caracteristica structurii primare a unei proteine. Structura primară a unei proteine. Structuri suplimentare de proteine

Cursul 3 Structura proteinelor

Definiție:

Proteinele sunt polimeri neregulați ai căror monomeri sunt L- aminoacizi.

Aminoacizi

În natură, există două forme de stereoizomeri: L (stangaci) si D (dreptaci). În afară de L -aminoacizi incluși în proteine, organismul are și D aminoacizi care nu sunt incluși în proteine.

Formula generală a unui aminoacid este prezentată în figură.

Este adevărat pentru 19 din cei 20 de aminoacizi găsiți în proteine. Pe lângă acești 19 aminoacizi, proteinele conțin unul iminoacid - prolina.

Toți aminoacizii au α -grupa amino. De aici și numele - „α-aminoacizi”. În prolină - α- imino grup.

Clasificarea aminoacizilor care alcătuiesc proteinele, după principiul polarității (nepolarității) radicalului.

1. Radicali nepolari sau hidrofobi.

alifatic - alanină, valină, leucină, izoleucină. Sulf metionină. Aromatic - fenilalanină, triptofan. iminoacid prolina.

2. Radicali polari dar neîncărcați. Glicina.

oxiaminoacizi - serină, treonină, tirozină. conţinând o grupare sulfhidril cisteină. Conținând o grupare amidă: asparagină, glutamină.

3. Radicali încărcați negativ. Acid aspartic, acid glutamic.

4. radicali încărcați pozitiv. Lizină, arginină, histidină.

Structura primară a unei proteine

Definiție:

Structura primară a unei proteine ​​este secvența reziduurilor de aminoacizi din lanțul polipeptidic.

Aminoacizii sunt legați într-o polipeptidă folosind legături covalente (amidă).

O tripeptidă formată din trei aminoacizi diferiți poate avea 3! = 6 structuri primare diferite.

O oligopeptidă constând din douăzeci de aminoacizi diferiți are o varietate de structuri primare de 20!, ceea ce înseamnă 2x10 18 .

Diversitatea structurilor primare ale unei proteine ​​de dimensiuni medii (aproximativ 500 de aminoacizi) este deja de aproximativ 20.500 de variante (dacă toți aminoacizii sunt prezentați în rapoarte echimolare).

PePământul nu a fost, nu este și nu vor fi doi oameni cu un set complet identic de proteine.

Structura secundară a unei proteine

Definiție:

Structura secundară a unei proteine ​​este o structură ordonată a lanțurilor polipeptidice datorită legăturilor de hidrogen dintre C=O și N- Hdiferiți aminoacizi.

Structura secundară poate fi regulată (α-helix) și neregulată (structură β-pliată). În α-helix grupa NH n al-lea rest de aminoacid interacționează cu gruparea C=O a restului de (n-4)-al-lea de aminoacid. Există 3,6 reziduuri de aminoacizi pe o tură a β-helixului cu un diametru de 10,1 Å. Perioada de identitate a unui α-helix obișnuit este de 18 aminoacizi (5 ture). Încălcătorul α-helixului obișnuit este în primul rând prolina. A doua cea mai importantă influență este exercitată de radicalii adiacenți încărcați egal.

Pliurile β pot forma nu numai polipeptide unice, ci și adiacente care sunt incluse într-o singură proteină.

Pur natural alfa sau beta - proteinele nu există.

Structura terțiară a unei proteine

Definiție

Structura terțiară a unei proteine ​​este conformația spațială a unei polipeptide care are o structură secundară și este determinată de interacțiunile dintre radicali.

Există patru tipuri de interacțiuni între radicali.

Tipuri de interacțiuni între radicali

1 . covalent Comunicarea între resturi Două cisteinele (disulfură poduri).

2. Interacțiuni ionice (electrostatice) între resturile de aminoacizi încărcate opus (trei radicali cu semnul „+” și doi cu semnul „-”).

De exemplu, grupa ε-amino încărcată pozitiv a lizinei (- NH3 +) este atras de gruparea carboxil încărcată negativ - (COO-) a acidului glutamic sau aspartic.

3. Legături de hidrogen.

Toți aminoacizii cu grupări hidroxil, amidă sau carboxil participă.

4. Interacțiuni hidrofobe . Formată între radicalii nepolari în mediu acvatic. Sunt implicați 8 aminoacizi (clasa I).

Structura terțiară a unei proteine ​​este complet determinată de structura sa primară, adică. secvența de aminoacizi, care la rândul său este determinată de codul genetic.

Interacțiunile hidrofobe sunt decisive datorită neselectivității (nespecificității) și multiplicității.

Un miez hidrofob există în majoritatea proteinelor.

Structura proteinelor cuaternare

Definiție: Structura cuaternară a unei proteine ​​este agregarea a două sau Mai mult lanțuri polipeptidice având o structură terțiară într-o compoziție oligomerică semnificativă funcțional.

Legăturile care formează și mențin structura cuaternară sunt aceleași ca și în formarea structurii terțiare, cu excepția celor hidrofobe.

Din cei 574 de aminoacizi, 2 au fost înlocuiți.

O astfel de hemoglobină își pierde solubilitatea, se formează un precipitat fibros care deformează eritrocitul.

Anemia falciformă este o boală genetică. Motivul este înlocuirea unei singure nucleotide în gena care codifică lanțul B al hemoglobinei. Copiii care sunt homozigoți recesivi pentru această alelă nu trăiesc până la doi ani. Heterozigoții au 85% eritrocite normale și 15% defecte. Homozigoții dominanti fac malarie, heterozigoții nu.

Proteine ​​globulare și fibrilare

95% dintre proteine ​​au un miez hidrofob. 5% proteine ​​fibrilare.

Marea majoritate a proteinelor globulare sunt solubile. Majoritatea celor fibrilare sunt insolubile (α-keratine - reprezintă aproape toată greutatea uscată a părului, lânii, coarne, copite, unghii, solzi, pene; colagen - proteină de tendon, cartilaj; fibroină - proteină de mătase).

Proteinele fibrilare conțin o proporție mai mare de aminoacizi încărcați decât cele globulare - lanțurile individuale sunt solubile, în timp ce complexele lor sunt nepolare și insolubile.

STRUCTURA PROTEINEI

În structura proteinelor se disting patru niveluri de organizare a moleculei: structuri primare, secundare, terțiare și cuaternare. Primele două niveluri sunt caracteristice tuturor proteinelor. Structurile terțiare și cuaternare apar numai în proteinele globulare.

