.

В последния случай възниква заболяване като сърповидно-клетъчна анемия. Аномалните хемоглобини се различават от нормалните по своя заряд и електрофоретична подвижност. Физико-химичните промени в хемоглобините са придружени от нарушение на транспорта на кислород.

Вторична структура на протеин- правилна организация на полипептидната верига, стабилизирана от водородни връзки. Водородните връзки се образуват между NH и CO групите на пептидните връзки. Има а-спирала, b-структура и неподредена конформация (намотка).

а-спирала. Усукването на полипептидната верига е по посока на часовниковата стрелка (дясна спирала), което се дължи на структурата на L-аминокиселините. За всяко завъртане (стъпка) на спиралата има 3,6 аминокиселинни остатъка. Стъпката на спиралата е 0,54 nm, с 0,15 nm на аминокиселинен остатък. Ъгълът на спиралата е 26 0 . на всеки 5 завъртания на спиралата (18 аминокиселинни остатъка) структурата на полипептидната верига се повтаря. Водородните връзки са успоредни на оста на спиралата и се срещат между всеки първи и всеки пети аминокиселинен остатък. Образуването на а-спирала се предотвратява от пролин и аминокиселини с обемисти и заредени радикали.

В-Структура. Във фибриларните протеини две или повече линейни полипептидни вериги са здраво свързани с водородни връзки, перпендикулярни на оста на молекулата (сгънат b-слой). Ако две полипептидни вериги са свързани с междуверижни водородни връзки, вървящи в една и съща посока от N- към С-края, тогава това е паралелна β-структура. Ако N- и C-краищата на веригите са противоположни, тогава това е антипаралелна b-структура. Ако една полипептидна верига се огъва и върви успоредно на себе си, тогава това е антипаралелна β-кръстосана структура. Местата на огъване на веригата се определят от pro, gli, asn-b-bend.

нарушена конформация. Участъци от протеинова молекула, които не принадлежат към спирални или нагънати структури, се наричат ​​неподредени. В графично представяне спиралните секции са изобразени като цилиндър, а сгънатите структури са изобразени със стрелка. Разграничава се концепцията за надвторична структура, която е редовно редуване на а-спирални участъци и b-структури.

Третична структура- конформация на полипептидната верига като цяло (т.е. местоположение в триизмерното пространство). Третичната структура се стабилизира от връзки и взаимодействия между радикалите на аминокиселинните остатъци на полипептидната верига: ковалентна - дисулфидна връзка, както и водородни, йонни връзки и хидрофобно взаимодействие. Видове протеини с третична структура:

протеини, в които преобладават а-спиралните участъци, имат формата на глобула (глобуларни протеини) и изпълняват динамични функции;

протеини, които са доминирани от структурите на сгънатия b-слой, имат нишковидна (фибриларни протеини) форма и изпълняват структурни функции;

Колагенът е най-често срещаният протеин в животинския свят (до 25% от всички телесни протеини), има специална структура. Молекулата на колагена (тропоколаген) е изградена от три полипептидни вериги. Всяка полипептидна верига съдържа около 1000 аминокиселинни остатъка (35% глицин, 21% пролин и хидроксипролин, 11% аланин). Всяка полипептидна верига има конформация на тясна спирала (3 аминокиселинни остатъка на завой). В молекулата на тропоколагена и трите спирали са преплетени една с друга, образувайки турникет. Водородните връзки се образуват между спиралите поради пептидни групи. Тази структура осигурява здравината на колагеновите влакна.

Нативна протеинова структура.

Много протеини в третичната структура имат спирални, нагънати и неподредени сегменти. В същото време, във функционално и структурно отношение, взаимното разположение на аминокиселинните радикали е важно. Консумирайте следните условия:

домейни – анатомично разграничени области от третичната структура на протеина, отговорни за изпълнението на специфична функция на протеина;

хидрофобни джобове – кухини в третичната структура, облицовани с хидрофобни аминокиселинни радикали; служат за потапяне на хидрофобни лиганди в протеиновата молекула;

хидрофобни клъстери – участъци от протеиновата повърхност, където са концентрирани радикалите на хидрофобните аминокиселини; служат за взаимодействие с хидрофобни клъстери на други молекули.

За да изпълнява функция, протеинът трябва да има специфична и често единствена третична структура (конформация) - естествената структура.

Ориз. 3.9. Третична структура на лактоглобулин, типичен a/p протеин (съгласно PDB-200I) (Brownlow, S., Marais Cabral, J.H., Cooper, R., Flower, D.R., Yewdall, S.J., Polikarpov, I., North, A.C. , Сойер, Л.: Структура, 5, стр. 481. 1997)

Пространствената структура не зависи от дължината на полипептидната верига, а от последователността на аминокиселинните остатъци, специфични за всеки протеин, както и от страничните радикали, характерни за съответните аминокиселини. Пространствената триизмерна структура или конформация на протеиновите макромолекули се формира предимно от водородни връзки, както и от хидрофобни взаимодействия между неполярни странични радикали на аминокиселини. Водородните връзки играят огромна ролявъв формирането и поддържането на пространствената структура на протеиновата макромолекула. Между два електроотрицателни атома се образува водородна връзка посредством водороден протон, ковалентно свързан към един от тези атоми. Когато единственият електрон на водороден атом участва в образуването на електронна двойка, протонът се привлича към съседния атом, образувайки водородна връзка. Предпоставка за образуване на водородна връзка е наличието на поне една свободна електронна двойка при електроотрицателен атом. Що се отнася до хидрофобните взаимодействия, те възникват в резултат на контакт между неполярни радикали, които не са в състояние да разкъсат водородните връзки между водните молекули, които се изместват към повърхността на протеиновата глобула. Докато протеинът се синтезира, неполярните химични групи се събират вътре в кълбото, а полярните се изтласкват на повърхността му. По този начин, протеинова молекуламогат да бъдат неутрални, положително заредени или отрицателно заредени, в зависимост от pH на разтворителя и йонните групи в протеина. Слабите взаимодействия също включват йонни връзки и ван дер Ваалсови взаимодействия. В допълнение, конформацията на протеините се поддържа от ковалентна S-S облигацииобразувани между два цистеинови остатъка. В резултат на хидрофобни и хидрофилни взаимодействия протеиновата молекула спонтанно приема една или повече от термодинамично най-благоприятните конформации и ако нативната конформация бъде нарушена в резултат на външни въздействия, е възможно нейното пълно или почти пълно възстановяване. Това беше показано за първи път от K. Anfinsen, използвайки като пример каталитично активната протеинова рибонуклеаза. Оказа се, че когато е изложен на урея или р-меркаптоетанол, неговата конформация се променя и в резултат на това настъпва рязко намаляване на каталитичната активност. Отстраняването на уреята води до преминаване на конформацията на протеина в първоначалното му състояние и каталитичната активност се възстановява.

По този начин конформацията на протеините е триизмерна структура и в резултат на нейното образуване много атоми, разположени в отдалечени участъци на полипептидната верига, се приближават един към друг и, действайки един върху друг, придобиват нови свойства, които отсъстват в отделните амино киселини или малки полипептиди. Този т.нар третична структура, характеризиращ се с ориентацията на полипептидните вериги в пространството (фиг. 3.9). Третичната структура на глобуларните и фибриларните протеини се различава значително една от друга. Обичайно е да се характеризира формата на протеинова молекула чрез такъв показател като степента на асиметрия (съотношението на дългата ос на молекулата към късата). При глобуларните протеини степента на асиметрия е 3-5, а при фибриларните протеини тази стойност е много по-висока (от 80 до 150).

Как тогава първичните и вторичните разгънати структури се трансформират в сгъната, силно стабилна форма? Изчисленията показват, че броят на теоретично възможните комбинации за образуване на триизмерни структури от протеини е неизмеримо по-голям от реално съществуващите в природата. Очевидно най-енергийно благоприятните форми са основният фактор за конформационна стабилност.

Хипотезата за разтопената глобула. Един от начините за изследване на сгъването на полипептидна верига в триизмерна структура е денатурацията и последващото повторно насищане на протеинова молекула.

Експериментите на K. Anfinsen с рибонуклеаза ясно показват възможността за сглобяване точно на пространствената структура, която е била нарушена в резултат на денатурация (фиг. 3.10).

В този случай възстановяването на нативната конформация не изисква наличието на никакви допълнителни структури. Какви модели на нагъване на полипептидната верига в съответната конформация са най-вероятни? Една от широко разпространените хипотези за самоорганизация на протеини е хипотезата за разтопената глобула. В рамките на тази концепция се разграничават няколко етапа на самосглобяване на протеина.

• 1. В разгънатата полипептидна верига с помощта на водородни връзки и хидрофобни взаимодействия се образуват отделни участъци от вторичната структура, служещи като зародиш за образуването на цялостни вторични и супервторични структури.
• 2. Когато броят на тези места достигне определена прагова стойност, страничните радикали се преориентират и полипептидната верига преминава в нова, по-компактна форма, а броят на нековалентните връзки

Ориз. 3.10.

се увеличава значително. Характерна особеност на този етап е образуването на специфични контакти между атоми, разположени на отдалечени места на полипептидната верига, но които се оказаха близки в резултат на образуването на третична структура.

3. На последния етап се формира нативната конформация на протеиновата молекула, свързана със затварянето на дисулфидните връзки и окончателното стабилизиране на конформацията на протеина. Неспецифичното агрегиране също не е изключено.

полипстидни вериги, които могат да бъдат квалифицирани като грешки при образуването на нативни протеини. Частично нагъната полипептидна верига (стъпка 2) се нарича разтопена глобула, а сцената 3 е най-бавният при образуването на зрял протеин.

На фиг. 3.11 показва вариант на образуване на протеинова макромолекула, кодирана от един ген. Известно е обаче, че редица протеини, притежаващи домейн

Ориз. 3.11.

(според N.K. Nagradova) nuyu структура, се формира в резултат на дублиране на ген, а образуването на контакти между отделните домени изисква допълнителни усилия. Оказа се, че клетките имат специални механизми за регулиране на нагъването на новосинтезираните протеини. Понастоящем са открити два ензима, участващи в осъществяването на тези механизми. Една от бавните реакции на третия етап на сгъване на полипептидните вериги е *

Ориз. 3.12.

Освен това в клетките има редица каталитично неактивни протеини, които въпреки това имат голям принос за образуването на пространствени структури на протеини. Това са така наречените шаперони и шаперонини (фиг. 3.12). Един от откривателите на молекулярни шаперони, L. Ellis, ги нарича функционален клас протеинови семейства, които не са свързани помежду си, които спомагат за правилното нековалентно сглобяване на други полипептид-съдържащи структури in vivo, но не са част от сглобените структури и не участват в осъществяването на нормалните им физиологични функции.функции.

Шапероните подпомагат правилното сглобяване на триизмерната протеинова конформация чрез образуване на обратими, нековалентни комплекси с частично нагъната полипептидна верига, като същевременно инхибират неправилно формирани връзки, водещи до образуването на функционално неактивни протеинови структури. Списъкът от функции, присъщи на шапероните, включва защитата на разтопените глобули от агрегация, както и прехвърлянето на новосинтезирани протеини към различни клетъчни локуси. Шапероните са предимно протеини на топлинен шок, чийто синтез се увеличава рязко при излагане на стресова температура, поради което се наричат ​​още hsp (протеини на топлинен шок). Семейства от тези протеини се намират в микробни, растителни и животински клетки. Класификацията на шапероните се основава на техните молекулно тегло, която варира от 10 до 90 kDa. Като цяло функциите на шапероните и шаперонините се различават, въпреки че и двата са помощни протеини в процесите на формиране на триизмерната структура на протеините. Шапероните поддържат новосинтезираната полипептидна верига в разгънато състояние, предотвратявайки сгъването й във форма, различна от нативната, а шаперонините осигуряват условията за образуване на единствената правилна, естествена протеинова структура (фиг. 3.13).

Ориз. 3.13.

Шапероните / са свързани с нансцентна полипептидна верига, спускаща се от рибозомата. След образуването на полипептидната верига и освобождаването й от рибозомата, шапероните се свързват с нея и предотвратяват агрегацията. 2. След сгъване в цитоплазмата, протеините се отделят от шаперона и се прехвърлят към съответния шаперонин, където се извършва окончателното формиране на третичната структура. 3. С помощта на цитозолния шаперон протеините се придвижват към външната мембрана на митохондриите, където митохондриалният шаперон ги издърпва вътре в митохондриите и ги „прехвърля“ към митохондриалния шаперон, където се извършва сгъването. 4, и 5 е подобно 4 , но по отношение на ендоплазмения ретикулум.

МОДУЛ 1 СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И ФУНКЦИИ НА ПРОТЕИНИТЕ

МОДУЛ 1 СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И ФУНКЦИИ НА ПРОТЕИНИТЕ

Модулна единица 1 СТРУКТУРНА ОРГАНИЗАЦИЯ НА МОНОМЕРИЧНИТЕ ПРОТЕИНИ И ОСНОВАТА НА ТЯХНОТО ФУНКЦИОНИРАНЕ

Цели на обучението Да могат да:

1. Използвайте знания за структурните характеристики на протеините и зависимостта на протеиновите функции от тяхната структура, за да разберете механизмите на развитие на наследствени и придобити протеинопатии.

2. Обяснете механизмите на терапевтичното действие на определени лекарства като лиганди, които взаимодействат с протеини и променят тяхната активност.

3. Използвайте знания за структурата и конформационната лабилност на протеините, за да разберете тяхната структурна и функционална нестабилност и склонност към денатурация при променящи се условия.

4. Обяснете използването на денатуриращи агенти като средства за стерилизиране на медицински материали и инструменти, както и като антисептици.

Зная:

1. Нива на структурна организация на протеините.

2. Значението на първичната структура на протеините, която определя тяхното структурно и функционално разнообразие.

3. Механизмът на образуване на активния център в протеините и специфичното му взаимодействие с лиганда, който е в основата на функционирането на протеините.

4. Примери за влиянието на екзогенни лиганди (лекарства, токсини, отрови) върху конформацията и функционалната активност на протеините.

5. Причини и последици от денатурация на протеини, фактори, причиняващи денатурация.

6. Примери за използване на денатуриращи фактори в медицината като антисептици и средства за стерилизиране на медицински инструменти.

ТЕМА 1.1. СТРУКТУРНА ОРГАНИЗАЦИЯ НА БЕЛТЪЦИТЕ. ЕТАПИ НА ФОРМИРАНЕ НА НАТИВ

ПРОТЕИНОВИ КОНФОРМАЦИИ

Протеините са полимерни молекули, мономерите на които са само 20 α-аминокиселини. Наборът и редът на свързване на аминокиселини в протеин се определя от структурата на гените в ДНК на индивидите. Всеки протеин, в съответствие със специфичната си структура, изпълнява собствена функция. Наборът от протеини на даден организъм определя неговите фенотипни особености, както и наличието на наследствени заболявания или предразположеност към тяхното развитие.

1. Аминокиселини, които изграждат протеините. пептидна връзка.Протеините са полимери, изградени от мономери - 20 α-аминокиселини, чиято обща формула е

Аминокиселините се различават по структура, размер, физикохимични свойства на радикалите, свързани с α-въглеродния атом. Функционалните групи на аминокиселините определят характеристиките на свойствата на различните α-аминокиселини. Радикалите, открити в α-аминокиселините, могат да бъдат разделени на няколко групи:

пролин,за разлика от останалите 19 протеинови мономера, не аминокиселина, а иминокиселина, радикалът в пролина е свързан както с α-въглеродния атом, така и с иминогрупата

Аминокиселините се различават по своята разтворимост във вода.Това се дължи на способността на радикалите да взаимодействат с водата (да се хидратират).

ДА СЕ хидрофиленвключват радикали, съдържащи анионни, катионни и полярни незаредени функционални групи.

ДА СЕ хидрофобен"Алифатни вериги" включват радикали, съдържащи метилови групи, алифатни вериги или цикли.

2. Пептидните връзки свързват аминокиселините в пептиди.По време на синтеза на пептид, α-карбоксилната група на една аминокиселина взаимодейства с α-аминогрупата на друга аминокиселина, за да образува пептидна връзка:

Протеините са полипептиди, т.е. линейни полимери на свързани α-аминокиселини пептидна връзка(фиг. 1.1.)