Structura primară a proteinelor

Structura primară a proteinelor este secvența reziduurilor de aminoacizi din lanțul polipeptidic. Ordinea aminoacizilor dintr-o proteină este determinată genetic de secvența nucleotidelor din ADN. O polipeptidă se formează prin interacțiunea grupării carboxil a unui aminoacid cu gruparea amino a unui alt aminoacid - o legătură peptidică.

„Capul” (NH2-) unui aminoacid este atașat de „coada” (-COOH) altui aminoacid. O legătură peptidică (-CO-NH-) este închisă între aminoacizi, care este singurul tip de legătură din structura primară a proteinei. După cum se poate observa din schema de mai sus, apa este eliberată în timpul formării unei legături peptidice. Scindarea legăturii peptidice în timpul hidrolizei este însoțită de adăugarea de apă la locul legăturii clivabile. Produsul final al hidrolizei proteinelor și polipeptidelor sunt aminoacizii liberi.

Legătura peptidică este mai puternică decât legăturile simple dintre carbon și azot, deoarece, ca urmare a tautomeriei, este 40% dublă. Din același motiv, într-un lanț polipeptidic, rotația este posibilă numai în jurul atomilor de carbon asociați cu radicalul

Scheletul tuturor polipeptidelor este același. Lanțurile polipeptidice diferă prin natura și secvența radicalilor. Polipeptida se numește în funcție de numărul resturilor sale de aminoacizi constitutive: dipeptidă, tripeptidă etc.

Proteinele sunt polipeptide care conțin mai mult de 50 de resturi de aminoacizi. Cea mai simplă proteină este insulina. Conține doar 51 de reziduuri de aminoacizi. Ribonucleaza include 124 de reziduuri, hemoglobina 574.

În proteine, secvența de aminoacizi, adică structura primară, este strict definită. Înlocuirea unui reziduu de aminoacizi cu altul produce o nouă proteină. Deci, în poziția a noua a insulinei bovine, există un reziduu de serină, iar în insulina de berbec - glicină. În insulina umană și cea de cal, diferențele se referă la trei reziduuri de aminoacizi - al optulea, al nouălea și al zecelea. Toate insulinele enumerate au o structură primară diferită. Proteinele diferitelor organisme cu aceeași funcție sunt numite omoloage.

Structura secundară a proteinelor

Există două tipuri principale de structuri secundare în proteine: helix și strat pliat.

Spirale . Datorită rotației libere a legăturilor în jurul atomului de carbon α din lanțul polipeptidic, liniaritatea lanțului polipeptidic este perturbată. Acest lucru duce la formarea de spirale. Există 3 tipuri de spirale.

1. Keratina se caracterizează prin α-c spirală. Lanțul polipeptidic al keratinei este, parcă, înfășurat în jurul unui cilindru imaginar. Bobine una lângă alta ținute de legături de hidrogenîntre oxigenul unei legături peptidice și hidrogenul celeilalte legături peptidice. Legăturile de hidrogen sunt de 20 de ori mai slabe decât legăturile covalente dintre oxigen și hidrogen, dar datorită abundenței lor, țin elica destul de ferm.

2. β -spirală găsite în proteinele bacteriene. O tură a p-helix-ului constă din 22 de resturi de aminoacizi, β-helix este un tub gol, iar α-helix este un cilindru umplut.

3. spirală spartă caracteristic colagenului. Acest tip de helix este o consecință a conținutului ridicat de glicină și prolină cu hidroxiprolină în colagen - aminoacizi care încalcă „corectitudinea” helixului.

CU strat pliat caracteristica proteinei de mătase – fibroină. Direcția lanțurilor adiacente în stratul pliat este opusă (antiparalele) Lanțuri unul lângă celălalt ținute de legături de hidrogen.

Helicile și straturile pliate din proteinele fibrilare dau adesea naștere la structuri super-secundare sau superbobine. Deci, 7 elice α de cheratină formează o supercoilă. La rândul lor, 11 superbobine de cheratină formează o microfibrilă de păr.

Structura secundară a proteinelor globulare nu este la fel de uniformă ca cea a proteinelor fibrilare. Deci, în molecula de mioglobină, 77% din lanțul polipeptidic este spiralat și 23% nu este spiralizat. Gradul de spiralizare al insulinei - 60%, albumina de ou - 40%, pepsina - 28%. Lanțul polipeptidic al chimotripsinei aproape că nu conține secțiuni spiralate, cu toate acestea, există pliate, straturi, bucle, îndoituri etc.

În structura proteinelor globulare cu o greutate moleculară de peste 20 de mii Da, conceptul se distinge domeniu - suprafeţe mici de 100-150 de resturi de aminoacizi cu o structură caracteristică. Ele sunt numite domenii structurale.

Între domenii și individ blocuri de construcțieîn cadrul domeniului există așa-zise secțiuni cu balamale . Adesea, mai multe domenii similare de același tip se găsesc într-o proteină.

Există un alt concept domeniul functional . În acest din urmă caz, unul sau mai multe domenii structurale formează împreună un situs separat funcțional în molecula de proteină: un situs substrat, mediul centrului activ al unei enzime sau inhibitor, un canal ionic într-o membrană etc.

Structura terțiară- amplasarea lanțului polipeptidic (spiralizat, low-coiled sau necoiled) în spațiul tridimensional.

În ciuda tulburării aparente a spirei globulare, structura sa este strict definită și are unele regularități.

1. Lanțurile polipeptidice din globulă sunt împachetate foarte strâns.

2. De obicei, grupele polare ale proteinei sunt situate pe suprafața globului, iar radicalii hidrofobi sunt ascunși în interiorul acestuia.

Acetonă" href="/text/category/atceton/" rel="bookmark">Precipită proteina acetonă. Această precipitare se numește sărând afară. Mecanismul de sărare este că ionii de sare și moleculele de alcool și acetonă, având o înveliș puternic de hidratare proprie, iau apa din molecula de proteină. Diferite proteine ​​sunt sărate la diferite concentrații de săruri. Globulinele sunt sărate într-o soluție semisaturată de sulfat de amoniu, iar albuminele numai într-o soluție saturată a acestei săruri. Sarea fracționată este utilizată pentru a separa și purifica proteinele.