Ориз. 1.1. Термини, използвани при описване на структурата на пептидите

Мономерите на аминокиселините, които изграждат полипептидите, се наричат аминокиселинни остатъци.Верига от повтарящи се групи - NH-CH-CO- форми пептиден скелет.Аминокиселинен остатък, който има свободна а-амино група, се нарича N-терминал, а този, който има свободна а-карбоксилна група, се нарича С-терминал. Пептидите се записват и четат от N-края до С-края.

Пептидната връзка, образувана от имино групата на пролина, се различава от другите пептидни връзки: азотният атом на пептидната група няма водород,

вместо това има връзка с радикала, в резултат на което едната страна на цикъла е включена в пептидния скелет:

Пептидите се различават по аминокиселинен състав, броя на аминокиселините и реда на аминокиселините, например Ser-Ala-Glu-Gis и His-Glu-Ala-Ser са два различни пептида.

Пептидните връзки са много силни и са необходими сурови условия за тяхната химическа неензимна хидролиза: анализираният протеин се хидролизира в концентрирана солна киселина при температура от около 110°C за 24 часа. В жива клетка пептидните връзки могат да бъдат разкъсани протеолитични ензими,Наречен протеазиили пептидни хидролази.

3. Първична структура на белтъците.Аминокиселинните остатъци в пептидните вериги на различни протеини не се редуват произволно, а са подредени в определен ред. Линейната последователност или последователност от аминокиселинни остатъци в полипептидна верига се нарича първичната структура на протеина.

Първичната структура на всеки отделен протеин е кодирана в ДНК молекула (в област, наречена ген) и се реализира по време на транскрипция (пренаписване на информация върху иРНК) и транслация (синтез на първичната структура на протеина). Следователно, първичната структура на протеините на отделен човек е информация, наследена от родители на деца, която определя структурните характеристики на протеините на даден организъм, от които зависи функцията на съществуващите протеини (фиг. 1.2.).

Ориз. 1.2. Връзката между генотипа и конформацията на протеините, синтезирани в тялото на индивида

Всеки от приблизително 100 000 отделни протеина в човешкото тяло има единствен по рода сипървична структура. Молекулите на един вид протеин (например албумин) имат еднакво редуване на аминокиселинни остатъци, което отличава албумина от всеки друг отделен протеин.

Последователността на аминокиселинните остатъци в пептидната верига може да се разглежда като форма на запис на информация. Тази информация определя пространственото нагъване на линейна пептидна верига в по-компактна триизмерна структура, наречена потвърждениекатерица. Процесът на образуване на функционално активна протеинова конформация се нарича сгъване.

4. Конформация на протеините.Възможно е свободно въртене в пептидния скелет между азотния атом на пептидната група и съседния α-въглероден атом, както и между α-въглеродния атом и въглерода на карбонилната група. Поради взаимодействието на функционални групи от аминокиселинни остатъци, първичната структура на протеините може да придобие по-сложни пространствени структури. В глобуларните протеини се разграничават две основни нива на сгъване на конформацията на пептидните вериги: вториИ третична структура.

Вторична структура на протеините- това е пространствена структура, образувана в резултат на образуването на водородни връзки между функционалните групи -C=O и -NH- на пептидния скелет. В този случай пептидната верига може да придобие правилни структури от два вида: α-спиралиИ β структури.

IN α-спиралиобразуват се водородни връзки между кислородния атом на карбонилната група и водорода на амидния азот на 4-та аминокиселина от него; странични вериги от аминокиселинни остатъци

разположени по периферията на спиралата, неучастващи във формирането на вторичната структура (фиг. 1.3.).

Обемните радикали или радикалите, носещи еднакви заряди, предотвратяват образуването на α-спирала. Пролиновият остатък, който има пръстенна структура, прекъсва α-спиралата, тъй като поради липсата на водород при азотния атом в пептидната верига е невъзможно да се образува водородна връзка. Връзката между азота и α-въглеродния атом е част от пролиновия цикъл, така че пептидният скелет придобива завой на това място.

β-Структурасе формира между линейните участъци на пептидния скелет на една полипептидна верига, като по този начин образува нагънати структури. Могат да се образуват полипептидни вериги или части от тях паралеленили антипаралелни β-структури.В първия случай N- и С-терминалите на взаимодействащите пептидни вериги съвпадат, а във втория случай те имат противоположна посока (фиг. 1.4).

Ориз. 1.3. Вторична структура на белтъка - α-спирала

Ориз. 1.4. Паралелни и антипаралелни β-нагънати структури

β-структурите са обозначени с широки стрелки: A - Антипаралелна β-структура. B - Паралелни β-нагънати структури

В някои протеини могат да се образуват β-структури поради образуването на водородни връзки между атомите на пептидния скелет на различни полипептидни вериги.

Среща се и в протеините зони с нередовни вторичниструктура, която включва завои, бримки, завои на полипептидния скелет. Те често се намират на места, където посоката на пептидната верига се променя, например по време на образуването на паралелна структура на β-лист.

По наличието на α-спирали и β-структури глобуларните протеини могат да бъдат разделени на четири категории.

Ориз. 1.5. Вторична структура на β-верига на миоглобин (A) и хемоглобин (B), съдържаща осем α-спирали

Ориз. 1.6. Вторична структура на триозофосфат изомераза и пируват киназен домен

Ориз. 1.7. Вторична структура на постоянен домен на имуноглобулин (A) и ензим супероксид дисмутаза (B)

IN четвърта категориявключени протеини, които имат в състава си малко количество правилни вторични структури. Тези протеини включват малки, богати на цистеин протеини или металопротеини.

Третична структура на протеин- тип конформация, образувана поради взаимодействия между аминокиселинни радикали, които могат да бъдат разположени на значително разстояние един от друг в пептидната верига. В този случай повечето протеини образуват пространствена структура, наподобяваща глобула (глобуларни протеини).

Тъй като хидрофобните радикали на аминокиселините са склонни да се комбинират с помощта на т.нар. хидрофобни взаимодействияи междумолекулни сили на Ван дер Ваалс, вътре в протеиновата глобула се образува плътно хидрофобно ядро. Хидрофилните йонизирани и нейонизирани радикали са разположени главно на повърхността на протеина и определят неговата разтворимост във вода.

Ориз. 1.8. Видове връзки, които възникват между аминокиселинните радикали по време на образуването на третичната структура на протеин

1 - йонна връзка- възниква между положително и отрицателно заредени функционални групи;

2 - водородна връзка- възниква между хидрофилната незаредена и всяка друга хидрофилна група;

3 - хидрофобни взаимодействия- възникват между хидрофобни радикали;

4 - дисулфидна връзка- се образува поради окисляването на SH-групите на цистеиновите остатъци и тяхното взаимодействие помежду си

Хидрофилните аминокиселинни остатъци вътре в хидрофобното ядро ​​могат да взаимодействат помежду си с помощта на йонниИ водородни връзки(фиг. 1.8).

Йонните и водородните връзки, както и хидрофобните взаимодействия са сред слабите: тяхната енергия леко надвишава енергията на топлинното движение на молекулите при стайна температура. Конформацията на протеина се поддържа от появата на много такива слаби връзки. Тъй като атомите, които изграждат протеина, са в постоянно движение, е възможно да се разкъсат някои слаби връзки и да се образуват други, което води до малки движения на отделни участъци от полипептидната верига. Това свойство на протеините да променят конформацията в резултат на разкъсване на едни и образуване на други слаби връзки се нарича конформационна лабилност.

Човешкото тяло има системи, които поддържат хомеостаза- постоянството на вътрешната среда в определени граници, приемливи за здрав организъм. При условия на хомеостаза малки промени в конформацията не нарушават цялостна структураи функцията на протеините. Функционално активната конформация на протеина се нарича нативна конформация.Промяната във вътрешната среда (например концентрацията на глюкоза, Ca йони, протони и др.) Води до промяна в конформацията и нарушаване на функциите на протеините.

Третичната структура на някои протеини се стабилизира дисулфидни връзки,образувани от взаимодействието на -SH групи на два остатъка

Ориз. 1.9. Образуването на дисулфидна връзка в протеинова молекула

цистеин (фиг. 1.9). Повечето вътреклетъчни протеини нямат ковалентни дисулфидни връзки в своята третична структура. Наличието им е характерно за секретираните от клетката протеини, което осигурява по-голямата им стабилност в извънклетъчни условия. И така, дисулфидни връзки присъстват в молекулите на инсулина и имуноглобулините.

Инсулин- протеинов хормон, синтезиран в β-клетките на панкреаса и секретиран в кръвта в отговор на повишаване на концентрацията на глюкоза в кръвта. В структурата на инсулина има две дисулфидни връзки, свързващи полипептидните А- и В-вериги, и една дисулфидна връзка вътре в А-веригата (фиг. 1.10).

Ориз. 1.10. Дисулфидни връзки в структурата на инсулина

5. Супер вторична структура на протеините.В протеини, различни по първична структура и функции, понякога подобни комбинации и интерпозиция на вторични структури,които се наричат ​​супервторична структура. Той заема междинна позиция между вторичните и третичните структури, тъй като е специфична комбинация от вторични структурни елементи по време на образуването на третичната структура на протеина. Свръхвторичните структури имат специфични имена като "α-спирала-въртяща се спирала", "левцинова ципа", "цинкови пръсти" и т.н. Такива супервторични структури са характерни за ДНК-свързващи протеини.

"Левцинова ципа".Този вид супер вторична структура се използва за свързване на два протеина. На повърхността на взаимодействащите протеини има α-спирални области, съдържащи най-малко четири левцинови остатъка. Левциновите остатъци в α-спиралата са разположени на шест аминокиселини една от друга. Тъй като всеки оборот на α-спиралата съдържа 3,6 аминокиселинни остатъка, левциновите радикали се намират на повърхността на всеки друг оборот. Левциновите остатъци на α-спиралата на един протеин могат да взаимодействат с левциновите остатъци на друг протеин (хидрофобни взаимодействия), като ги свързват заедно (фиг. 1.11.). Много ДНК-свързващи протеини функционират като част от олигомерни комплекси, където отделните субединици са свързани една с друга чрез "левцинови ципи".

Ориз. 1.11. "Левцинова ципа" между α-спиралните области на два протеина

Хистоните са пример за такива протеини. Хистони- ядрени протеини, които включват голям бройположително заредени аминокиселини - аргинин и лизин (до 80%). Молекулите на хистон се комбинират в олигомерни комплекси, съдържащи осем мономера с помощта на "левцинови закопчалки", въпреки значителния омонимен заряд на тези молекули.

"Цинков пръст"- вариант на свръхвторичната структура, характерна за ДНК-свързващите протеини, има формата на удължен фрагмент на повърхността на протеина и съдържа около 20 аминокиселинни остатъка (фиг. 1.12). Формата на "изпънатия пръст" се поддържа от цинков атом, свързан с четири аминокиселинни радикала - два цистеинови остатъка и два хистидинови остатъка. В някои случаи вместо хистидинови остатъци има цистеинови остатъци. Двата близко разположени цистеинови остатъка са разделени от другите два Gisili остатъка чрез Cys последователност от приблизително 12 аминокиселинни остатъка. Тази област на протеина образува α-спирала, чиито радикали могат специфично да се свържат с регулаторните области на главния жлеб на ДНК. Спецификата на обвързването на индивида

Ориз. 1.12. Първичната структура на част от ДНК-свързващи протеини, които образуват структурата на "цинков пръст" (буквите показват аминокиселините, които изграждат тази структура)

регулаторен ДНК-свързващ протеин зависи от последователността на аминокиселинните остатъци, разположени в "цинковия пръст". Такива структури съдържат по-специално рецептори за стероидни хормони, участващи в регулирането на транскрипцията (четене на информация от ДНК към РНК).

ТЕМА 1.2. ОСНОВИ НА ФУНКЦИОНИРАНЕТО НА ПРОТЕИНИТЕ. ЛЕКАРСТВАТА КАТО ЛИГАНДИ, ВЛИЯЩИ НА ФУНКЦИЯТА НА ПРОТЕИНИТЕ

1. Активният център на протеина и неговото взаимодействие с лиганда.По време на образуването на третичната структура, на повърхността на функционално активен протеин, обикновено във вдлъбнатина, се образува място, образувано от аминокиселинни радикали, които са далеч един от друг в първичната структура. Това място, което има уникална структура за даден протеин и е в състояние да взаимодейства специфично с определена молекула или група от подобни молекули, се нарича място за свързване на протеин с лиганд или активно място. Лигандите са молекули, които взаимодействат с протеини.

Висока специфичностВзаимодействието на протеина с лиганда се осигурява от комплементарността на структурата на активния център със структурата на лиганда.

взаимно допълванее пространственото и химическо съответствие на взаимодействащите си повърхности. Активният център трябва не само пространствено да съответства на лиганда, включен в него, но и между функционалните групи на радикалите, включени в активния център и лиганда, трябва да се образуват връзки (йонни, водородни и хидрофобни взаимодействия), които поддържат лиганда в активния център (фиг. 1.13).

Ориз. 1.13. Комплементарно взаимодействие на протеин с лиганд

Някои лиганди, когато са прикрепени към активния център на протеин, играят спомагателна роля във функционирането на протеините. Такива лиганди се наричат ​​кофактори, а протеините, които имат непротеинова част в състава си, се наричат сложни протеини(за разлика от простите протеини, състоящи се само от протеиновата част). Небелтъчната част, която е здраво свързана с протеина, се нарича протезна група.Например съставът на миоглобина, хемоглобина и цитохромите съдържа простетична група, здраво свързана с активния център - хем, съдържащ железен йон. Сложните протеини, съдържащи хем, се наричат ​​хемопротеини.

Когато специфични лиганди са прикрепени към протеини, функцията на тези протеини се проявява. По този начин албуминът, най-важният протеин в кръвната плазма, проявява своята транспортна функция чрез свързване на хидрофобни лиганди към активния център, като мастни киселини, билирубин, някои лекарства и др. (фиг. 1.14)

Лигандите, взаимодействащи с триизмерната структура на пептидната верига, могат да бъдат не само нискомолекулни органични и неорганични молекули, но и макромолекули:

ДНК (примери, обсъдени по-горе с ДНК-свързващи протеини);

полизахариди;

Ориз. 1.14. Връзка между генотип и фенотип

Уникалната първична структура на човешките протеини, кодирана в молекулата на ДНК, се реализира в клетките под формата на уникална конформация, структура на активно място и белтъчни функции.

В тези случаи протеинът разпознава специфична област на лиганда, която е съизмерима и допълваща мястото на свързване. Така че на повърхността на хепатоцитите има рецепторни протеини за хормона инсулин, който също има протеинова структура. Взаимодействието на инсулина с рецептора предизвиква промяна в неговата конформация и активиране на сигнални системи, което води до натрупване на хранителни вещества в хепатоцитите след хранене.

По този начин, Функционирането на протеините се основава на специфичното взаимодействие на активния център на протеина с лиганда.

2. Домейн структура и нейната роля във функционирането на протеините.Дългите полипептидни вериги от глобуларни протеини често се сгъват в няколко компактни, относително независими области. Те имат самостоятелна третична структура, наподобяваща тази на глобуларните белтъци и се наричат домейни.Поради доменната структура на протеините, тяхната третична структура се образува по-лесно.

В доменните протеини местата за свързване на лиганди често са разположени между домейни. И така, трипсинът е протеолитичен ензим, който се произвежда от екзокринната част на панкреаса и е необходим за смилането на хранителните протеини. Той има двудоменна структура, а мястото на свързване на трипсина с неговия лиганд – хранителен протеин – се намира в жлеба между двата домена. В активния център се създават условията, необходими за ефективното свързване на специфично място на хранителния протеин и хидролизата на неговите пептидни връзки.

Различните домени в протеина могат да се движат един спрямо друг, когато активният център взаимодейства с лиганда (фиг. 1.15).

Хексокиназа- ензим, който катализира фосфорилирането на глюкозата с помощта на АТФ. Активното място на ензима се намира в цепнатината между двата домена. Когато хексокиназата се свърже с глюкозата, околните домени се затварят и субстратът се улавя, където се извършва фосфорилиране (виж Фиг. 1.15).

Ориз. 1.15. Свързване на хексокиназни домени с глюкоза

В някои протеини домейните изпълняват независими функции чрез свързване с различни лиганди. Такива протеини се наричат ​​многофункционални.

3. Лекарства - лиганди, които влияят върху функцията на протеините.Взаимодействието на протеините с лигандите е специфично. Въпреки това, поради конформационната лабилност на протеина и неговия активен център, е възможно да се избере друго вещество, което също би могло да взаимодейства с протеина в активното място или друга част от молекулата.

Нарича се вещество, което е подобно по структура на естествен лиганд структурен аналог на лигандаили неестествен лиганд. Той също така взаимодейства с протеин в активния център. Структурен аналог на лиганда може както да подобри протеиновата функция (агонист)и го намалете (антагонист).Лигандът и неговите структурни аналози се конкурират помежду си за свързване с протеин на едно и също място. Такива вещества се наричат конкурентни модулатори(регулатори) на протеиновите функции. Много лекарства действат като протеинови инхибитори. Някои от тях се получават чрез химическа модификация на естествени лиганди. Инхибиторите на протеиновата функция могат да бъдат лекарства и отрови.

Атропинът е конкурентен инхибитор на М-холинергичните рецептори.Ацетилхолин - трансмисионен невротрансмитер нервен импулсчрез холинергични синапси. За да проведе възбуждане, ацетилхолинът, освободен в синаптичната цепнатина, трябва да взаимодейства с протеина - рецептора на постсинаптичната мембрана. Открити са два вида холинергични рецептори:

М-рецепторв допълнение към ацетилхолина, той избирателно взаимодейства с мускарин (токсин от мухоморка). М - холинергичните рецептори присъстват върху гладките мускули и при взаимодействие с ацетилхолин причиняват тяхното свиване;

Н-рецепторсе свързва специфично с никотина. N-холинергичните рецептори се намират в синапсите на набраздените скелетни мускули.

специфичен инхибитор М-холинергични рецепторие атропин. Намира се в растенията беладона и кокошка.

Атропинът има функционални групи и тяхното пространствено разположение, подобно на ацетилхолин в неговата структура, поради което принадлежи към конкурентни инхибитори на М-холинергичните рецептори. Като се има предвид, че свързването на ацетилхолин с М-холинергичните рецептори причинява свиване на гладките мускули, атропинът се използва като лекарство, което облекчава техния спазъм. (спазмолитично).Така е известно използването на атропин за отпускане на очните мускули при гледане на фундуса, както и за облекчаване на спазми при стомашно-чревни колики. М-холинергичните рецептори също присъстват в централната нервна система(ЦНС), следователно, големи дози атропин могат да причинят нежелана реакция от страна на централната нервна система: двигателна и умствена възбуда, халюцинации, конвулсии.

Дитилин е конкурентен агонист на Н-холинергичните рецептори, който инхибира функцията на нервно-мускулните синапси.

Нервно-мускулните синапси на скелетните мускули съдържат Н-холинергични рецептори. Взаимодействието им с ацетилхолина води до мускулни контракции. При някои хирургични операции, както и при ендоскопски изследвания, се използват лекарства, които предизвикват релаксация на скелетната мускулатура. (мускулни релаксанти).Те включват дитилин, който е структурен аналог на ацетилхолина. Той се свързва с Н-холинергичните рецептори, но за разлика от ацетилхолина, много бавно се разрушава от ензима ацетилхолинестераза. В резултат на продължителното отваряне на йонните канали и постоянната деполяризация на мембраната се нарушава провеждането на нервния импулс и настъпва мускулна релаксация. Първоначално тези свойства са открити в отровата кураре, поради което се наричат ​​такива лекарства curariform.

ТЕМА 1.3. ДЕНАТУРАЦИЯ НА ПРОТЕИНИ И ВЪЗМОЖНОСТТА ЗА ТЯХНАТА СПОНТАННА РЕНАТИВАЦИЯ

1. Тъй като естествената конформация на протеините се поддържа поради слаби взаимодействия, промени в състава и свойствата на околната среда около протеина, излагане на химически реагенти и физически факторипредизвикват изменение на тяхната конформация (свойство конформационна лабилност). Разкъсването на голям брой връзки води до разрушаване на нативната конформация и денатурация на протеина.

Денатурация на протеини- това е разрушаването на тяхната естествена конформация под действието на денатуриращи агенти, причинено от разрушаването на слаби връзки, които стабилизират пространствената структура на протеина. Денатурацията е придружена от разрушаване на уникалната триизмерна структура и активен център на протеина и загуба на неговата биологична активност (фиг. 1.16).

Всички денатурирани молекули на един протеин придобиват произволна конформация, която се различава от другите молекули на същия протеин. Аминокиселинните радикали, които образуват активния център, се оказват пространствено отдалечени един от друг, т.е. специфичното място на свързване на протеина с лиганда се разрушава. По време на денатурацията първичната структура на протеините остава непроменена.

Използването на денатуриращи агенти в биологичните изследвания и медицината.При биохимичните изследвания, преди определянето на нискомолекулни съединения в биологичен материал, протеините обикновено първо се отстраняват от разтвора. За тази цел най-често се използва трихлороцетна киселина (TCA). След добавяне на TCA към разтвора, денатурираните протеини се утаяват и лесно се отстраняват чрез филтруване (Таблица 1.1.)

В медицината денатуриращите агенти често се използват за стерилизиране на медицински инструменти и материали в автоклави (денатуриращ агент - висока температура) и като антисептици (алкохол, фенол, хлорамин) за третиране на замърсени повърхности, съдържащи патогенна микрофлора.

2. Спонтанна регенерация на протеини- доказване на детерминизма на първичната структура, конформация и функция на протеините. Индивидуалните протеини са продукти на един ген, които имат идентична аминокиселинна последователност и придобиват същата конформация в клетката. Фундаменталното заключение, че първичната структура на протеина вече съдържа информация за неговата конформация и функция, беше направено въз основа на способността на някои протеини (по-специално рибонуклеаза и миоглобин) към спонтанна ренативация - възстановяване на тяхната естествена конформация след денатурация.

Образуването на пространствените структури на протеина се осъществява по метода на самосглобяване - спонтанен процес, при който полипептидната верига, която има уникална първична структура, се стреми да приеме в разтвор конформацията с най-малката безплатна енергия. Способността да се регенерират протеини, които запазват първичната си структура след денатурация, е описана в експеримент с ензима рибонуклеаза.

Рибонуклеазата е ензим, който разрушава връзките между отделните нуклеотиди в РНК молекулата. Този глобуларен протеин има една полипептидна верига, чиято третична структура е стабилизирана от много слаби и четири дисулфидни връзки.

Третирането на рибонуклеазата с урея, която разрушава водородните връзки в молекулата, и редуциращ агент, който разрушава дисулфидните връзки, води до денатурация на ензима и загуба на неговата активност.

Отстраняването на денатуриращите агенти чрез диализа води до възстановяване на протеиновата конформация и функция, т.е. към реанимация. (фиг. 1.17).

Ориз. 1.17. Денатурация и ренативация на рибонуклеаза

А - нативна конформация на рибонуклеаза, в третичната структура на която има четири дисулфидни връзки; B - денатурирана рибонуклеазна молекула;

B - ренативна рибонуклеазна молекула с възстановена структура и функция

1. Попълнете таблица 1.2.

Таблица 1.2. Класификация на аминокиселините според полярността на радикалите

2. Напишете формулата на тетрапептида:

Asp - Pro - Fen - Liz

а) изолиране на повтарящите се групи в пептида, които образуват пептидния скелет и променливите групи, представени от аминокиселинни радикали;

б) означават N- и С-краищата;

в) подчертайте пептидните връзки;

г) напишете друг пептид, състоящ се от същите аминокиселини;

д) пребройте броя на възможните тетрапептидни варианти с подобен аминокиселинен състав.

3. Обяснете ролята на първичната структура на протеините на примера на сравнителен анализ на два структурно подобни и еволюционно близки пептидни хормони на неврохипофизата на бозайниците - окситоцин и вазопресин (Таблица 1.3).

Таблица 1.3. Структура и функция на окситоцин и вазопресин

За това:

а) сравнете състава и аминокиселинната последователност на двата пептида;

б) установете сходството на първичната структура на двата пептида и сходството на биологичното им действие;

в) открийте разликите в структурата на двата пептида и разликата във функциите им;

г) направете заключение за влиянието на първичната структура на пептидите върху техните функции.

4. Опишете основните етапи в образуването на конформацията на глобуларните протеини (вторични, третични структури, концепцията за супервторична структура). Посочете видовете връзки, участващи в образуването на протеинови структури. Кои аминокиселинни радикали могат да участват в образуването на хидрофобни взаимодействия, йонни, водородни връзки.

Дай примери.

5. Дефинирайте понятието "конформационна лабилност на протеините", посочете причините за неговото съществуване и значение.

6. Обяснете значението на следната фраза: „Протеините функционират въз основа на тяхното специфично взаимодействие с лиганд“, като използвате термини и обяснете значението им: протеинова конформация, активно място, лиганд, комплементарност, протеинова функция.

7. Като използвате един от примерите, обяснете какво представляват домейните и каква е тяхната роля във функционирането на протеините.

ЗАДАЧИ ЗА САМОКОНТРОЛ

1. Задайте съвпадение.

Функционална група в аминокиселинния радикал:

A. Карбоксилна група B. Хидроксилна група C Гуанидинова група D. Тиолова група E. Амино група

2. Избери верния отговор.

Аминокиселините с полярни незаредени радикали са:

А. Цис Б. Асн

Б. Глу Г. Три

3. Избери верния отговор.

Аминокиселинни радикали:

А. Осигуряват спецификата на първичната структура Б. Участват във формирането на третичната структура

Б. Намиращи се на повърхността на белтъка, влияят на неговата разтворимост Г. Образуват активен център

Г. Участват в образуването на пептидни връзки

4. Избери верния отговор.

Между аминокиселинните радикали могат да се образуват хидрофобни взаимодействия:

A. Tre Lay B. Pro Three

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

5. Избери верния отговор.

Йонни връзки могат да се образуват между аминокиселинни радикали:

A. Gln Asp B. Apr Liz

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

6. Избери верния отговор.

Между аминокиселинните радикали могат да се образуват водородни връзки:

A. Ser Gln B. Cis Tre

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

7. Задайте съвпадение.

Типът връзка, участващ в образуването на протеиновата структура:

А. Първична структура Б. Вторична структура

Б. Третична структура

D. Супервторична структура E. Конформация.

1. Водородни връзки между атомите на пептидния скелет

2. Слаби връзки между функционалните групи на аминокиселинните радикали

3. Връзки между α-амино и α-карбоксилни групи на аминокиселините

8. Избери верния отговор. Трипсин:

А. Протеолитичен ензим Б. Съдържа два домена

Б. Хидролизира нишестето

Г. Активният център е разположен между домейни. D. Състои се от две полипептидни вериги.

9. Избери верния отговор. Атропин:

А. Невротрансмитер

B. Структурен аналог на ацетилхолина

Б. Взаимодейства с Н-холинергичните рецептори

G. Подобрява провеждането на нервен импулс през холинергичните синапси

Г. Конкурентен инхибитор на М-холинергичните рецептори

10. Изберете правилните твърдения. В протеини:

A. Първичната структура съдържа информация за структурата на нейния активен център

Б. Активният център се формира на нивото на първичната структура

B. Конформацията е твърдо фиксирана от ковалентни връзки

D. Активният център може да взаимодейства с група подобни лиганди

поради конформационната лабилност на протеините D. Промяна заобикаляща среда, може да повлияе на афинитета на активния

център към лиганда

1. 1-C, 2-D, 3-B.

3. A, B, C, D.

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

8. A, B, C, D.

ОСНОВНИ ТЕРМИНИ И ПОНЯТИЯ

1. Протеин, полипептид, аминокиселини

2. Първични, вторични, третични протеинови структури

3. Конформация, естествена протеинова конформация

4. Ковалентни и слаби връзки в белтък

5. Конформационна лабилност

6. Протеинов активен център

7. Лиганди

8. Сгъване на протеини

9. Структурни аналози на лиганди

10. Домейн протеини

11. Прости и сложни протеини

12. Денатурация на протеини, денатуриращи агенти

13. Регенерация на протеини

Решавам проблеми

"Структурна организация на протеините и основата на тяхното функциониране"

1. Основната функция на протеина - хемоглобин А (HbA) - е транспортирането на кислород до тъканите. познати в човешката популация форми за множествено числона този протеин с променени свойства и функция – така наречените абнормни хемоглобини. Например, установено е, че хемоглобин S, открит в еритроцитите на пациенти със сърповидно-клетъчна анемия (HbS), има ниска разтворимост при условия на ниско кислородно парциално налягане (както се случва във венозната кръв). Това води до образуването на агрегати от този протеин. Протеинът губи своята функция, утаява се и еритроцитите придобиват неправилна форма(някои от тях образуват сърповидна форма) и се разрушават по-бързо от обикновено в далака. В резултат на това се развива сърповидно-клетъчна анемия.

Единствената разлика в първичната структура на HvA е открита в N-терминалната област на β-веригата на хемоглобина. Сравнете N-терминалните области на β-веригата и покажете как промените в първичната структура на протеина влияят на неговите свойства и функции.

За това:

а) напишете формулите на аминокиселините, по които HvA се различават и сравнете свойствата на тези аминокиселини (полярност, заряд).

б) направете заключение за причината за намаляването на разтворимостта и нарушаването на транспорта на кислород в тъканта.

2. Фигурата показва диаграма на структурата на протеин, който има лиганд-свързващ център (активен център). Обяснете защо протеинът е селективен при избора на лиганд. За това:

а) помнете какъв е активният център на протеина и разгледайте структурата на активния център на протеина, показан на фигурата;

б) напишете формулите на аминокиселинните радикали, които изграждат активния център;

в) начертайте лиганд, който може специфично да взаимодейства с активния център на протеина. Посочете върху него функционалните групи, способни да образуват връзки с аминокиселинните радикали, които изграждат активния център;

г) посочете видовете връзки, които възникват между лиганда и аминокиселинните радикали на активния център;

д) Обяснете основата за спецификата на взаимодействието на протеин с лиганд.

3. Фигурата показва активното място на протеина и няколко лиганда.

Определете кой от лигандите е най-вероятно да взаимодейства с активния център на протеина и защо.

Какви видове връзки възникват по време на образуването на комплекса протеин-лиганд?

4. Структурни аналози на естествени протеинови лиганди могат да се използват като лекарства за промяна на активността на протеините.

Ацетилхолинът е медиатор на предаването на възбуждане в нервно-мускулните синапси. Когато ацетилхолинът взаимодейства с протеини - рецептори на постсинаптичната мембрана на скелетните мускули, йонните канали се отварят и възниква мускулна контракция. Дитилин е лекарство, използвано при някои операции за отпускане на мускулите, тъй като нарушава предаването на нервните импулси през нервно-мускулните синапси. Обяснете механизма на действие на дитилин като мускулен релаксант. За това:

а) напишете формулите на ацетилхолин и дитилин и сравнете техните структури;

б) опишете механизма на релаксиращото действие на дитилина.

5. При някои заболявания телесната температура на пациента се повишава, което се счита за защитна реакция на организма. Високите температури обаче са вредни за телесните протеини. Обяснете защо при температури над 40 °C функционирането на белтъците се нарушава и възниква заплаха за човешкия живот. За да направите това, запомнете:

1) Структурата на протеините и връзките, които държат структурата му в естествената конформация;

2) Как се променя структурата и функцията на протеините с повишаване на температурата?;

3) Какво е хомеостаза и защо е важно да се поддържа човешкото здраве.

Модулна единица 2 ОЛИГОМЕРНИ ПРОТЕИНИ КАТО МИШЕНИ ЗА РЕГУЛАТОРНО ВЪЗДЕЙСТВИЕ. СТРУКТУРНО И ФУНКЦИОНАЛНО РАЗНООБРАЗИЕ НА ПРОТЕИНИ. МЕТОДИ ЗА ОТДЕЛЯНЕ И ПРЕЧИСТВАНЕ НА ПРОТЕИНИ

Цели на обучението Да могат да:

1. Използвайте знания за характеристиките на структурата и функциите на олигомерните протеини, за да разберете адаптивните механизми за регулиране на техните функции.