Unele proteine ​​precipită la un pH corespunzător punct izoelectric. Astfel, cazeina precipită la pH 4,7, deoarece la acest pH moleculele nu au încărcătură și se agregează rapid în particule mari care sunt instabile în soluție. Alte proteine ​​sunt mai stabile, iar pentru precipitarea lor este necesară influențarea ambilor factori de stabilitate a proteinelor.

Dializa proteinelor

Datorită dimensiunii mari, moleculele proteice nu pătrund prin unele pelicule; celofan, vezică de pește, etc. Această proprietate este utilizată pentru purificarea proteinelor din impuritățile cu greutate moleculară mică, adică pentru dializă.

O soluție proteică cu un amestec de săruri este turnată într-o pungă de plastic, punga este plasată într-un vas prin care curge apă distilată. Ioni mici de săruri și alte substanțe pătrund în celofanul în apă și sunt îndepărtați, în timp ce soluția proteică rămâne în pungă.

sarcina proteica

În compoziția proteinei, de regulă, suma aminoacizilor acizi, încărcați negativ (glutamic, aspartic) nu este egală cu suma aminoacizilor bazici, încărcați pozitiv (lizină, arginină, histidină). Din acest motiv, proteinele din apă au o sarcină pozitivă sau negativă. Când o soluție a unei astfel de proteine ​​este acidulată (în exces de H+), ionizarea grupărilor carboxil va fi suprimată și vine un moment în care suma grupărilor încărcate pozitiv va fi egală cu suma celor încărcate negativ. În acest caz, molecula proteică în ansamblu nu are nicio sarcină. Această stare a proteinei se numește uh electrice, iar pH-ul la care apare starea izoelectrică se numește punct izoelectric (IEP). IEP este una dintre cele mai importante caracteristici ale unei proteine.

Odată cu acidificarea suplimentară a soluției, proteina devine încărcată pozitiv. Are loc reîncărcarea moleculelor de proteine. Dacă luăm o proteină încărcată pozitiv, atunci când este alcalinizată, aceasta capătă mai întâi o stare izoelectrică și apoi devine încărcată negativ.

Regula generală este că o proteină la un pH sub IEP este încărcată pozitiv și este un cation, iar la un pH peste IEP este încărcată negativ și este un anion.

Diferența de încărcare a proteinelor le permite să fie separate într-un câmp electric constant. Această metodă de separare se numește electroforeză.

Cromatografia cu schimb de ioni se bazează și pe diferența de încărcare a substanțelor separate din amestec.

Denaturarea proteinelor

Denaturarea este orice modificare nehidrolitică a structurii proteinelor, însoțită de o modificare a acestora activitate biologică si functii. Mulți factori pot provoca denaturarea: fierbere, temperatură ridicată, ultraviolete și radiatii ionizante, suprapresiune, săruri ale metalelor grele, valori extreme ale pH-ului (acizi puternici și alcalii), unii compuși organici.

Încălzirea și diferitele tipuri de radiații distrug hidrogenul și legăturile ionice din proteină. Acizii tari, alcalii și soluțiile concentrate de sare rup legăturile ionice. Metalele grele formează legături puternice cu carboxianionii și rup legăturile ionice. Solvenții organici și detergenții perturbă interacțiunile hidrofobe și rup legăturile de hidrogen din proteine.

În timpul denaturarii, toate legăturile slabe din proteină sunt modificate sau distruse: hidrogen, electrostatic, hidrofob etc., dar legăturile peptidice rămân intacte.

Semnele denaturarii sunt:

1) modificarea solubilității. Proteina dizolvată în apă precipită sau, dimpotrivă, proteina insolubilă intră în soluție;

2) modificarea activității optice, de exemplu, unghiul de rotație al planului fasciculului polarizat;

3) apariţia unor noi grupări reactive ascunse înainte de denaturare în interiorul globului proteic;

4) principalul și primul semn de denaturare este pierderea funcției. Proteine ​​structurale se slăbește, enzimele își pierd activitatea catalitică etc.

După ce a fost eliberată din agentul de denaturare, proteina își dobândește treptat proprietățile originale. Acest proces se numește renaturare.

Proprietățile optice ale proteinelor

Cu excepția cromoproteinelor, proteinele sunt incolore. Proteinele absorb lumina ultravioletă cu un maxim la λ=280 nm datorită aminoacizilor aromatici. Al doilea maxim de absorbție la λ=216 nm aparține legăturii peptidice.

Soluțiile de proteine ​​sunt transparente, dar au opalescență - turbiditatea este vizibilă sub iluminarea laterală. Aceste proprietăți sunt folosite pentru a cuantifica proteina.

MONONUCLEOTIDE

Purină Guanină Adenină

Pirimidină Citozină Timină Uracil

Pe lângă bazele enumerate, există derivați metilati, care conțin sulf și alți derivați ai bazelor azotate. Ei sunt numiti, cunoscuti baze minore. De exemplu, la procariote sunt: ​​ribotimidină, inozină, xantină, hipoxantină etc. În total se cunosc aproximativ 60 de baze azotate.

Bazele azotate și compușii formați din acestea absorb intens lumina în regiunea ultravioletă (260-280 nm). Această proprietate este utilizată pentru determinarea cantitativă a substanțelor care conțin baze azotate în compoziția lor.

https://pandia.ru/text/78/240/images/image009_58.jpg" alt="http://*****/biohimija_severina/img/B5873p267-a1.jpg" align="left" width="289" height="203 src=">Важным производным нуклеозидов является !} tabără. Se formează din ATP cu participarea enzimei adenilat ciclază. cAMP este implicat în reglarea proceselor metabolice din celulă. În special, acționează ca un al doilea mediator în acțiunea anumitor hormoni asupra celulei. .

Compușii construiți în funcție de tipul de nucleotide fac parte din unele enzime complexe, jucând rolul coenzime. Adesea în compoziția unor astfel de coenzime se găsesc substanțe azotate care diferă ca structură de bazele purinice și pirimidinice. Ele nu sunt sintetizate în organismul animalelor, ci provin din alimente (vitamine).

mononucleotidă de flavină ( FMN) - fosforilat riboflavina(vitamina B2).

Flavin adenin dinucleotidă ( MOFT) constă din două nucleotide AMP și FMN.

Coenzima A activează și transferă radicalii acil, care sunt atașați de gruparea SH printr-o legătură tioeterică.

În funcție de acidul tolerat, compușii se numesc: acetil-coenzima A, malonil-coenzima A, succinil-coenzima A.

ACIZI NUCLEICI

Acizi nucleici- deoxiribonucleic (ADN) și ribonucleic (ARN) sunt polimeri ai dezoxiribonucleotidelor și, respectiv, ribonucleotidelor. Mononucleotidele din acizii nucleici sunt conectate printr-un rest de acid fosforic între al cincilea carbon al ribozeiȘi al treilea carbon al ribozei nucleotide vecine.

Structura ADN-ului

În 1950, Chargaff a descoperit o serie de modele în compoziția de nucleotide a ADN-ului, care mai târziu au fost numite regulile lui Chargaff. Aceste reguli sunt: ​​1) Pur=Pir, 2) A=T, 3) G=C, 4) A+C=G+T. Regulile lui Chargaff au ajutat la formularea unui model complementar pentru structura ADN-ului.

Structura primară a ADN-ului reprezentată de lanţuri polinucleotidice.

Există o serie de modele în lanțurile ADN:

1) La virusuri și procariote, aproape întreaga secvență de ADN este unică; la eucariote, 30-40% din ADN sunt secvențe repetitive, în special multe secțiuni repetitive din ADN din regiunea centromerului.

2) Lanțurile de ADN nu au ramuri.

3) Există multe (mii) secvențe back-running în ADN - palindromi, „schimbări”. Exemple de schimbători în rusă: „a apăsat mistrețul pe vinete”. Palindromii formează structuri cruciforme - ac de păr, care joacă un rol semnificativ în reglarea expresiei genelor (muncă).

Structura secundară a ADN-ului

În 1953, J. Watson și F. Crick au descoperit că ADN-ul este un dublu helix antiparalel lanțuri polinucleotidice. Lanțurile sunt ținute unul lângă celălalt prin legături de hidrogen formate între bazele azotate, iar între adenină și timină legătura este dublă, iar între citozină și guanină este triplă. In afara dublu helix ADN-ul are o coloană vertebrală de fosfat de zahăr.

Bazele azotate legate complementare sunt orientate spre interior. Într-o stivă, bazele azotate sunt deplasate unele față de altele. Există mai multe tipuri de helix ADN:

1) helix de tip B, găsit în timpul replicării ADN-ului;

2) helix de tip A, observat în timpul transcripției;

3) o spirală de tip Z, răsucită spre stânga și nu spre dreapta, ca o spirală A sau B, apare la încrucișare.

4) Sunt descrise și bobinele de tip C și SBS. Ultima nu este închisă.

Virușii pot avea ADN monocatenar.

Structura terțiară a ADN-ului

Procariotele au molecule circulare de ADN. La eucariote, capetele ADN-ului sunt libere - aceasta este o formă liniară a ADN-ului. Virușii au ADN liniar și circular.

Procariotele nu au nucleu. ADN-ul lor, împreună cu proteinele, este atașat de membrana citoplasmatică, formând un nucleoid.

La eucariote, ADN-ul este separat de restul celulei printr-o membrană nucleară. În interfază, ADN-ul eucariot este concentrat în fire de cromatină. Cromatina conține proteine ​​în plus față de ADN. 50% proteină cromatină - histonele. Histonesle conțin număr mare reziduuri de acizi diaminocarboxilici: arginină și lizină. Acestea sunt proteine ​​globulare foarte conservate care sunt aproape aceleași la toate eucariotele. A doua jumătate a proteinelor cromatinei sunt proteine ​​nonhistone caracterizate printr-o mare diversitate.

Există mai multe niveluri de organizare în cromatina:

1) Nucleozomi. Aproape două ture de ADN sunt înfășurate în jurul miezului a patru perechi de molecule de histonă. Acest - miez. Situat între cortex linker- 40 de perechi de baze acoperite parțial de proteine ​​​​histone și (sau) non-histone sau deloc acoperite de proteine. Histonele sunt implicate în activarea și reprimarea genelor la nivel transcripțional.

2) solenoizi: 6-10 nucleozomi fac o rotire a solenoidului.

3) bucle. Pe scheletul proteinelor non-histone se găsesc bucle de 30-90 de mii de perechi de baze, în care începutul și sfârșitul sunt situate în apropiere.

4) Nivel superior organizarea ADN-ului la eucariote este cromozomul. Baza cromozomului este o matrice proteică, de care este atașat ADN-ul. La capetele unui cromozom sunt secțiuni de ADN numite telomerii. Replicarea poate începe de la telomeri; telomerii protejează capetele cromozomilor de degradare.

Cu fiecare replicare, telomerii se scurtează. După ce a atins o anumită valoare critică a telomerilor, celula moare. Telomeraza - o enzimă care restabilește lungimea telomerilor, face celula nemuritoare. Telomeraza se găsește în tulpina reproductivă Și celulele canceroase, alte celule nu. În centrul cromozomului se află centromer- de asemenea ADN necodant, asigurand divergenta corecta a cromozomilor in timpul diviziunii celulare.

Majoritatea ADN-ului este în bucle. Aici se află genele. Fiecare buclă conține una sau mai multe gene. Buclele interacționează cu matricea cromozomală prin regiuni necodante ale ADN-ului.

Proprietățile fizice și chimice ale ADN-ului

Un cromozom este o moleculă de ADN. Procariotele au un singur cromozom. Dimensiunile ADN-ului variază de la 5000 de nucleotide la virusuri până la 5 miliarde (lungimea sa este de 8 cm) la om. Lungimea ADN-ului tuturor cromozomilor unei celule umane este de aproximativ 2 m.

ADN-ul este o masă fibroasă albă. Soluțiile sunt foarte vâscoase. Vâscozitatea crește odată cu creșterea greutății moleculare. Soluțiile de ADN absorb lumina ultravioletă cu un maxim la 260 nm. ADN-ul din apă este încărcat negativ.

În medii acide, alcaline, la o temperatură de ° C, în prezența formamidei, ureei și o serie de alți factori, apare o divergență a lanțurilor polinucleotidice ADN - denaturare. În timpul denaturarii, legăturile de hidrogen sunt rupte - ADN " se topește". Temperatura de topire este considerată a fi cea la care ADN-ul se denaturează la jumătate (jumătate din legăturile de hidrogen sunt rupte). În timpul topirii se observă o creștere a densității optice a soluțiilor la 260 nm - efect hipercromic.

Cu cât sunt mai multe perechi G-C în ADN, cu atât este mai mare punctul de topire, deoarece Cupluri G-C mai puternice decât A-T deoarece sunt ținute de trei legături de hidrogen.