2. Обяснете ролята на шапероните в синтеза и поддържането на протеиновата конформация в клетката.

3. Да се ​​обясни разнообразието от прояви на живота чрез разнообразието от структури и функции на протеините, синтезирани в тялото.

4. Анализирайте връзката между структурата на протеините и тяхната функция чрез сравняване на свързани хемопротеини - миоглобин и хемоглобин, както и представители на пет класа протеини от семейството на имуноглобулините.

5. Приложете знания за характеристиките на физикохимичните свойства на протеините, за да изберете методи за тяхното пречистване от други протеини и примеси.

6. Интерпретирайте резултатите от количествения и качествен състав на протеините в кръвната плазма за потвърждаване или изясняване на клиничната диагноза.

Зная:

1. Характеристики на структурата на олигомерните протеини и адаптивните механизми за регулиране на техните функции на примера на хемоглобина.

2. Структурата и функциите на шапероните и тяхното значение за поддържане на естествената конформация на протеините в клетката.

3. Принципи на групиране на протеини в семейства според сходството на тяхната конформация и функции на примера на имуноглобулините.

4. Методи за разделяне на протеини въз основа на характеристиките на техните физикохимични свойства.

5. Електрофорезата на кръвната плазма като метод за оценка на качествения и количествения състав на белтъците.

ТЕМА 1.4. ХАРАКТЕРИСТИКИ НА СТРУКТУРАТА И ФУНКЦИОНИРАНЕТО НА ОЛИГОМЕРНИ ПРОТЕИНИ НА ПРИМЕРА НА ХЕМОГЛОБИН

1. Много протеини съдържат няколко полипептидни вериги. Такива протеини се наричат олигомерен,и отделни вериги протомери.Протомерите в олигомерните протеини са свързани чрез множество слаби нековалентни връзки (хидрофобни, йонни, водородни). Взаимодействие

протомери се осъществява благодарение на взаимно допълванетехните контактни повърхности.

Броят на протомерите в олигомерните протеини може да варира значително: хемоглобинът съдържа 4 протомера, ензимът аспартат аминотрансфераза - 12 протомера, а протеинът на вируса на тютюневата мозайка включва 2120 протомера, свързани с нековалентни връзки. Следователно олигомерните протеини могат да имат много високо молекулно тегло.

Взаимодействието на един протомер с други може да се разглежда като специален случай на взаимодействие на протеин с лиганд, тъй като всеки протомер служи като лиганд за други протомери. Броят и методът на свързване на протомерите в протеина се наричат кватернерна протеинова структура.

Протеините могат да съдържат протомери с еднаква или различна структура, например хомодимерите са протеини, съдържащи два идентични протомера, а хетеродимерите са протеини, съдържащи два различни протомера.

Ако протеините съдържат различни протомери, тогава върху тях могат да се образуват свързващи центрове с различни лиганди, които се различават по структура. Когато лигандът се свърже с активния център, функцията на този протеин се проявява. Център, разположен върху различен протомер, се нарича алостеричен (различен от активен). Свързване алостеричен лиганд или ефектор,той изпълнява регулаторна функция (фиг. 1.18). Взаимодействието на алостеричния център с ефектора причинява конформационни промени в структурата на целия олигомерен протеин поради неговата конформационна лабилност. Това засяга афинитета на активното място към специфичен лиганд и регулира функцията на този протеин. Промяна в конформацията и функцията на всички протомери по време на взаимодействието на олигомерен протеин с поне един лиганд се нарича кооперативна конформационна промяна. Ефекторите, които подобряват функцията на протеините, се наричат активатории ефектори, които потискат неговата функция - инхибитори.

По този начин в олигомерните протеини, както и протеините с доменна структура, се появява ново свойство в сравнение с мономерните протеини - способността за алостерична регулация на функциите (регулация чрез прикрепване на различни лиганди към протеина). Това може да се види чрез сравняване на структурите и функциите на двата тясно свързани комплексни протеина миоглобин и хемоглобин.

Ориз. 1.18. Диаграма на структурата на димерен протеин

2. Образуване на пространствени структури и функциониране на миоглобина.

Миоглобинът (Mb) е протеин, открит в червените мускули, чиято основна функция е създаването на O 2 резерви, необходими за интензивна мускулна работа. MB е сложен протеин, съдържащ протеинова част - apoMB и небелтъчна част - хем. Първичната структура на apoMB определя неговата компактна глобуларна конформация и структурата на активния център, към който е прикрепена небелтъчната част на миоглобина, хем. Кислородът от кръвта към мускулите се свързва с Fe + 2 хема в състава на миоглобина. MB е мономерен протеин с много висок афинитет към O 2, следователно кислородът се освобождава от миоглобина само по време на интензивна мускулна работа, когато парциалното налягане на O 2 рязко намалява.

Образуване на конформация MB.В червените мускули, върху рибозомите по време на транслацията, се осъществява синтезът на първичната структура на MB, представена от специфична последователност от 153 аминокиселинни остатъка. Вторичната структура на Mv съдържа осем α-спирали, наречени латински букви от A до H, между които има неспирализирани участъци. Третичната структура на Mv има формата на компактна глобула, във вдлъбнатината на която между α-спиралите F и E има активен център (фиг. 1.19).

Ориз. 1.19. Структура на миоглобина

3. Характеристики на структурата и функционирането на активния център на MV.Активният център на Mv се формира главно от хидрофобни аминокиселинни радикали, които са далеч един от друг в първичната структура (например, Tri 3 9 и Phen 138) Лигандите, слабо разтворими във вода, хем и O 2, са прикрепени към активния център. Хемът е специфичен apoMv лиганд (фиг. 1.20), който се основава на четири пиролови пръстена, свързани с метенилни мостове; в центъра има Fe+ 2 атом, свързан с азотните атоми на пироловите пръстени чрез четири координационни връзки. В допълнение към хидрофобните радикали на аминокиселините, активният център на Mv също съдържа остатъци от две аминокиселини с хидрофилни радикали - Гис Е 7(Gis 64) и Gis F 8(His 93) (фиг. 1.21).

Ориз. 1.20. Структурата на хема - непротеиновата част на миоглобина и хемоглобина

Ориз. 1.21. Местоположение на хема и O 2 в активния център на апомиоглобина и протомерите на хемоглобина

Хем е ковалентно свързан с His F 8 чрез железен атом. O 2 се прикрепя към желязото от другата страна на равнината на хема. Неговият E 7 е необходим за правилната ориентация на O 2 и улеснява добавянето на кислород към Fe + 2 хема

Gis F 8образува координационна връзка с Fe+ 2 и здраво фиксира хема в активния център. Гис Е 7е необходим за правилната ориентация в активния център на друг лиганд - O 2 по време на взаимодействието му с Fe + 2 хема. Микросредата на хема създава условия за силно, но обратимо свързване на O 2 с Fe + 2 и предотвратява навлизането на вода в хидрофобния активен център, което може да доведе до окисляването му до Fe + 3 .

Мономерната структура на MB и неговия активен център обуславят високия афинитет на протеина към O 2 .

4. Олигомерна структура на Hb и регулиране на афинитета на Hb към O 2 от лиганди. Човешки хемоглобини- семейство протеини, както и миоглобин, свързан със сложни протеини (хемопротеини). Те имат тетрамерна структура и съдържат две α-вериги, но се различават по структурата на другите две полипептидни вериги (2α-, 2x-вериги). Структурата на втората полипептидна верига определя характеристиките на функционирането на тези форми на Hb. Около 98% от хемоглобина в еритроцитите на възрастни е хемоглобин А(2α-, 2p-вериги).

По време на развитието на плода има два основни типа хемоглобини: ембрионален HB(2α, 2ε), който се намира в ранните етапи на развитие на плода, и хемоглобин F (фетален)- (2α, 2γ), който замества ранния фетален хемоглобин през шестия месец от развитието на плода и се замества от Hb A едва след раждането.

Hv A е протеин, свързан с миоглобина (Mv), открит в еритроцитите на възрастни. Структурата на отделните му протомери е подобна на тази на миоглобина. Вторичните и третичните структури на миоглобина и протомерите на хемоглобина са много сходни, въпреки факта, че само 24 аминокиселинни остатъка са идентични в първичната структура на техните полипептидни вериги (вторичната структура на протомерите на хемоглобина, подобно на миоглобина, съдържа осем α-спирали, се обозначава с латински букви от A до H, а третичната структура има формата на компактна глобула). Но за разлика от миоглобина, хемоглобинът има олигомерна структура, състои се от четири полипептидни вериги, свързани с нековалентни връзки (Фигура 1.22).

Всеки Hb протомер е свързан с небелтъчна част - хем и съседни протомери. Връзката на протеиновата част на Hb с хема е подобна на тази на миоглобина: в активния център на протеина хидрофобните части на хема са заобиколени от хидрофобни аминокиселинни радикали, с изключение на His F 8 и His E 7 , които са разположени от двете страни на равнината на хема и играят подобна роля във функционирането на протеина и свързването му с кислорода (виж структурата на миоглобина).

Ориз. 1.22. Олигомерна структура на хемоглобина

Освен това, Гис Е 7извършва важен допълнителна ролявъв функционирането на НВ. Свободният хем има 25 000 пъти по-висок афинитет към CO, отколкото към O 2 . CO се образува в малки количества в тялото и, предвид високия му афинитет към хема, може да наруши транспорта на O 2, необходим за живота на клетките. Въпреки това, в състава на хемоглобина, афинитетът на хема към въглеродния оксид надвишава афинитета към O 2 само 200 пъти поради наличието на E 7 в активния център на His. Остатъкът от тази аминокиселина създава оптимални условия за свързване на хема с О2 и отслабва взаимодействието на хема с СО.

5. Основната функция на Hb е транспортирането на O 2 от белите дробове до тъканите.За разлика от мономерния миоглобин, който има много висок афинитет към O 2 и изпълнява функцията за съхранение на кислород в червените мускули, олигомерната структура на хемоглобина осигурява:

1) бързо насищане на Hb с кислород в белите дробове;

2) способността на Hb да освобождава кислород в тъканите при относително високо парциално налягане на O 2 (20-40 mm Hg);

3) възможността за регулиране на афинитета на Hb към O 2 .

6. Кооперативните промени в конформацията на протомерите на хемоглобина ускоряват свързването на O 2 в белите дробове и връщането му в тъканите. В белите дробове високото парциално налягане на O2 насърчава свързването му с Hb в активното място на четири протомера (2α и 2β). Активният център на всеки протомер, както в миоглобина, е разположен между две α-спирали (F и E) в хидрофобен джоб. Съдържа непротеинова част - хем, прикрепен към протеиновата част чрез много слаби хидрофобни взаимодействия и една силна връзка между Fe 2 + хем и His F 8 (виж фиг. 1.21).

В дезоксихемоглобина, поради тази връзка с His F 8, Fe 2 + атомът излиза от равнината на хема към хистидина. Свързването на O 2 с Fe 2 + се осъществява от другата страна на хема в His E 7 региона с помощта на единична свободна координационна връзка. Неговият Е 7 осигурява оптимални условия за свързване на O 2 с хем желязо.

Добавянето на O 2 към Fe +2 атома на един протомер го кара да се премести в равнината на хема, а зад него свързаният с него хистидинов остатък

Ориз. 1.23. Промяна в конформацията на протомера на хемоглобина при комбиниране с О2

Това води до промяна в конформацията на всички полипептидни вериги поради тяхната конформационна лабилност. Промяната на конформацията на други вериги улеснява тяхното взаимодействие със следващите O 2 молекули.

Четвъртата молекула O 2 се свързва с хемоглобина 300 пъти по-лесно от първата (фиг. 1.24).

Ориз. 1.24. Кооперативни промени в конформацията на протомерите на хемоглобина по време на взаимодействието му с О2

В тъканите всяка следваща O 2 молекула се отцепва по-лесно от предишната, също поради кооперативни промени в конформацията на протомера.

7. CO 2 и H +, образувани по време на катаболизма органична материя, намаляват афинитета на хемоглобина към O 2 пропорционално на тяхната концентрация. Енергията, необходима за функционирането на клетките, се произвежда главно в митохондриите по време на окисляването на органични вещества с помощта на O 2, доставян от белите дробове от хемоглобина. В резултат на окисляването на органичните вещества, крайни продуктитяхното разпадане: CO 2 и K 2 O, чието количество е пропорционално на интензивността на протичащите окислителни процеси.

CO 2 дифундира от клетките в кръвта и прониква в еритроцитите, където под действието на ензима карбанхидраза се превръща в карбонова киселина. Тази слаба киселина се дисоциира на протон и бикарбонатен йон.

H+ могат да се присъединят към GIS радикалите 14 6 в α- и β-вериги на хемоглобина, т.е. в райони, далеч от хема. Протонирането на хемоглобина намалява неговия афинитет към O 2, насърчава елиминирането на O 2 от oxyHb, образуването на deoxyHb и увеличава доставката на кислород към тъканите пропорционално на броя на образуваните протони (фиг. 1.25).

Увеличаването на количеството освободен кислород в зависимост от увеличаването на концентрацията на H + в еритроцитите се нарича ефект на Бор (на името на датския физиолог Кристиан Бор, който пръв открива този ефект).

В белите дробове високото парциално налягане на кислорода насърчава свързването му с deoxyHb, което намалява афинитета на протеина към H+. Освободените протони под действието на карбанхидраза взаимодействат с бикарбонати, за да образуват CO 2 и H 2 O

Ориз. 1.25. Зависимостта на афинитета на Hb към O 2 от концентрацията на CO 2 и протони (ефект на Бор):

А- влияние на концентрацията на CO 2 и H+ върху освобождаването на O 2 от комплекса с Hb (ефект на Бор); б- оксигенация на дезоксихемоглобина в белите дробове, образуване и освобождаване на CO 2 .

Полученият CO 2 навлиза в алвеоларното пространство и се отстранява с издишания въздух. По този начин количеството кислород, отделено от хемоглобина в тъканите, се регулира от продуктите на катаболизма на органичните вещества: колкото по-интензивно е разграждането на веществата, например по време на физическо натоварване, толкова по-висока е концентрацията на CO 2 и H + и толкова повече кислород, който тъканите получават в резултат на намаляване на афинитета на Н към О2.

8. Алостерична регулация на Hb афинитета към O 2 от лиганд - 2,3-бисфосфоглицерат.В еритроцитите алостеричният лиганд на хемоглобина, 2,3-бисфосфоглицерат (2,3-BPG), се синтезира от продукта на окисление на глюкозата - 1,3-бисфосфоглицерат. При нормални условия концентрацията на 2,3-BPG е висока и сравнима с тази на Hb. 2,3-BPG има силен отрицателен заряд от -5.

Бисфосфоглицератът в тъканните капиляри, чрез свързване с деоксихемоглобина, повишава отделянето на кислород в тъканите, намалявайки афинитета на Hb към O 2 .

В центъра на тетрамерната молекула на хемоглобина има кухина. Образува се от аминокиселинните остатъци на четирите протомера (виж фиг. 1.22). В тъканните капиляри протонирането на Hb (ефектът на Бор) разрушава връзката между хем желязото и O 2 . В една молекула

дезоксихемоглобин, в сравнение с оксихемоглобин, се появяват допълнителни йонни връзки, които свързват протомерите, в резултат на което размерът на централната кухина се увеличава в сравнение с оксихемоглобина. Централната кухина е мястото на свързване на 2,3-BPG към хемоглобина. Поради разликата в размера на централната кухина, 2,3-BPG може да се прикрепи само към деоксихемоглобина.

2,3-BPG взаимодейства с хемоглобина в регион, отдалечен от активните места на протеина и принадлежи към алостеричен(регулаторни) лиганди, а централната кухина е Hb алостеричен център. 2,3-BPG има силен отрицателен заряд и взаимодейства с пет положително заредени групи от две β-вериги на Hb: N-терминалната α-амино група Val и радикалите Lys 82 Gis 143 (фиг. 1.26).