După scăderea temperaturii, ADN-ul denaturat prin căldură își restabilește structura secundară, are loc renaturarea sau recoacerea, acizi.

Dacă ADN-ul din surse diferite dintr-un amestec este supus la denaturare și recoacere, atunci hibridizarea lanțurilor de ADN străine va avea loc conform legilor complementarității. Hibridizarea lanțurilor de ADN și ARN este posibilă. În acest caz, un hibrid acid nucleic unde o catenă este ARN și cealaltă este ADN.

MODULUL 1 STRUCTURA, PROPRIETĂȚI ȘI FUNCȚII ALE PROTEINELOR

MODULUL 1 STRUCTURA, PROPRIETĂȚI ȘI FUNCȚII ALE PROTEINELOR

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

Obiective de învățare Pentru a fi capabil să:

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

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

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

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

Știi:

1. Niveluri de organizare structurală a proteinelor.

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

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

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

5. Cauze și efecte ale denaturarii proteinelor, factori care cauzează denaturarea.

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

TEMA 1.1. ORGANIZAREA STRUCTURALĂ A PROTEINELOR. ETAPE DE FORMARE A UNUI NATIV

CONFORMATII PROTEINE

Proteinele sunt molecule polimerice, ai căror monomeri sunt doar 20 de α-aminoacizi. Setul și ordinea conexiunii aminoacizilor dintr-o proteină este determinată de structura genelor din ADN-ul indivizilor. Fiecare proteină, în conformitate cu structura sa specifică, își îndeplinește propria funcție. Setul de proteine ​​ale unui anumit organism determină caracteristicile sale fenotipice, precum și prezența bolilor ereditare sau o predispoziție la dezvoltarea lor.

1. Aminoacizi care alcătuiesc proteinele. legătură peptidică. Proteinele sunt polimeri formați din monomeri - 20 de α-aminoacizi, a căror formulă generală este

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

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

Aminoacizii diferă prin solubilitatea lor în apă. Acest lucru se datorează capacității radicalilor de a interacționa cu apa (de a fi hidratați).

LA hidrofil includ radicali care conțin anionici, cationici și polari neîncărcați grup functional.

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

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

Proteinele sunt polipeptide, adică polimeri liniari de α-aminoacizi legați legătură peptidică(Fig. 1.1.)

Orez. 1.1. Termeni folosiți în descrierea structurii peptidelor

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

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

în schimb, există o legătură cu radicalul, ca urmare, o parte a ciclului este inclusă în coloana vertebrală a peptidei:

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

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

3. Structura primară a proteinelor. Reziduurile de aminoacizi din lanțurile peptidice ale diferitelor proteine ​​nu alternează aleatoriu, ci sunt aranjate într-o anumită ordine. Secvența liniară sau secvența de resturi de aminoacizi dintr-un lanț polipeptidic este numită structura primară a unei proteine.

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

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

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

Secvența reziduurilor de aminoacizi din lanțul peptidic poate fi considerată ca o formă de înregistrare a informațiilor. Această informație determină plierea spațială a unui lanț peptidic linear într-o structură tridimensională mai compactă numită conformaţie veveriţă. Procesul de formare a unei conformații proteice active funcțional se numește pliere.

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

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

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

situat de-a lungul periferiei helixului, neparticipând la formarea structurii secundare (Fig. 1.3.).

Radicalii voluminosi sau radicalii care poartă aceleași sarcini împiedică formarea unei helix α. Reziduul de prolină, care are o structură ciclică, întrerupe α-helix, deoarece din cauza lipsei de hidrogen la atomul de azot din lanțul peptidic, este imposibil să se formeze o legătură de hidrogen. Legătura dintre azot și atomul de carbon α face parte din ciclul prolinei, astfel încât coloana vertebrală a peptidei capătă o îndoire în acest loc.

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

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

Orez. 1.4. Structuri β-pliate paralele și antiparalele

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

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

Se găsește și în proteine zone cu secundar neregulat structura, care include îndoituri, bucle, întoarceri ale coloanei vertebrale polipeptidice. Ele sunt adesea localizate în locuri în care direcția lanțului peptidic se schimbă, de exemplu, în timpul formării unei structuri paralele a foii β.

Prin prezența elicelor α și a structurilor β, proteinele globulare pot fi împărțite în patru categorii.

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

Orez. 1.6. Structura secundară a triozei fosfat izomerazei și a domeniului piruvat kinazei

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

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

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

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

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

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

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

3 - interacțiuni hidrofobe- apar între radicalii hidrofobi;

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

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

Legăturile ionice și de hidrogen, precum și interacțiunile hidrofobe, sunt printre cele slabe: energia lor depășește puțin energia mișcării termice a moleculelor la temperatura camerei. Conformația proteinei este menținută prin apariția multor astfel de legături slabe. Deoarece atomii care alcătuiesc proteina sunt în mișcare constantă, este posibil să se rupă unele legături slabe și să se formeze altele, ceea ce duce la mișcări mici ale secțiunilor individuale ale lanțului polipeptidic. Această proprietate a proteinelor de a modifica conformația ca urmare a ruperii unora și a formării altor legături slabe se numește labilitate conformaţională.

Corpul uman are sisteme care susțin homeostaziei- constanţa mediului intern în anumite limite acceptabile pentru un organism sănătos. În condiții de homeostazie, micile modificări ale conformației nu deranjează structura de ansambluși funcția proteinelor. Conformația activă funcțional a unei proteine ​​se numește conformatie nativa. O modificare a mediului intern (de exemplu, concentrația de glucoză, ioni de Ca, protoni etc.) duce la o modificare a conformației și la perturbarea funcțiilor proteinelor.

Structura terțiară a unor proteine ​​este stabilizată legături disulfurice, formată prin interacțiunea grupărilor -SH a două resturi

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

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

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

Orez. 1.10. Legături disulfurice în structura insulinei

5. Structura super secundară a proteinelor.În proteine ​​diferite ca structură și funcții primare, uneori combinații similare și interpunere de structuri secundare, care se numesc structura supersecundara. Ocupă o poziție intermediară între structurile secundare și terțiare, deoarece este o combinație specifică de elemente de structură secundară în timpul formării structurii terțiare a unei proteine. Structurile supersecundare au denumiri specifice, cum ar fi „α-helix-turn-a-helix”, „fermoar leucină”, „degete de zinc”, etc. Astfel de structuri supersecundare sunt caracteristice proteinelor care leagă ADN-ul.