Ориз. 1.26. BPG в централната кухина на деоксихемоглобина

BPG се свързва с три положително заредени групи във всяка β-верига.

В тъканните капиляри полученият деоксихемоглобин взаимодейства с 2,3-BPG и се образуват йонни връзки между положително заредените радикали на β-вериги и отрицателно заредения лиганд, които променят конформацията на протеина и намаляват афинитета на Hb към O 2 . Намаляването на афинитета на Hb към O 2 допринася за по-ефективното освобождаване на O 2 в тъканта.

В белите дробове, при високо парциално налягане, кислородът взаимодейства с Hb, присъединявайки се към хем-желязото; в този случай конформацията на протеина се променя, централната кухина намалява и 2,3-BPG се измества от алостеричния център

По този начин олигомерните протеини имат нови свойства в сравнение с мономерните протеини. Прикрепване на лиганди на места,

пространствено отдалечени един от друг (алостерични), способни да предизвикат конформационни промени в цялата протеинова молекула. Поради взаимодействието с регулаторните лиганди, конформацията се променя и функцията на протеиновата молекула се адаптира към промените в околната среда.

ТЕМА 1.5. ПОДДЪРЖАНЕ НА НАТИВНАТА КОНФОРМАЦИЯ НА ПРОТЕИНИ ПРИ КЛЕТЪЧНИ УСЛОВИЯ

В клетките, по време на синтеза на полипептидни вериги, транспортирането им през мембрани до съответните участъци на клетката, в процеса на нагъване (образуване на нативна конформация) и по време на сглобяването на олигомерни протеини, както и по време на тяхното функциониране, междинни , склонни към агрегация, нестабилни конформации възникват в протеиновата структура. Хидрофобните радикали, обикновено скрити вътре в протеиновата молекула в тяхната естествена конформация, се появяват на повърхността в нестабилна конформация и са склонни да се комбинират с групи от други протеини, които са подобно слабо разтворими във вода. В клетките на всички известни организми са открити специални протеини, които осигуряват оптимално сгъване на клетъчните протеини, стабилизират тяхната естествена конформация по време на функциониране и, най-важното, поддържат структурата и функциите на вътреклетъчните протеини в случай на нарушение на хомеостазата. Тези протеини се наричат "шаперони"което означава "бавачка" на френски.

1. Молекулярни шаперони и тяхната роля за предотвратяване на денатурация на протеини.

Шапероните (III) се класифицират според масата на субединиците. Шапероните с високо молекулно тегло имат маса от 60 до 110 kD. Сред тях най-много са изследвани три класа: Ш-60, Ш-70 и Ш-90. Всеки клас включва семейство от свързани протеини. Така Sh-70 съдържа протеини с молекулно тегло от 66 до 78 kD. Шапероните с ниско молекулно тегло имат молекулно тегло от 40 до 15 kD.

Сред придружителите има конститутивенпротеини, чийто висок основен синтез не зависи от стресовите ефекти върху клетките на тялото и индуцируем,чийто синтез при нормални условия е слаб, но рязко се повишава при стресови въздействия. Индуцируемите шаперони се наричат ​​още "протеини на топлинен шок", тъй като за първи път са открити в клетки, изложени на високи температури. В клетките, поради високата концентрация на протеини, спонтанната регенерация на частично денатурирани протеини е трудна. Sh-70 може да предотврати процеса на денатурация, който е започнал, и да помогне за възстановяване на естествената конформация на протеините. Молекулярни шаперони-70- силно консервативен клас протеини, открити във всички части на клетката: цитоплазма, ядро, ендоплазмен ретикулум, митохондрии. В карбоксилния край на единствената полипептидна верига на Sh-70 има област, която е жлеб, който може да взаимодейства с пептиди с дължина

7 до 9 аминокиселинни остатъци, обогатени с хидрофобни радикали. Такива места в глобуларните протеини се срещат приблизително на всеки 16 аминокиселини. Sh-70 са в състояние да предпазят протеините от термична инактивация и да възстановят конформацията и активността на частично денатурираните протеини.

2. Роля на шапероните в сгъването на протеини.По време на синтеза на протеини в рибозомата, N-терминалната област на полипептида се синтезира преди С-терминалната област. Пълната аминокиселинна последователност на протеина е необходима за образуване на естествената конформация. В процеса на синтез на протеини, шапероните-70, поради структурата на техния активен център, са в състояние да покрият полипептидни места, склонни към агрегация, обогатени с хидрофобни аминокиселинни радикали, докато синтезът не завърши (Фигура 1.27, А).

Ориз. 1.27. Участие на шаперони в сгъването на протеини

А - участие на шаперони-70 в предотвратяването на хидрофобни взаимодействия между местата на синтезирания полипептид; B - образуване на нативната конформация на протеина в шапероновия комплекс

Много протеини с високо молекулно тегло със сложна конформация, като доменна структура, се сгъват в специално пространство, образувано от W-60. Ш-60функционират като олигомерен комплекс, състоящ се от 14 субединици. Те образуват два кухи пръстена, всеки от които се състои от седем субединици, тези пръстени са свързани един с друг. Всяка субединица на III-60 се състои от три домена: апикален (апикален), обогатен с хидрофобни радикали, обърнати към кухината на пръстена, междинен и екваториален (фиг. 1.28).

Ориз. 1.28. Структура на шаперониновия комплекс, състоящ се от 14 Sh-60

A - страничен изглед; B - изглед отгоре

Синтезирани протеини с повърхностни елементи, характерни за разгънати молекули, по-специално хидрофобни радикали, влизат в кухината на шапероновите пръстени. В специфичната среда на тези кухини се извършва изброяване на възможните конформации, докато се намери единствената, енергийно най-благоприятна (фиг. 1.27, B). Образуването на конформации и освобождаването на протеина се придружава от хидролиза на АТФ в екваториалната област. Обикновено такова зависимо от шаперона сгъване изисква значително количество енергия.

В допълнение към участието във формирането на триизмерната структура на протеините и възстановяването на частично денатурирани протеини, шапероните са необходими и за такива фундаментални процеси като сглобяването на олигомерни протеини, разпознаване и транспорт на денатурирани протеини в лизозоми, транспорт на протеини чрез мембрани и участие в регулацията на активността на протеиновите комплекси.

ТЕМА 1.6. РАЗНООБРАЗИЕ ОТ ПРОТЕИНИ. ПРОТЕИНОВИ СЕМЕЙСТВА НА ПРИМЕРА НА ИМУНОГЛОБУЛИНИТЕ

1. Протеините играят решаваща роля в живота на отделните клетки и на целия многоклетъчен организъм и техните функции са изненадващо разнообразни. Това се определя от особеностите на първичната структура и конформациите на протеините, уникалната структура на активния център и способността за свързване на специфични лиганди.

Само много малка част от всички възможни варианти на пептидни вериги могат да приемат стабилна пространствена структура; мнозинство

от тях могат да приемат много конформации с приблизително същата енергия на Гибс, но с различни свойства. Подбрана първична структура на най-известните протеини биологична еволюция, осигурява изключителна стабилност на една от конформациите, което определя особеностите на функциониране на този протеин.

2. Белтъчни семейства.В рамките на един и същи биологичен вид, заместванията на аминокиселинни остатъци могат да доведат до появата на различни протеини, които изпълняват свързани функции и имат хомоложни аминокиселинни последователности. Такива свързани протеини имат удивително сходни конформации: броят и разположението на α-спиралите и/или β-структурите и повечето от завоите и гънките на полипептидните вериги са подобни или идентични. Протеини с хомоложни региони на полипептидната верига, подобна конформация и свързани функции са изолирани в протеинови семейства. Примери за семейства протеини: серинови протеинази, семейство имуноглобулини, семейство миоглобини.

Серинови протеинази- семейство протеини, които изпълняват функцията на протеолитични ензими. Те включват храносмилателни ензими - химотрипсин, трипсин, еластаза и много фактори на кръвосъсирването. Тези протеини имат 40% идентични аминокиселини и много сходна конформация (фиг. 1.29).

Ориз. 1.29. Пространствени структури на еластаза (А) и химотрипсин (В)

Някои аминокиселинни замествания са довели до промяна в субстратната специфичност на тези протеини и появата на функционално разнообразие в рамките на семейството.

3. Семейство имуноглобулини.Протеините от суперсемейството на имуноглобулините, което включва три протеинови семейства, играят огромна роля във функционирането на имунната система:

Антитела (имуноглобулини);

Т-лимфоцитни рецептори;

Протеини на главния комплекс за хистосъвместимост - MHC 1-ви и 2-ри клас (Major Histocompatibility Complex).

Всички тези протеини имат доменна структура, състоят се от хомоложни имуноподобни домени и изпълняват подобни функции: взаимодействат с чужди структури, разтворени в кръвта, лимфата или междуклетъчната течност (антитела), или разположени на повърхността на клетките (собствени или чуждестранен).

4. Антитела- специфични протеини, произведени от В-лимфоцитите в отговор на поглъщането на чужда структура, т.нар антиген.

Характеристики на структурата на антителата

Най-простите молекули на антитялото се състоят от четири полипептидни вериги: две идентични леки вериги - L, съдържащи около 220 аминокиселини, и две идентични тежки вериги - Н, състоящи се от 440-700 аминокиселини. И четирите вериги в молекулата на антитялото са свързани с много нековалентни връзки и четири дисулфидни връзки (фиг. 1.30).

Леките вериги на антителата се състоят от два домена: променлив (VL), разположен в N-терминалната област на полипептидната верига, и константен (CL), разположен в С-края. Тежките вериги обикновено имат четири домена: една променлива (VH) на N-края и три константи (CH1, CH2, CH3) (виж Фигура 1.30). Всеки имуноглобулинов домен има β-нагъната суперструктура, в която два цистеинови остатъка са свързани чрез дисулфидна връзка.

Между двата константни домена CH1 и CH2 има област, съдържаща голям брой пролинови остатъци, които предотвратяват образуването на вторична структура и взаимодействието на съседни Н-вериги в този сегмент. Тази шарнирна област дава гъвкавост на молекулата на антитялото. Между вариабилните домени на тежките и леките вериги има две идентични антиген-свързващи места (активни места за свързване на антигени), така че такива антитела често се наричат двувалентни.Свързването на антиген с антитяло не включва цялата аминокиселинна последователност на вариабилните региони на двете вериги, а само 20-30 аминокиселини, разположени в хипервариабилните региони на всяка верига. Именно тези зони определят уникалната способност на всеки тип антитяло да взаимодейства със съответния комплементарен антиген.

Антителата са една от защитните линии на тялото срещу нахлуващи чужди организми. Тяхното функциониране може да се раздели на два етапа: първият етап е разпознаване и свързване на антиген върху повърхността на чужди организми, което е възможно поради наличието на антиген-свързващи места в структурата на антитялото; вторият етап е инициирането на процеса на инактивиране и унищожаване на антигена. Специфичността на втория етап зависи от класа на антителата. Има пет класа тежки вериги, които се различават един от друг по структурата на постоянните домени: α, δ, ε, γ и μ, според които се разграничават пет класа имуноглобулини: A, D, E, G и M.

Структурните характеристики на тежките вериги придават на шарнирните региони и С-терминалните региони на тежките вериги конформация, характерна за всеки клас. След като антиген се свърже с антитяло, конформационните промени в постоянните домени определят пътя за отстраняване на антигена.

Ориз. 1. 30. Домейн структура на IgG

Имуноглобулини М

Имуноглобулините М имат две форми.

Мономерна форма- 1 клас антитела, произведени от развиващия се В-лимфоцит. Впоследствие много В клетки преминават към производство на други класове антитела, но със същото антиген-свързващо място. IgM е включен в мембраната и действа като антиген-разпознаващ рецептор. Включването на IgM в клетъчната мембрана е възможно поради наличието на 25 хидрофобни аминокиселинни остатъка в опашната част на региона.

Секреторна форма на IgMсъдържа пет мономерни субединици, свързани една с друга чрез дисулфидни връзки и допълнителна полипептидна J-верига (фиг. 1.31). Мономерите с тежка верига от тази форма не съдържат хидрофобна опашка. Пентамерът има 10 антиген-свързващи места и следователно е ефективен при разпознаването и отстраняването на антигена, който е влязъл в тялото за първи път. Секреторната форма на IgM е основният клас антитела, секретирани в кръвта по време на първичния имунен отговор. Свързването на IgM с антиген променя конформацията на IgM и индуцира свързването му с първия протеинов компонент на системата на комплемента (системата на комплемента е набор от протеини, участващи в разрушаването на антигена) и активиране на тази система. Ако антигенът е разположен на повърхността на микроорганизма, системата на комплемента причинява нарушение на целостта клетъчната мембранаи смъртта на бактериалната клетка.

Имуноглобулини G

В количествено отношение този клас имуноглобулини преобладава в кръвта (75% от всички Ig). IgG - мономери, основният клас антитела, секретирани в кръвта по време на вторичния имунен отговор. След взаимодействието на IgG с повърхностни антигени на микроорганизми, комплексът антиген-антитяло е в състояние да свързва и активира протеини на системата на комплемента или може да взаимодейства със специфични рецептори на макрофаги и неутрофили. взаимодействие с фагоцити

Ориз. 1.31. Структурата на секреторната форма на IgM

до абсорбцията на комплекси антиген-антитяло и тяхното разрушаване във фагозомите на клетките. IgG е единственият клас антитела, които могат да преминат през плацентарната бариера и да предпазят плода от инфекции в утробата.

Имуноглобулини А

Основен клас антитела, присъстващи в секретите (мляко, слюнка, респираторни и чревни секрети). IgA се секретира главно в димерна форма, където мономерите са свързани помежду си чрез допълнителна J-верига (фиг. 1.32).

IgA не взаимодействат със системата на комплемента и фагоцитните клетки, но като се свързват с микроорганизмите, антителата им пречат да се прикрепят към епителните клетки и да проникнат в тялото.

Имуноглобулини E

Имуноглобулините Е са представени от мономери, в които се съдържат тежки ε-вериги, както и μ-вериги на имуноглобулини М, един променлив и четири постоянни домена. IgE след секрецията се свързват със собствените си

Ориз. 1.32. Структура на IgA

С-терминални области със съответните рецептори на повърхността на мастоцитите и базофилите. В резултат на това те се превръщат в рецептори за антигени на повърхността на тези клетки (фиг. 1.33).

Ориз. 1.33. Взаимодействие на IgE с антиген на повърхността на мастоцитите

След като антигенът се прикрепи към съответните антиген-свързващи IgE места, клетките получават сигнал за секретиране на биологично активни вещества (хистамин, серотонин), които до голяма степен са отговорни за развитието на възпалителна реакция и за проявата на такива алергични реакции като астма, уртикария, сенна хрема.

Имуноглобулини D

Имуноглобулините D се намират в серума в много малки количества, те са мономери. Тежките δ вериги имат един променлив и три постоянни домена. IgD действат като рецептори за В-лимфоцитите, други функции все още не са известни. Взаимодействието на специфични антигени с рецептори на повърхността на В-лимфоцитите (IgD) води до предаване на тези сигнали в клетката и активиране на механизми, които осигуряват възпроизвеждането на този клонинг на лимфоцити.

ТЕМА 1.7. ФИЗИКО-ХИМИЧНИ СВОЙСТВА НА БЕЛТЪЦИТЕ И МЕТОДИ ЗА ТЯХНОТО РАЗДЕЛЯНЕ

1. Отделните протеини се различават по своите физикохимични свойства:

Формата на молекулите;

Молекулно тегло;

Общият заряд, чиято стойност зависи от съотношението на анионните и катионните групи на аминокиселините;

Съотношението на полярните и неполярните аминокиселинни радикали на повърхността на молекулите;

Степени на устойчивост на различни денатуриращи агенти.

2. Разтворимостта на протеините зависивърху свойствата на изброените по-горе протеини, както и върху състава на средата, в която протеинът се разтваря (стойности на рН, солев състав, температура, наличие на други органични вещества, които могат да взаимодействат с протеина). Големината на заряда на протеиновите молекули е един от факторите, влияещи върху тяхната разтворимост. Когато зарядът се загуби в изоелектричната точка, протеините по-лесно се агрегират и утаяват. Това е особено вярно за денатурирани протеини, които имат хидрофобни аминокиселинни радикали на повърхността.