„Firmoar leucină”. Acest tip de structură super secundară este folosit pentru a conecta două proteine. Pe suprafața proteinelor care interacționează există regiuni elicoidale α care conțin cel puțin patru resturi de leucină. Reziduurile de leucină din α-helix se află la șase aminoacizi unul de celălalt. Deoarece fiecare rotație a helixului α conține 3,6 reziduuri de aminoacizi, radicalii de leucină se găsesc pe suprafața fiecărei alte ture. Resturile de leucină ale α-helixului unei proteine ​​pot interacționa cu resturile de leucină ale altei proteine ​​(interacțiuni hidrofobe), conectându-le între ele (Fig. 1.11.). Multe proteine ​​care leagă ADN-ul funcționează ca parte a complexelor oligomerice, unde subunitățile individuale sunt legate între ele prin „fermoare cu leucină”.

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

Histonele sunt un exemplu de astfel de proteine. Histones- proteine ​​nucleare, care includ un numar mare de aminoacizi încărcați pozitiv - arginină și lizină (până la 80%). Moleculele de histonă sunt combinate în complexe oligomerice care conțin opt monomeri cu ajutorul „elementelor de fixare a leucinei”, în ciuda încărcăturii omonime semnificative a acestor molecule.

"Degetul de zinc"- o variantă a structurii supersecundare, caracteristică proteinelor de legare a ADN-ului, are forma unui fragment alungit la suprafața proteinei și conține aproximativ 20 de resturi de aminoacizi (Fig. 1.12). Forma „degetului întins” este susținută de un atom de zinc asociat cu patru radicali de aminoacizi - două reziduuri de cisteină și două reziduuri de histidină. În unele cazuri, în loc de reziduuri de histidină, există reziduuri de cisteină. Cele două resturi de cisteină apropiate sunt separate de celelalte două resturi Gisili printr-o secvență Cys de aproximativ 12 resturi de aminoacizi. Această regiune a proteinei formează un α-helix, ai cărui radicali se pot lega în mod specific la regiunile reglatoare ale șanțului major ADN. Specificul legării unui individ

Orez. 1.12. Structura primară a unei secțiuni de proteine ​​care leagă ADN-ul care formează structura „deget de zinc” (litere indică aminoacizii care alcătuiesc această structură)

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

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

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

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

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

Orez. 1.13. Interacțiunea complementară a unei proteine ​​cu un ligand

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

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

Liganzii care interacționează cu structura tridimensională a lanțului peptidic pot fi nu numai molecule organice și anorganice cu greutate moleculară mică, ci și macromolecule:

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

Polizaharide;

Orez. 1.14. Relația dintre genotip și fenotip

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

În aceste cazuri, proteina recunoaște o regiune specifică a ligandului care este proporțională și complementară cu situsul de legare. Deci, pe suprafața hepatocitelor există proteine ​​receptor pentru hormonul insulină, care are, de asemenea structura proteinelor. Interacțiunea insulinei cu receptorul determină o modificare a conformației sale și activarea sistemelor de semnalizare, ducând la acumularea de nutrienți în hepatocite după masă.

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

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

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

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

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

Orez. 1.15. Legarea domeniilor hexokinazei la glucoză

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

3. Medicamente – liganzi care afectează funcția proteinelor. Interacțiunea proteinelor cu liganzii este specifică. Cu toate acestea, datorită labilității conformaționale a proteinei și a situsului său activ, este posibil să se aleagă o altă substanță care ar putea interacționa și cu proteina din situsul activ sau cu o altă parte a moleculei.

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

Atropina este un inhibitor competitiv al receptorilor M-colinergici. Acetilcolina - neurotransmitator de transmisie impuls nervos prin sinapse colinergice. Pentru a conduce excitația, acetilcolina eliberată în fanta sinaptică trebuie să interacționeze cu proteina - receptorul membranei postsinaptice. Două tipuri găsite receptori colinergici:

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

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

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

Atropina are grupe funcționale și aranjarea lor spațială similară cu acetilcolina în structura sa, de aceea aparține inhibitorilor competitivi ai receptorilor M-colinergici. Având în vedere că legarea acetilcolinei de receptorii M-colinergici determină contracția mușchilor netezi, atropina este utilizată ca medicament care ameliorează spasmul acestora. (antispasmodic). Astfel, este cunoscută utilizarea atropinei pentru relaxarea mușchilor oculari la vizualizarea fundului de ochi, precum și pentru ameliorarea spasmelor din colici gastrointestinale. Receptorii M-colinergici sunt prezenți și în central sistem nervos(SNC), prin urmare, dozele mari de atropină pot provoca o reacție nedorită a sistemului nervos central: agitație motorie și psihică, halucinații, convulsii.

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

Sinapsele neuromusculare ale mușchilor scheletici conțin receptori H-colinergici. Interacțiunea lor cu acetilcolina duce la contracții musculare. În unele operații chirurgicale, precum și în studiile endoscopice, se folosesc medicamente care provoacă relaxarea mușchilor scheletici. (relaxante musculare). Acestea includ ditilina, care este un analog structural al acetilcolinei. Se ataseaza de receptorii H-colinergici, dar spre deosebire de acetilcolina, este distrusa foarte lent de enzima acetilcolinesteraza. Ca urmare a deschiderii prelungite a canalelor ionice și a depolarizării persistente a membranei, conducerea impulsului nervos este întreruptă și are loc relaxarea musculară. Inițial, aceste proprietăți au fost găsite în otrava curare, de aceea se numesc astfel de medicamente curariform.

TEMA 1.3. DENATURAREA PROTEINELOR ŞI POSIBILITATEA RENATĂRII LOR SPONTANE

1. Deoarece conformația nativă a proteinelor este menținută datorită interacțiunilor slabe, modificărilor compoziției și proprietăților mediului înconjurător al proteinei, expunerii la reactivi chimici și factori fizici provoacă o modificare a conformației lor (proprietatea labilitatii conformaționale). Ruperea unui număr mare de legături duce la distrugerea conformației native și la denaturarea proteinelor.