На повърхността на протеиновата молекула има както положително, така и отрицателно заредени аминокиселинни радикали. Броят на тези групи, а оттам и общият заряд на протеините зависи от pH на средата, т.е. съотношението на концентрацията на Н + - и ОН - групи. В кисела средаувеличаването на концентрацията на Н + води до потискане на дисоциацията на карбоксилните групи -COO - + H+ > -COOH и намаляване на отрицателния заряд на протеините. В алкална среда свързването на излишните OH - протони, образувани по време на дисоциацията на аминогрупите -NH 3 + + OH - - NH 2 + H 2 O с образуването на вода, води до намаляване на положителния заряд на протеините. Стойността на pH, при която протеинът има нетен заряд нула, се нарича изоелектрична точка (IEP).В IET броят на положително и отрицателно заредените групи е еднакъв, т.е. протеинът е в изоелектрично състояние.

3. Разделяне на отделни протеини.Характеристиките на структурата и функционирането на тялото зависят от набора от протеини, синтезирани в него. Изследването на структурата и свойствата на протеините е невъзможно без тяхното изолиране от клетката и пречистване от други протеини и органични молекули. Етапите на изолиране и пречистване на отделни протеини:

разрушаване на клеткитена изследваната тъкан и получаване на хомогенат.

Разделяне на хомогената на фракциицентрофугиране, получаване на ядрена, митохондриална, цитозолна или друга фракция, съдържаща желания протеин.

Селективна топлинна денатурация- краткотрайно нагряване на протеиновия разтвор, при което част от денатурираните протеинови примеси могат да бъдат отстранени (в случай, че протеинът е относително термично стабилен).

Изсоляване.Различни протеини се утаяват при различни концентрации на сол в разтвора. Чрез постепенно увеличаване на концентрацията на солта е възможно да се получат няколко отделни фракции с преобладаващо съдържание на секретирания протеин в една от тях. Най-често използваното фракциониране на протеини е амониев сулфат. Протеините с най-ниска разтворимост се утаяват при ниски концентрации на сол.

Гел филтрация- метод за пресяване на молекули през набъбнали гранули Sephadex (триизмерни полизахаридни вериги на декстран с пори). Скоростта на преминаване на протеините през колона, пълна със сефадекс, ще зависи от тяхното молекулно тегло: колкото по-малка е масата на протеиновите молекули, толкова по-лесно те проникват в гранулите и остават там по-дълго, колкото по-голяма е масата, толкова по-бързо се елуират от колона.

Ултрацентрофугиране- метод, състоящ се в това, че протеините в центрофужна епруветка се поставят в ротора на ултрацентрофуга. Когато роторът се върти, скоростта на утаяване на протеините е пропорционална на тяхното молекулно тегло: фракции от по-тежки протеини са разположени по-близо до дъното на тръбата, по-леки са по-близо до повърхността.

електрофореза- метод, основан на разликите в скоростта на движение на протеините в електрическо поле. Тази стойност е пропорционална на заряда на протеините. Протеинова електрофореза се извършва на хартия (в този случай скоростта на движение на протеините е пропорционална само на техния заряд) или в полиакриламиден гел с определен размер на порите (скоростта на движение на протеините е пропорционална на техния заряд и молекулно тегло ).

Йонообменна хроматография- метод на фракциониране, базиран на свързването на йонизирани групи от протеини с противоположно заредени групи от йонообменни смоли (неразтворими полимерни материали). Силата на свързване на протеин към смола е пропорционална на заряда на протеина. Протеините, адсорбирани върху йонообменния полимер, могат да бъдат отмити с нарастващи концентрации на разтвори на NaCl; колкото по-нисък е зарядът на протеина, толкова по-ниска концентрация на NaCl ще бъде необходима за отмиване на протеина, свързан с йонните групи на смолата.

Афинитетна хроматография- най-специфичният метод за изолиране на индивидуални протеини Лиганд на протеин е ковалентно свързан с инертен полимер. Когато протеинов разтвор преминава през колона с полимер, поради комплементарното свързване на протеина с лиганда, само протеинът, специфичен за този лиганд, се адсорбира върху колоната.

Диализа- метод, използван за отстраняване на съединения с ниско молекулно тегло от разтвор на изолиран протеин. Методът се основава на неспособността на протеините да преминават през полупропусклива мембрана, за разлика от нискомолекулните вещества. Използва се за пречистване на протеини от примеси с ниско молекулно тегло, например от соли след изсоляване.

ЗАДАЧИ ЗА ИЗВЪНКЛАСНА РАБОТА

1. Попълни таблицата. 1.4.

Таблица 1.4. Сравнителен анализструктура и функции на сродни протеини - миоглобин и хемоглобин

а) запомнете структурата на активния център Mb и Hb. Каква роля играят хидрофобните радикали на аминокиселините при образуването на активните центрове на тези протеини? Опишете структурата на Mb и Hb активния център и механизмите на свързване на лиганда към него. Каква роля играят His F 8 и His E 7 остатъците във функционирането на Mv и Hv активното място?

б) какви нови свойства в сравнение с мономерния миоглобин има тясно свързаният олигомерен протеин, хемоглобинът? Обяснете ролята на кооперативните промени в конформацията на протомерите в молекулата на хемоглобина, ефекта на концентрациите на CO 2 и протоните върху афинитета на хемоглобина към кислорода и ролята на 2,3-BPG в алостеричната регулация на Hb функцията.

2. Опишете характеристиките на молекулярните шаперони, като обърнете внимание на връзката между тяхната структура и функция.

3. Какви протеини са групирани в семейства? Като използвате примера на семейството на имуноглобулините, определете сходните структурни характеристики и свързаните с тях функции на протеините от това семейство.

4. Често се изискват пречистени отделни протеини за биохимични и медицински приложения. Обяснете на какви физикохимични свойства на протеините се основават методите, използвани за тяхното разделяне и пречистване.

ЗАДАЧИ ЗА САМОКОНТРОЛ

1. Избери верния отговор.

Функции на хемоглобина:

A. O 2 транспорт от белите дробове до тъканите B. H + транспорт от тъканите до белите дробове

B. Поддържане на постоянно pH на кръвта D. Транспорт на CO2 от белите дробове до тъканите

D. Транспорт на CO 2 от тъканите до белите дробове

2. Избери верния отговор. лигандα -Hb протомерът е:А. Хем

Б. Кислород

B. CO D. 2,3-BPG

D. β-протомер

3. Избери верния отговор.

Хемоглобинът е различен от миоглобина:

А. Има кватернерна структура

Б. Вторичната структура е представена само от α-спирали

Б. Отнася се за сложни протеини

D. Взаимодейства с алостеричен лиганд D. Ковалентно свързан с хема

4. Избери верния отговор.

Афинитетът на Hb към O 2 намалява:

A. Когато една O 2 молекула е прикрепена B. Когато една O 2 молекула е елиминирана

Б. При взаимодействие с 2,3-BPG

D. Когато се прикрепи към протомери H + D. Когато концентрацията на 2,3-BPG намалява

5. Задайте съвпадение.

За типовете Hb е характерно:

A. Образува фибриларни агрегати в дезокси форма B. Съдържа две α- и две δ-вериги

B. Преобладаващата форма на Hb в еритроцитите на възрастни D. Съдържа хем с Fe + 3 в активния център

D. Съдържа две α- и две γ-вериги 1. HvA 2.

6. Задайте съвпадение.

Лиганди Hb:

А. Свързва се с Hb в алостеричния център

B. Има много висок афинитет към активното място Hb

B. Присъединяването повишава афинитета на Hb към O 2 D. Окислява Fe + 2 до Fe + 3

D. Форми ковалентна връзкас hysF8

7. Избери верния отговор.

Шаперони:

A. Протеини, присъстващи във всички части на клетката

Б. Синтезът се засилва при стресови влияния

Б. Участват в хидролизата на денатурирани протеини

D. Участват в поддържането на нативната конформация на протеините

Г. Създаване на органели, в които се образува протеинова конформация

8. Съвпадение. Имуноглобулини:

А. Секреторната форма е пентамерна

B. Ig клас, който преминава плацентарната бариера

B. Ig - мастоцитен рецептор

D. Основният клас Ig присъства в секретите на епителните клетки. Г. В-лимфоцитен рецептор, чието активиране осигурява възпроизвеждането на клетките

9. Избери верния отговор.

Имуноглобулини Е:

А. Произведени от макрофаги Б. Имат тежки ε-вериги.

Б. Вграден в мембраната на Т-лимфоцитите

D. Действат като мембранни рецептори за антигени върху мастоцитите и базофилите

Г. Отговорен за проявата на алергични реакции

10. Избери верния отговор.

Методът за разделяне на протеини се основава на разликите в тяхното молекулно тегло:

А. Гел филтрация

Б. Ултрацентрофугиране

B. Полиакриламидна гел електрофореза D. Йонообменна хроматография

D. Афинитетна хроматография

11. Изберете верният отговор.

Методът за разделяне на протеини се основава на разликите в тяхната разтворимост във вода:

A. Гел филтрация B. Изсоляване

B. Йонообменна хроматография D. Афинитетна хроматография

E. Електрофореза с полиакриламиден гел

СТАНДАРТИ ЗА ОТГОВОРИ НА „ЗАДАЧИ ЗА САМОКОНТРОЛ“

1. A, B, C, D

2. A, B, C, D

5. 1-Б, 2-А, 3-Г

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

7. A, B, D, D

8. 1-G; 2-Б, 3-В

ОСНОВНИ ТЕРМИНИ И ПОНЯТИЯ

1. Олигомерни протеини, протомер, кватернерна структура на протеини

2. Кооперативни промени в конформацията на протомера

3. Ефект на Бор

4. Алостерична регулация на белтъчните функции, алостеричен център и алостеричен ефектор

5. Молекулярни шаперони, протеини на топлинен шок

6. Семейства протеини (серинови протеази, имуноглобулини)

7. IgM-, G-, E-, A-връзка на структура с функция

8. Общ заряд на протеини, изоелектрична точка на протеини

9. Електрофореза

10. Изсоляване

11. Гел филтрация

12. Йонообменна хроматография

13. Ултрацентрофугиране

14. Афинитетна хроматография

15. Електрофореза на плазмените протеини

ЗАДАЧИ ЗА АУДИТОРНА РАБОТА

1. Сравнете зависимостите на степените на насищане на хемоглобина (Hb) и миоглобина (Mb) с кислород от парциалното му налягане в тъканите

Ориз. 1.34. Зависимост от насищане на MV иHbкислород от неговото парциално налягане

Моля, имайте предвид, че формата на кривите на насищане на протеини с кислород е различна: за миоглобин - хипербола, за хемоглобин - сигмоидна форма.

1. Сравнете стойностите на парциалното налягане на кислорода, при което Mb и Hb са наситени с O 2 с 50%. Кой от тези протеини има по-висок афинитет към O 2?

2. Какви структурни особености на MB определят неговия висок афинитет към O 2 ?

3. Какви структурни характеристики на Hb му позволяват да освобождава O 2 в капилярите на тъканите в покой (при относително високо парциално налягане на O 2) и рязко да увеличи това връщане в работещите мускули? Какво свойство на олигомерните протеини осигурява този ефект?

4. Изчислете какво количество O 2 (в%) дава наситен с кислород хемоглобин на почиващия и работещия мускул?

5. правят изводи за връзката между структурата на протеина и неговата функция.

2. Количеството кислород, отделено от хемоглобина в капилярите, зависи от интензивността на катаболните процеси в тъканите (ефект на Бор). Как промените в тъканния метаболизъм регулират афинитета на Hb към O 2? Ефект на CO 2 и H+ върху афинитета на Hb към O 2

1. Опишете ефекта на Бор.

2. в каква посока протича процесът, показан на диаграмата:

а) в капилярите на белите дробове;

б) в тъканните капиляри?

3. Какво е физиологичното значение на ефекта на Бор?

4. Защо взаимодействието на Hb с H+ в места, отдалечени от хема, променя афинитета на протеина към O 2?

3. Афинитетът на Hb към O 2 зависи от концентрацията на неговия лиганд, 2,3-бифосфоглицерат, който е алостеричен регулатор на афинитета на Hb към O 2 . Защо лигандното взаимодействие на място, отдалечено от активното място, засяга функцията на протеина? Как 2,3-BPG регулира афинитета на Hb към O 2? За да разрешите проблема, отговорете на следните въпроси:

1. Къде и от какво се синтезира 2,3-бифосфоглицерат (2,3-BPG)? Напишете формулата му, посочете заряда на тази молекула.

2. С каква форма на хемоглобин (окси или дезокси) взаимодейства BPG и защо? В коя област на молекулата на Hb се осъществява взаимодействието?

3. в каква посока протича процеса, показан на диаграмата?

а) в тъканните капиляри;

б) в капилярите на белите дробове?

4. където трябва да има повече висока концентрациякомплекс

Nv-2,3-BFG:

а) в капилярите на мускулите в покой,

б) в капилярите на работещите мускули (при еднаква концентрация на BPG в еритроцитите)?

5. Как ще се промени афинитетът на Hb към кислорода, когато човек се адаптира към условия на голяма надморска височина, ако концентрацията на BPG в еритроцитите се увеличи? Какво е физиологичното значение на това явление?

4. Разрушаването на 2,3-BPG по време на съхранение на консервирана кръв нарушава функциите на Hb. Как ще се промени афинитетът на Hb към O 2 в консервирана кръв, ако концентрацията на 2,3-BPG в еритроцитите може да намалее от 8 до 0,5 mmol/l. Възможно ли е да се прелива такава кръв на тежко болни пациенти, ако концентрацията на 2,3-BPG се възстанови не по-рано от три дни? Възможно ли е да се възстановят функциите на еритроцитите чрез добавяне на 2,3-BPG към кръвта?

5. Припомнете си структурата на най-простите имуноглобулинови молекули. Каква роля играят имуноглобулините в имунната система? Защо Ig често се наричат ​​двувалентни? Как структурата на Igs е свързана с тяхната функция? (Опишете с помощта на пример клас имуноглобулини.)

Физико-химични свойства на протеините и методи за тяхното разделяне.

6. Как нетният заряд на протеин влияе върху неговата разтворимост?

а) определете общия заряд на пептида при pH 7

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

б) как ще се промени зарядът на този пептид при pH >7, pH<7, рН <<7?

в) каква е изоелектричната точка на протеин (IEP) и в каква среда се намира

IET на този пептид?

г) при каква стойност на pH ще се наблюдава най-малка разтворимост на този пептид.

7. Защо киселото мляко, за разлика от прясното мляко, се "коагулира" при варене (т.е. казеиновият млечен протеин се утаява)? Молекулите на казеина в прясното мляко са с отрицателен заряд.

8. Гел филтрацията се използва за отделяне на отделни протеини. Смес, съдържаща протеини A, B, C с молекулни маси, равни съответно на 160 000, 80 000 и 60 000, беше анализирана чрез гел филтрация (фиг. 1.35). Набъбналите гел гранули са пропускливи за протеини с молекулно тегло по-малко от 70 000. Какъв принцип е в основата на този метод на разделяне? Коя от графиките представя правилно резултатите от фракционирането? Посочете реда на освобождаване на протеини A, B и C от колоната.

Ориз. 1.35. Използване на метода на гел филтрация за разделяне на протеини

9. На фиг. 1.36, А показва диаграма на електрофореза върху хартия на протеини в кръвния серум на здрав човек. Относителните количества протеинови фракции, получени с помощта на този метод са: албумини 54-58%, α1-глобулини 6-7%, α2-глобулини 8-9%, β-глобулини 13%, γ-глобулини 11-12% .

Ориз. 1.36 Електрофореза върху хартия на протеини в кръвната плазма на здрав човек (A) и пациент (B)

I - γ-глобулини; II - β-глобулини; III -α 2 - глобулин; IV-α 2 - глобулин; V - албумини

Много заболявания са придружени от количествени промени в състава на суроватъчните протеини (диспротеинемия). Естеството на тези промени се взема предвид при поставяне на диагнозата и оценка на тежестта и стадия на заболяването.

Използвайки данните, дадени в табл. 1.5, направете предположение за заболяването, което се характеризира с електрофоретичния профил, представен на фиг. 1.36.