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

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

Utilizarea agenților de denaturare în cercetarea biologică și în medicină.În studiile biochimice, înainte de determinarea compușilor cu greutate moleculară mică dintr-un material biologic, proteinele sunt de obicei îndepărtate mai întâi din soluție. În acest scop, cel mai des este utilizat acidul tricloracetic (TCA). După adăugarea TCA la soluție, proteinele denaturate precipită și sunt ușor îndepărtate prin filtrare (Tabelul 1.1.)

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

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

Formarea structurilor spațiale ale proteinei se realizează prin metoda auto-asamblarii - un proces spontan în care lanțul polipeptidic, care are o structură primară unică, tinde să ia în soluție conformația cu cea mai mică. energie gratis. Capacitatea de a regenera proteinele care își păstrează structura primară după denaturare a fost descrisă într-un experiment cu enzima ribonuclează.

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

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

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

Orez. 1.17. Denaturarea și renativarea ribonucleazei

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

B - moleculă de ribonuclează rentivă cu structură și funcție restaurate

1. Completați tabelul 1.2.

Tabelul 1.2. Clasificarea aminoacizilor în funcție de polaritatea radicalilor

2. Scrieți formula unei tetrapeptide:

Asp - Pro - Fen - Liz

a) izolează grupările repetate din peptidă care formează scheletul peptidic și grupările variabile reprezentate de radicalii de aminoacizi;

b) desemnează N- și C-terminali;

c) subliniază legăturile peptidice;

d) scrieți o altă peptidă formată din aceiași aminoacizi;

e) numărați numărul de variante posibile de tetrapeptidă cu compoziție similară de aminoacizi.

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

Tabelul 1.3. Structura și funcția oxitocinei și vasopresinei

Pentru aceasta:

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

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

c) găsiți diferențele de structură a celor două peptide și diferența de funcții ale acestora;

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

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

Dă exemple.

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

6. Explicați semnificația următoarei sintagme: „Proteinele funcționează pe baza interacțiunii lor specifice cu un ligand”, folosind termeni și explicând semnificația acestora: conformație proteică, situs activ, ligand, complementaritate, funcție proteică.

7. Folosind unul dintre exemple, explicați ce domenii sunt și care este rolul lor în funcționarea proteinelor.

SARCINI DE AUTOCONTROL

1. Stabiliți o potrivire.

Grupa funcțională în radicalul aminoacid:

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

2. Alege raspunsurile corecte.

Aminoacizii cu radicali polari neîncărcați sunt:

A. Tsis B. Asn

B. Glu G. Trei

3. Alege raspunsurile corecte.

Radicali de aminoacizi:

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

B. Fiind situate la suprafata proteinei afecteaza solubilitatea acesteia D. Formeaza un centru activ

D. Participa la formarea legăturilor peptidice

4. Alege raspunsurile corecte.

Interacțiunile hidrofobe se pot forma între radicalii de aminoacizi:

A. Tre Lay B. Pro Trei

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

5. Alege raspunsurile corecte.

Între radicalii de aminoacizi se pot forma legături ionice:

A. Gln Asp B. Apr Liz

B. Liz Glu G. Gâște Asp D. Asn apr

6. Alege raspunsurile corecte.

Legăturile de hidrogen se pot forma între radicalii de aminoacizi:

A. Ser Gln B. Cis Tre

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

7. Stabiliți o potrivire.

Tipul de legătură implicat în formarea structurii proteinei:

A. Structura primară B. Structura secundară

B. Structura terţiară

D. Structura suprasecundară E. Conformaţia.

1. Legături de hidrogen între atomii scheletului peptidic

2. Legături slabe între grupările funcționale ale radicalilor aminoacizi

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

8. Alege raspunsurile corecte. Tripsina:

A. Enzima proteolitică B. Conține două domenii

B. Hidrolizează amidonul

D. Centrul activ este situat între domenii. D. Constă din două lanțuri polipeptidice.

9. Alege raspunsurile corecte. Atropină:

A. Neurotransmițător

B. Analog structural al acetilcolinei

B. Interacționează cu receptorii H-colinergici

G. Îmbunătățește conducerea unui impuls nervos prin sinapsele colinergice

D. Inhibitor competitiv al receptorilor M-colinergici

10. Alegeți afirmațiile corecte. În proteine:

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

B. Centrul activ se formează la nivelul structurii primare

B. Conformația este fixată rigid prin legături covalente

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

datorită labilităţii conformaţionale a proteinelor D. Modificare mediu inconjurator, poate afecta afinitatea activului

centru la ligand

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

3. A, B, C, D.

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

8. A, B, C, D.

TERMENI ȘI CONCEPTE DE BAZĂ

1. Proteine, polipeptide, aminoacizi

2. Structuri proteice primare, secundare, terțiare

3. Conformația, conformația proteinei native

4. Legături covalente și slabe într-o proteină

5. Labilitatea conformațională

6. Sit activ proteic

7. Liganzi

8. Plierea proteinelor

9. Analogi structurali ai liganzilor

10. Proteine ​​de domeniu

11. Proteine ​​simple și complexe

12. Denaturarea proteinelor, agenți de denaturare

13. Regenerarea proteinelor

Rezolva probleme

„Organizarea structurală a proteinelor și baza funcționării lor”

1. Funcția principală a proteinei - hemoglobina A (HbA) - este transportul oxigenului către țesuturi. cunoscute în populația umană forme de plural a acestei proteine ​​cu proprietăți și funcție modificate – așa-numitele hemoglobine anormale. De exemplu, hemoglobina S găsită în eritrocitele pacienților cu anemie falciforme (HbS) s-a dovedit a avea o solubilitate scăzută în condiții de presiune parțială scăzută a oxigenului (cum se întâmplă în sângele venos). Acest lucru duce la formarea de agregate ale acestei proteine. Proteina își pierde funcția, precipită, iar eritrocitele dobândesc formă neregulată(unele dintre ele formează o formă de seceră) și sunt distruse mai repede decât de obicei în splină. Ca urmare, se dezvoltă anemia cu celule falciforme.

Singura diferență în structura primară a HvA a fost găsită în regiunea N-terminală a lanțului β al hemoglobinei. Comparați regiunile N-terminale ale lanțului β și arătați cum modificările în structura primară a unei proteine ​​îi afectează proprietățile și funcțiile.

Pentru aceasta:

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

b) trageți o concluzie despre motivul scăderii solubilității și încălcării transportului de oxigen în țesut.

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

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

b) scrieți formulele radicalilor aminoacizi care alcătuiesc centrul activ;

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

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

e) Explicați baza specificității interacțiunii unei proteine ​​cu un ligand.