Таблица 1.5. Промени в концентрацията на кръвни серумни протеини при патология

Биохимия- Това е науката за молекулярните основи на живота, тя се занимава с изучаване на молекули, химични реакции, процеси, протичащи в живите клетки на тялото. Подразделя се на:

статичен (структура и свойства на биомолекулите)

динамичен (химия на реакциите)

специални раздели (екологични, биохимия на микроорганизмите, клинични)

Ролята на биохимията при решаването на фундаментални медицински проблеми

запазване на човешкото здраве

откриване на причините за различни заболявания и намиране на начини за тяхното ефективно лечение.

По този начин всяко неразположение, човешко заболяване е свързано с нарушение на структурата и свойствата на метаболитите или биомолекулите, а също така е свързано с промени в биохимичните реакции, протичащи в организма. Използването на всякакви методи на лечение, лекарства също се основава на разбиране и точно познаване на биохимията на тяхното действие.

Протеини, тяхната структура и биологична роля

Протеините са полипептиди с високо молекулно тегло, условната граница между протеини и полипептиди обикновено е 8000-10000 единици молекулно тегло. Полипептидите са полимерни съединения с повече от 10 аминокиселинни остатъка на молекула.

Пептидите са съединения, състоящи се от два или повече аминокиселинни остатъка (до 10).Протеините съдържат само L-аминокиселини.

Има производни на аминокиселини, например колагенът съдържа хидроксипролин и хидроксилизин. В някои протеини се открива γ-карбоксиглутамат. Нарушеното карбоксилиране на глутамата в протромбина може да доведе до кървене. Фосфоросеринът често се среща в протеините.

Есенциалните аминокиселини са тези, които не се синтезират в организма или

синтезирани в недостатъчно количество или с ниска скорост.

8 аминокиселини са незаменими за човека: триптофан, фенилаланин,

метионин, лизин, валин, треонин, изолевцин, левцин.

Биохимични функции на аминокиселините:

градивни елементи от пептиди, полипептиди и протеини,

биосинтеза на други аминокиселини (тирозинът се синтезира от фенилаланин, цистеинът се синтезира от метионин)

биосинтеза на някои хормони, например окситацин, вазопресин, инсулин

изходни продукти за образуване на глутатион, креатин

глицинът е от съществено значение за синтеза на порфирин

p - аланин, валин, цистеин форма CoA, триптофан - никотинамид, глутаминова киселина - фолиева киселина

нуклеотидната биосинтеза изисква глутамин, глицин, аспарагинова киселина, те образуват пуринови бази, глутамин и аспарагинова киселина - пиримидин

11 аминокиселини са глюкогенни, което означава, че могат да се метаболизират в глюкоза и други въглехидрати

фенилаланин, тирозин, левцин, лизин и триптофан участват в биосинтезата на някои липиди

10. образуване на урея, въглероден диоксид и енергия под формата на АТФ.

Структурата на протеините. първична структура.

Под първичната структура разбирайте последователността на аминокиселините във веригата, те са свързани помежду си чрез ковалентни пептидни връзки. Полипептидната верига започва с остатък със свободна аминогрупа (N - край) и завършва със свободен COOH - край.

Първичната структура също включва взаимодействието между цистеиновите остатъци с образуването на дисулфидни връзки.

По този начин първичната структура е описание на всички ковалентни връзки в протеинова молекула.

Пептидната връзка се различава по полярност, което се дължи на факта, че връзката между N и C частично има характер на двойна връзка. Въртенето е трудно и пептидната връзка има твърда структура. Последователността на аминокиселините е строго генетично обусловена; тя определя естествената природа на протеина и неговите функции в тялото.

вторична структура

1951 г. - дешифрирана е вторичната структура (плътно усукана главна верига на полипептида, която съставлява вътрешната част на пръчката, страничните вериги са насочени навън, подредени в спирала) Всички -C=O-N-H- групи на базите на веригата са свързани с водородни връзки.

Водородните връзки правят a-спиралата по-стабилна.

Друг вид вторична структура е p - нагънатият слой. Това са паралелни полипептидни вериги, които са омрежени чрез водородни връзки. Възможно е усукване на такива p-формации, което придава на протеина по-голяма здравина.

Третият вид вторична структура е характерна за колагена. Всяка от трите полипептидни вериги на колагеновия прекурсор (тропоколаген) е спирална. Три такива спираловидни вериги са усукани една спрямо друга, образувайки стегната нишка.

Спецификата на този тип структура се дължи на наличието на водородни връзки само между глицинови, пролинови и хидроксипролинови остатъци, както и на вътрешно- и междумолекулни ковалентни напречни връзки.

МИНИСТЕРСТВО НА КУЛТУРАТА, ОБРАЗОВАНИЕТО И ЗДРАВЕОПАЗВАНЕТО

РЕПУБЛИКА КАЗАХСТАН

ПАВЛОДАРСКИ УНИВЕРСИТЕТ

КАТЕДРА ПО БИОЛОГИЯ

ТЕСТ

Предмет: "Биохимия"

Завършено

Павлодар, 2004

1. Водата в живите организми. Структурата и свойствата на водата.

2. Структурни формули на пуринови и пиримидинови бази, които са част от нуклеиновите киселини.

3. Свойства на ензимите, специфика на ензимното действие. Разлики между денатуриран протеин и естествен протеин.

4. Витамин D, витамини на този витамин. Признаци на авитаминоза D. Естествени източници на витамин D.

5. Схема на дихотомното разграждане на D-глюкоза (гликолиза).

6. Структурна формула на пептид-валил-изолевцил-метионил-аргенин.

Всички живи същества на нашата планета са 2/3 вода. Микроорганизмите са на първо място в живата материя по маса, растенията са на второ, животните са на трето, а хората са на последно място. Бактериите са 81%. Те се състоят от вода, спори - 50 процента, животинска тъкан средно 70 процента, лимфа - 90 процента, кръв съдържа около 79 процента. Най-богатата на вода тъкан е стъкловидното тяло на окото, което съдържа до 99 процента. влага, най-бедният - зъбният емайл - само 0,2 процента.

Водата в тялото изпълнява няколко функции: разтворените в нея вещества реагират помежду си, водата помага за отстраняването на метаболитните отпадъци, служи като регулатор на температурата, като добър топлоносител, а също и като смазка.

В живите организми водата може да се синтезира в тъканите. Така например в една камила мазнината в гърбицата, окислена, може да даде до 40 литра вода. Човек, който пие 2,5 литра вода на ден, ежедневно промива стомаха с 10 литра течности и изпарява 0,7 литра вода.

Изследването на химичния състав на клетките показва, че в живите организми няма специални химични елементи, които са присъщи само на тях: именно в това се проявява единството на химичния състав на живата и неживата природа.

Ролята на химичните елементи в клетката е голяма: N и S са част от протеините, P е в ДНК и РНК, Mg е част от много ензими и молекулата на хлорофила, Cu е компонент на много окислителни ензими, Zn е панкреаса хормон, Fe е молекулата на хемоглобина, I - хормонът тироксин и др. Най-важни за клетката са анионите HPO42-, H2RO4-, CO32-, Cl-, HCO3- и катионите Na +, K +, Ca2 +

Съдържанието на катиони и аниони в клетката се различава от концентрацията им в околната среда, заобикаляща клетката, поради активното регулиране на преноса на вещества от мембраната. Това гарантира постоянството на химичния състав на живата клетка. С клетъчната смърт концентрацията на вещества в средата и в цитоплазмата се изравнява. От неорганичните съединения важни са водата, минералните соли, киселините и основите.

Водата във функционираща клетка заема до 80% от нейния обем и се намира в нея в две форми: свободна и свързана. Молекулите на свързаната вода са здраво свързани с протеините и образуват водни обвивки около тях, изолирайки протеините един от друг. Полярността на водните молекули, способността за образуване на водородни връзки обяснява високия му специфичен топлинен капацитет. В резултат на това се предотвратяват резки колебания в температурата в живите системи и топлината се разпределя и освобождава в клетката. Благодарение на свързаната вода клетката е способна да издържа на ниски температури. Съдържанието му в клетката е приблизително 5%, а 95% е свободна вода. Последният разтваря много вещества, участващи в клетката в обмена.
В силно активните клетки, като мозъчната тъкан, водата представлява около 85%, а в мускулите - повече от 70%; в по-малко активните клетки, като мастната тъкан, водата съставлява около 40% от масата. В живите организми водата не само разтваря много вещества; с негово участие протичат реакции на хидролиза - разделянето на органичните съединения до междинни и крайни вещества.

вещество

Влизане в клетката

Местоположение и трансформация

Имоти

В растенията – от околната среда; при животните се образува директно в клетката по време на
въглехидрати и идва от околната среда

В цитоплазмата, вакуоли, матрикс на органели, ядрен сок, клетъчна стена, междуклетъчни пространства. Влиза в реакции на синтез, хидролиза и окисление

Разтворител. Източник на кислород, осмотичен регулатор, среда за физиологични и биохимични процеси,
химически компонент, терморегулатор

Струва си да се отбележи, че различни органични вещества, когато се окисляват, образуват различни количества вода. Колкото по-богата е молекулата на органичната материя на водород, толкова повече вода се образува при нейното окисление. При окисляване на 100 g мазнини се образуват 107 ml вода, 100 g въглехидрати - 55 ml вода, 100 g протеини - 41 ml вода.

Дневната нужда на човешкия организъм от вода е около 40 g вода на 1 kg телесно тегло. При кърмачетата нуждата от вода на 1 кг тегло е три до четири пъти по-висока, отколкото при възрастните.

Водата в организмите на живите същества изпълнява не само транспортна функция, но и се използва в метаболитните процеси. Включването на вода в органични вещества в голям мащаб се случва в зелени растения, в които въглехидрати, протеини, липиди и други органични вещества се синтезират от вода, въглероден диоксид и минерални азотни вещества с помощта на слънчева енергия.

Потокът на вода в тялото се регулира от чувството на жажда. Още при първите признаци на сгъстяване на кръвта, в резултат на рефлексно възбуждане на определени части на мозъчната кора, възниква жажда - желание за пиене. При консумация дори на голямо количество вода наведнъж кръвта не се обогатява веднага с вода, не се втечнява. Това се обяснява с факта, че водата от кръвта бързо навлиза в междуклетъчните пространства и увеличава количеството на междуклетъчната вода. Водата, абсорбирана в кръвта и отчасти в лимфата от червата, навлиза в голяма степен през кожата и се задържа известно време. Черният дроб също задържа известно количество вода, постъпила в тялото.

Водата се екскретира от тялото, главно чрез бъбреците, с урината, в малко количество се екскретира от стените на червата, след това от потните жлези (през кожата) и белите дробове с издишвания въздух. Количеството вода, отделено от тялото, не е постоянно. При силно изпотяване с пот от тялото могат да се отделят 5 или повече литра вода на ден. В този случай количеството вода, отделяно от бъбреците, намалява, урината се сгъстява. Намалява отделянето на урина, когато пиенето е ограничено. Възможно е обаче сгъстяване на урината до определена граница и при по-нататъшно ограничаване на пиенето се забавя екскрецията на крайните продукти на азотния метаболизъм и минералите от тялото, което се отразява негативно на жизнената дейност на тялото. При обилен прием на вода в тялото се увеличава отделянето на урина.

Водата в природата. Водата е много често срещано вещество на Земята. Почти 3 4 повърхности на земното кълбо са покрити с вода, образувайки океани, морета, реки и езера. Голяма част от водата е в газообразно състояние като пара в атмосферата; под формата на огромни маси от сняг и лед, той лежи през цялата година по върховете на високите планини и в полярните страни. В недрата на земята също има вода, която напоява почвата и скалите.

Водата е от голямо значение в живота на растенията, животните и хората. Според съвременните представи самият произход на живота се свързва с морето. Във всеки организъм водата е среда, в която протичат химични процеси, осигуряващи жизнената дейност на организма; освен това самата тя участва в редица биохимични реакции.

Чистата вода е безцветна прозрачна течност. Плътност на водата при прехода неяот твърдо в течно състояние не намалява, както при почти всички други вещества, а се увеличава. Когато водата се загрее от 0 преди 4 С нейната плътност също се увеличава. При 4 С водата има максимална плътност и едва при по-нататъшно нагряване тя намалява.

От голямо значение в живота на природата е фактът, че водата. има необичайно висок топлинен капацитет, следователно през нощта, както и при прехода от лято към зима, водата се охлажда бавно, а през деня или при прехода от зима към лято също бавно се загрява, като по този начин температурата е регулатор на земното кълбо.

Молекулата на водата има ъглова структура; ядрата, включени в неговия състав, образуват равнобедрен триъгълник, в основата на който има два протона, а на върха - ядрото на кислородния атом, Междуядрените разстояния O- са близки до 0,1 nm,разстоянието между ядрата на водородните атоми е приблизително 0,15 nm. И осемте електрона, които изграждат външния електронен слой на киселинния атом лородавъв водна молекула

Водата е силно реактивоспособно вещество. Оксидите на много метали и неметали се свързват с вода, за да образуват основи и киселини; някои соли образуват кристални хидрати с вода; най-активните метали взаимодействат с водата с отделянето на водород.

Водата има и каталитична способност. При липса на следи от влага някои от обичайните реакции почти не се проявяват; например хлорът не взаимодейства с металите, флуороводородът не корозира стъклото, а натрият не се окислява във въздуха.

Водата може да се свързва с редица вещества, които при нормални условия са в газообразно състояние, образувайки така наречените газови хидрати. Примери са съединения Xe 6H O, CI 8HO, CH 6H O, CH 17H O, които се утаяват под формата на кристали при температури от 0 до 24 ° C (обикновено при повишено налягане на съответния газ). Такива съединения възникват в резултат на запълване с газови молекули ("гост") междумолекулни кухини, присъстващи в структурата на водата ("домакин"); те се наричат ​​съединения на включване или клатрати.

Пуринови нуклеозиди:

Пиримидинови нуклеозиди:

ЕНЗИМИ, органични вещества с протеинова природа, които се синтезират в клетките и многократно ускоряват протичащите в тях реакции, без да претърпяват химични трансформации. Вещества с подобен ефект съществуват в неживата природа и се наричат ​​катализатори. Ензимите (от латински fermentum - ферментация, закваска) понякога се наричат ​​ензими (от гръцки en - вътре, zyme - закваска). Всички живи клетки съдържат много голям набор от ензими, от чиято каталитична активност зависи функционирането на клетките. Почти всяка от многото различни реакции, протичащи в клетката, изисква участието на специфичен ензим. Изследването на химичните свойства на ензимите и реакциите, които те катализират, е специална, много важна област на биохимията - ензимологията.

Много ензими са в клетката в свободно състояние, като просто са разтворени в цитоплазмата; други са свързани със сложни високо организирани структури. Има и ензими, които обикновено са извън клетката; по този начин ензимите, които катализират разграждането на нишестето и протеините, се секретират от панкреаса в червата. Секретират ензими и много микроорганизми.

Първите данни за ензимите са получени чрез изучаване на процесите на ферментация и смилане. Л. Пастьор има голям принос в изучаването на ферментацията, но смята, че само живи клетки могат да извършват съответните реакции. В началото на 20в E. Buchner показа, че ферментацията на захарозата с образуването на въглероден диоксид и етилов алкохол може да се катализира от безклетъчен екстракт от дрожди. Това важно откритие стимулира изолирането и изследването на клетъчните ензими. През 1926 г. J. Sumner от университета Корнел (САЩ) изолира уреаза; това беше първият ензим, получен в практически чиста форма. Оттогава са открити и изолирани повече от 700 ензима, но много повече съществуват в живите организми. Идентифицирането, изолирането и изследването на свойствата на отделните ензими заемат централно място в съвременната ензимология.

Ензими, участващи във фундаменталните процеси на преобразуване на енергията, като разграждането на захарите, образуването и хидролизата на високоенергийното съединение аденозин трифосфат (АТФ), присъстват във всички видове клетки – животински, растителни, бактериални. Има обаче ензими, които се произвеждат само в тъканите на определени организми. По този начин ензимите, участващи в синтеза на целулоза, се намират в растителните клетки, но не и в животинските клетки. Следователно е важно да се прави разлика между "универсалните" ензими и ензимите, специфични за определени видове клетки. Най-общо казано, колкото по-специализирана е клетката, толкова по-вероятно е тя да синтезира набор от ензими, необходими за изпълнение на определена клетъчна функция.

Ензимите са като протеините. Всички ензими са протеини, прости или сложни (т.е. съдържащи, заедно с протеиновия компонент, небелтъчна част). Вижте също ПРОТЕИНИ.

Ензимите са големи молекули, техните молекулни тегла варират от 10 000 до над 1 000 000 далтона (Da). За сравнение, да речем. маси на известни вещества: глюкоза - 180, въглероден диоксид - 44, аминокиселини - от 75 до 204 Da. Ензимите, които катализират едни и същи химични реакции, но изолирани от клетки от различни видове, се различават по свойства и състав, но обикновено имат известно структурно сходство.

Лесно се губят структурните характеристики на ензимите, необходими за тяхното функциониране. Така че, когато се нагрява, протеиновата верига се пренарежда, придружено от загуба на каталитична активност. Алкалните или киселинните свойства на разтвора също са важни. Повечето ензими работят най-добре в разтвори с рН, близко до 7, когато концентрацията на Н+ и ОН- йони е приблизително еднаква. Това се дължи на факта, че структурата на протеиновите молекули и следователно активността на ензимите силно зависят от концентрацията на водородни йони в средата.

Не всички протеини, присъстващи в живите организми, са ензими. Така структурните протеини, много специфични кръвни протеини, протеиновите хормони и т.н. изпълняват различна функция.

коензими и субстрати. Много ензими с голямо молекулно тегло проявяват каталитична активност само в присъствието на специфични вещества с ниско молекулно тегло, наречени коензими (или кофактори). Ролята на коензими играят повечето витамини и много минерали; затова те трябва да се приемат с храната. Витамините РР (никотинова киселина или ниацин) и рибофлавин, например, са част от коензимите, необходими за функционирането на дехидрогеназите. Цинкът е коензим на карбоанхидразата, ензим, който катализира освобождаването на въглероден диоксид от кръвта, който се отстранява от тялото заедно с издишания въздух. Желязото и медта са компоненти на респираторния ензим цитохромоксидаза.

Вещество, което претърпява трансформация в присъствието на ензим, се нарича субстрат. Субстратът се присъединява към ензима, което ускорява разкъсването на някои химични връзки в неговата молекула и създаването на други; полученият продукт се отделя от ензима. Този процес е представен по следния начин:

Механизмът на действие на ензимите. Скоростта на ензимната реакция зависи от концентрацията на субстрата [S] и количеството на наличния ензим. Тези стойности определят колко молекули на ензима ще бъдат свързани към субстрата и скоростта на реакцията, катализирана от този ензим, зависи от съдържанието на комплекса ензим-субстрат. В повечето ситуации, представляващи интерес за биохимиците, концентрацията на ензима е много ниска и субстратът присъства в излишък. Освен това биохимиците изучават процеси, които са достигнали стабилно състояние, при което образуването на ензимно-субстратен комплекс се балансира чрез превръщането му в продукт.

Изясняването на механизмите на действие на ензимите във всички подробности е въпрос на бъдещето, но някои от техните важни характеристики вече са установени. Всеки ензим има едно или повече активни места, към които се свързва субстрата. Тези центрове са силно специфични; "разпознават" само "своя" субстрат или тясно свързани съединения. Активният център се образува от специални химични групи в ензимната молекула, ориентирани една спрямо друга по определен начин. Загубата на ензимна активност, която се случва толкова лесно, е свързана именно с промяна във взаимната ориентация на тези групи. Молекулата на субстрата, свързана с ензима, претърпява промени, в резултат на което някои химични връзки се разкъсват и се образуват други химични връзки. За да се случи този процес, е необходима енергия; ролята на ензима е да понижи енергийната бариера, която субстратът трябва да преодолее, за да се превърне в продукт. Как точно се постига това намаление не е напълно установено.

Ензимни реакции и енергия. Освобождаването на енергия при метаболизма на хранителните вещества, като окисляването на шествъглеродната захар глюкоза до образуване на въглероден диоксид и вода, се получава в резултат на последователни координирани ензимни реакции. В животинските клетки 10 различни ензима участват в превръщането на глюкозата в пирогроздена киселина (пируват) или млечна киселина (лактат). Този процес се нарича гликолиза. Първата реакция, глюкозното фосфорилиране, изисква участието на АТФ. Превръщането на всяка глюкозна молекула в две молекули пирогроздена киселина изразходва две молекули АТФ, но в същото време 4 молекули АТФ се образуват от аденозин дифосфат (ADP) на междинните етапи, така че целият процес дава 2 молекули АТФ.

Освен това пирогроздената киселина се окислява до въглероден диоксид и вода с участието на ензими, свързани с митохондриите. Тези трансформации образуват цикъл, наречен цикъл на трикарбоксилната киселина или цикъл на лимонената киселина. Вижте също МЕТАБОЛИЗЪМ.

Окисляването на едно вещество винаги е свързано с редукция на друго: първото отдава водороден атом, а второто го добавя. Тези процеси се катализират от дехидрогенази, които осигуряват преноса на водородни атоми от субстрати към коензими. В цикъла на трикарбоксилната киселина някои специфични дехидрогенази окисляват субстратите, за да образуват редуцирана форма на коензима (никотинамид динуклеотид, обозначен като NAD), докато други окисляват редуцирания коензим (NADH), възстановявайки други респираторни ензими, включително цитохроми (желязосъдържащи хемопротеини) , при което железният атом се окислява, след това редуцира. В крайна сметка редуцираната форма на цитохромоксидазата, един от ключовите ензими, съдържащи желязо, се окислява от кислорода, влизащ в тялото ни с вдишвания въздух. Когато захарта се изгаря (окислява се от атмосферния кислород), нейните въглеродни атоми директно взаимодействат с кислорода, образувайки въглероден диоксид. За разлика от горенето, когато захарта се окислява в тялото, кислородът окислява собственото желязо на цитохромоксидазата, но неговият окислителен потенциал в крайна сметка се използва за пълно окисляване на захарите в многоетапен, медииран от ензими процес.

В отделните етапи на окисление енергията, съдържаща се в хранителните вещества, се освобождава предимно на малки порции и може да се съхранява във фосфатните връзки на АТФ. Това включва чудесни ензими, които свързват окислителните реакции (произвеждане на енергия) с реакции на образуване на АТФ (съхранение на енергия). Този процес на свързване е известен като окислително фосфорилиране. Ако нямаше свързани ензимни реакции, животът в познатите ни форми би бил невъзможен.

Ензимите изпълняват и много други функции. Те катализират различни реакции на синтез, включително образуването на тъканни протеини, мазнини и въглехидрати. Цели ензимни системи се използват за синтезиране на огромния набор от химични съединения, открити в сложни организми. Това изисква енергия и във всички случаи тя идва от фосфорилирани съединения като АТФ.

Ензими и храносмилане. Ензимите са основни участници в процеса на храносмилане. Само съединения с ниско молекулно тегло могат да преминат през чревната стена и да навлязат в кръвния поток, така че компонентите на храната трябва първо да бъдат разградени на малки молекули. Това се случва по време на ензимната хидролиза (разграждане) на протеини до аминокиселини, нишесте до захари, мазнини до мастни киселини и глицерол. Хидролизата на протеините се катализира от ензима пепсин, съдържащ се в стомаха. Редица високоефективни храносмилателни ензими се секретират в червата от панкреаса. Това са трипсин и химотрипсин, които хидролизират протеините; липаза, която разгражда мазнините; амилазата катализира разграждането на нишестето. Пепсинът, трипсинът и химотрипсинът се секретират в неактивна форма, под формата на т.нар. зимогени (проензими) и стават активни само в стомаха и червата. Това обяснява защо тези ензими не разрушават клетките на панкреаса и стомаха. Стените на стомаха и червата са защитени от храносмилателни ензими и слой слуз. Няколко важни храносмилателни ензима се секретират от клетките в тънките черва.

По-голямата част от енергията, съхранявана в растителни храни, като трева или сено, се съхранява в целулоза, която се разгражда от ензима целулаза. В тялото на тревопасните животни този ензим не се синтезира, а преживните, като говеда и овце, могат да ядат храна, съдържаща целулоза, само защото целулазата се произвежда от микроорганизми, които обитават първия отдел на стомаха - търбуха. Термитите също усвояват храната с помощта на микроорганизми.

Ензимите се използват в хранително-вкусовата, фармацевтичната, химическата и текстилната промишленост. Пример е растителен ензим, извлечен от папая и използван за омекотяване на месо. В праховете за пране също се добавят ензими.

Ензими в медицината и селското стопанство. Осъзнаването на ключовата роля на ензимите във всички клетъчни процеси доведе до широкото им използване в медицината и селското стопанство. Нормалното функциониране на всеки растителен и животински организъм зависи от ефективната работа на ензимите. Действието на много токсични вещества (отрови) се основава на способността им да инхибират ензимите; редица лекарства имат същия ефект. Често действието на дадено лекарство или токсично вещество може да се проследи чрез избирателния му ефект върху работата на определен ензим в организма като цяло или в отделна тъкан. Например мощните органофосфорни инсектициди и нервнопаралитични агенти, разработени за военни цели, оказват своето вредно действие, като блокират работата на ензимите - предимно холинестеразата, която играе важна роля в предаването на нервните импулси.

За да разберем по-добре механизма на действие на лекарствата върху ензимните системи, е полезно да разгледаме как действат някои ензимни инхибитори. Много инхибитори се свързват с активното място на ензима, това, с което взаимодейства субстратът. В такива инхибитори най-важните структурни характеристики са близки до структурните характеристики на субстрата и ако и субстратът, и инхибиторът присъстват в реакционната среда, те се конкурират за свързване с ензима; колкото по-висока е концентрацията на субстрата, толкова по-успешно той се конкурира с инхибитора. Инхибиторите от друг тип предизвикват конформационни промени в ензимната молекула, които включват функционално важни химични групи. Изследването на механизма на действие на инхибиторите помага на химиците да създават нови лекарства.

Гликолиза.

Гликолизата е първият и при анаеробни условия основен етап по пътя на „използване на глюкозата и другите въглехидрати за задоволяване на биоенергийните нужди на живите организми. В допълнение, в междинните етапи на гликолизата се образуват три въглеродни фрагменти, които се използват за биосинтеза на редица вещества.

Основният етап на гликолизата е окислителното разграждане на глюкозата до две молекули пируват, сол на пирогроздена киселина, като се използват две молекули NAD като окислител. Стереометричното уравнение на процеса се записва като:

1. Превръщане на глюкоза в глюкозо-6-фосфат, катализирано от хексокиназа:

2. Изомеризация на глюкозо-6-фосфат до фруктозо-6-фосфат, катализирана от глюкозо-6-фосфат изомераза:

3. Фосфорилиране на фруктозо-b-фосфат до фруктозо-1,6-дифосфат, катализирано от 6-фосфофруктоназа:

4. Разлагане на фруктозо-1,6-dpфосфат в glcsraldegpd-3-фосфат и дихидроксиацетон фосфат, катализирано от фруктоза и фосфат от алдолаза:

5. Изомеризация на дихидроксиацетон фосфат до глицералдехид-3-фосфат, катализирана от триозо фосфат изомераза:

Ако следващите стъпки са преобладаващият път на превръщане на глюкозата, тогава тази реакция осигурява постепенно спиране на дихидроксацетон фосфат до глицералдехид-3-фосфат.

6. Окисляване на глицералдехид-3-фосфат до 1,3-дифосфаглицерат, катализирано от глицералдехид-3-фосфат дехидросиеназа:

Процесът протича чрез междинно образуване на триестер между окисляващата се алдехидна група и Sll-групата на Znsteppa остатъка, който отива към активното място на ензима. След това тази връзка се подлага на фосфоролиза с неорганичен фосфат, с регенериране на активния център и образуване на смесен анхидрид от 3-фосфоглицеринова киселина и фосфорна киселина:

7. Прехвърляне на фосфат от 1,3-dpфосфоглицерат към ADP с образуването на ATP молекула, катализирано от фосфоглицерат киназа (името е дадено в съответствие с обратната реакция):

8. Изомеризация на 3-фосфоглицерат до 2-фосфоглицерат, катализирана от фосфоглицерат мутаза:

9. Дехидратация на 2-фосфоглицерат, катализирана от еуолаза n, водеща до образуването на силен макроерг - фосфоейолпроват:

10. Прехвърлянето на фосфат от фосфоенол пируват към ADP с образуването на друга ATP молекула, катализирано от пируоат киназа (името е дадено в съответствие с обратната реакция):

Преди да обобщим тези уравнения, трябва да се обърне внимание на факта, че в първите етапи на гликолизата, две високоенергийни връзки в A-GP молекулите се изразходват за превръщане на глюкозата в глюкозо-6-фосфат и фруктозо-6-фосфат в фруктозо-1,6-дифосфат В следващите етапи, на една първоначална молекула глюкоза, две ADP молекули се фосфорилират в реакцията и две в реакцията. По този начин резултатът е превръщането на две ADP молекули и две ортофосфатни молекули в две ATP молекули Като се има предвид това, общото уравнение трябва да бъде написано като:

Ако броим от глюкозо-6-фосфат, тогава уравнението ще приеме формата:

Схема на гликолиза (превръщане на глюкоза в две молекули пируват)

естествени и денатурирани протеини.

Протеините и нуклеиновите киселини в живите организми се образуват чрез последователно удължаване на полимерната верига от мономерни единици, чийто ред на свързване се определя от нуклеиновите киселини, програмиращи биосинтезата. Последните обаче определят само първичната структура на създадения биополимер. За да може един биополимер да приеме нативната структура, необходима за неговото функциониране, е необходимо последната да бъде програмирана от самата първична структура на протеина.

Нативността на протеина се определя от трициалната структура. Нативният протеин е протеин, способен да изпълнява всички биологични функции. Тритната структура лесно се разрушава поради промени в pH на средата, промени в температурата, соли на тежки метали и др. Протеинът губи свойствата си с повишаване на температурата и неизбежно идва момент, когато естествената структура става термодинамично нестабилна. Разрушаването му води до факта, че полипептидната верига губи подредено потвърждение и се превръща в полимер с непрекъснато променяща се пространствена структура. В химията на високомолекулните съединения такива образувания се наричат ​​статистическа намотка. В биохимията трансформацията на нативен протеин в произволна спирала се нарича протеинова денатурация.

Денатурираният протеин е лишен от всякаква биологична активност и в биологичните системи може да се използва главно само като източник на аминокиселини, т.е. като хранителен продукт.

Обратната трансформация на денатуриран протеин в нативен е възможна само когато нативната структура е програмирана в първичната структура.

витаминигрупид.

Известни са около десет витамина D, които се различават леко по структура. Всички те принадлежат към групата на стероидите - сложни органични съединения с кондензирани пръстени. Всички витамини D участват в управлението на отлагането на калций и фосфор в растящите човешки кости. При липса на витамин D този процес се нарушава, което води до омекване и деформиране на костите. Това явление се нарича рахит и е характерно само за детската възраст.

Витамин D се съдържа в някои храни, но в количества, които са недостатъчни за човешкия растеж. Организмът компенсира липсващото количество витамин D поради наличието в организма на 7-дехидрохолестерол – съединение от групата на стероидите, сходно по структура с витамин D. Съдържащият се директно под кожата 7-дехидрохолестерол човек се превръща във витамин D3 под действието на слънчевата светлина:

Витамин D (калциферол) е много подобен по структура на витамин D3 и се образува от стероиден алкохол - ергостерол, съдържащ се в дрожди, плесен и др., също под въздействието на радиация.

Структурната формула на пептида е валил-изолевцил-метионил-аргенин.

Библиография

1. Д.Е., Техника и производство. М., 1972

2. Хомченко Г.П. , Химия за кандидат-студенти. М., 1995

3. Прокофиев M.A., Енциклопедичен речник на млад химик. М., 1982

4. Глинка Н.Л., Обща химия. Ленинград, 1984 г

5. Н. С. Ахметов, Неорганична химия. Москва, 1992 г