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

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

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

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

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

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

b) descrieți mecanismul acțiunii relaxante a ditilinei.

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

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

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

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

Unitate modulară 2 PROTEINE OLIGOMERICE CA ȚINTE PENTRU INFLUENȚĂ REGLATORIE. VARIETATEA STRUCTURALA SI FUNCTIONALA DE PROTEINE. METODE DE SEPARARE ȘI DE PURIFICARE A PROTEINELOR

Obiective de învățare Pentru a fi capabil să:

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

2. Explicați rolul chaperonelor în sinteza și menținerea conformației proteinelor într-o celulă.

3. Să explice diversitatea manifestărilor vieții prin diversitatea structurilor și funcțiilor proteinelor sintetizate în organism.

4. Analizați relația dintre structura proteinelor și funcția lor prin compararea hemoproteinelor înrudite - mioglobina și hemoglobina, precum și reprezentanții a cinci clase de proteine ​​din familia imunoglobulinelor.

5. Aplicați cunoștințele despre caracteristicile proprietăților fizico-chimice ale proteinelor pentru a selecta metode de purificare a acestora din alte proteine ​​și impurități.

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

Știi:

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

2. Structura și funcțiile chaperonelor și importanța acestora pentru menținerea conformației native a proteinelor dintr-o celulă.

3. Principii de grupare a proteinelor în familii în funcție de asemănarea conformației și funcțiilor lor pe exemplul imunoglobulinelor.

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

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

TEMA 1.4. CARACTERISTICI ALE STRUCTURII SI FUNCTIONARII PROTEINELOR OLIGOMERICE PE EXEMPLU DE HEMOGLOBINA

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

protomer se realizează datorită complementaritatea suprafețele lor de contact.

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

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

Proteinele pot conține protomeri cu aceeași structură sau cu structură diferită, de exemplu, homodimerii sunt proteine ​​care conțin doi protomeri identici, iar heterodimerii sunt proteine ​​care conțin doi protomeri diferiți.

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

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

Orez. 1.18. Diagrama structurii unei proteine ​​dimerice

2. Formarea structurilor spațiale și funcționarea mioglobinei.

Mioglobina (Mb) este o proteină care se găsește în mușchii roșii, a cărei funcție principală este crearea rezervelor de O 2 necesare unui lucru muscular intens. MB este o proteină complexă care conține o parte proteică - apoMB și o parte neproteică - hem. Structura primară a apoMB determină conformația sa globulară compactă și structura centrului activ, de care este atașată partea neproteică a mioglobinei, hem. Oxigenul din sânge la mușchi se leagă de Fe + 2 hem în compoziția mioglobinei. MB este o proteină monomerică cu o afinitate foarte mare pentru O 2, prin urmare, oxigenul este eliberat de mioglobină numai în timpul muncii musculare intense, când presiunea parțială a O 2 scade brusc.

Formarea conformaţiei MB. La mușchii roșii, pe ribozomi în timpul translației, are loc sinteza structurii primare a MB, reprezentată de o secvență specifică de 153 de resturi de aminoacizi. Structura secundară a lui Mv conține opt elice α, numite litere latine de la A la H, între care există secțiuni nespiralizate. Structura terțiară a lui Mv are forma unui globul compact, în adâncitura căruia, între elicele α F și E, se află un centru activ (Fig. 1.19).

Orez. 1.19. Structura mioglobinei

3. Caracteristici ale structurii și funcționării centrului activ MV. Centrul activ al Mv este format în principal din radicali de aminoacizi hidrofobi care sunt departe unul de celălalt în structura primară (de exemplu, Tri 3 9 și Phen 138) Liganzii slab solubili în apă, hem și O2, sunt atașați la centrul activ. Hemul este un ligand specific apoMv (Fig. 1.20), care se bazează pe patru inele pirol conectate prin punți de metinil; în centru, există un atom de Fe+ 2 legat de atomii de azot ai inelelor pirol prin patru legături de coordonare. Pe lângă radicalii hidrofobi ai aminoacizilor, centrul activ al Mv conține și reziduuri a doi aminoacizi cu radicali hidrofili - Gis E 7(Gis 64) și Gis F 8(His 93) (Fig. 1.21).

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

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

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

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

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

4. Structura oligomerică a Hb și reglarea afinității Hb pentru O 2 de către liganzi. Hemoglobinele umane- o familie de proteine, precum si mioglobina legata de proteine ​​complexe (hemoproteine). Au o structură tetramerică și conțin două lanțuri α, dar diferă în structura celorlalte două lanțuri polipeptidice (lanțuri 2α, 2x). Structura celui de-al doilea lanț polipeptidic determină caracteristicile funcționării acestor forme de Hb. Aproximativ 98% din hemoglobina din eritrocitele adulte este hemoglobina A(2α-, 2p-lanțuri).

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

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

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

Orez. 1.22. Structura oligomerică a hemoglobinei

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

5. Funcția principală a Hb este transportul O 2 de la plămâni la țesuturi. Spre deosebire de mioglobina monomerică, care are o afinitate foarte mare pentru O 2 și îndeplinește funcția de stocare a oxigenului în mușchii roșii, structura oligomerică a hemoglobinei oferă:

1) saturarea rapidă a Hb cu oxigen în plămâni;

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

3) posibilitatea de reglare a afinităţii Hb faţă de O 2 .

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

În deoxihemoglobină, datorită acestei conexiuni cu His F 8 , atomul de Fe 2 + iese din planul hem către histidină. Legarea O 2 de Fe 2 + are loc pe cealaltă parte a hemului în regiunea His E 7 cu ajutorul unei singure legături de coordonare liberă. His E 7 oferă condiţii optime pentru legarea O 2 cu fierul hem.

Adăugarea de O 2 la atomul de Fe +2 al unui protomer îl face să se deplaseze în planul hem, iar în spatele acestuia reziduul de histidină asociat cu acesta

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

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

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

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

În țesuturi, fiecare moleculă de O2 ulterioară este mai ușor scindată decât cea anterioară, tot datorită modificărilor cooperante ale conformației protomerului.

7. CO 2 și H + formate în timpul catabolismului materie organică, reduc afinitatea hemoglobinei pentru O 2 proporțional cu concentrația acestora. Energia necesară pentru funcționarea celulelor este produsă în principal în mitocondrii în timpul oxidării substanțelor organice folosind O 2 eliberat din plămâni de hemoglobină. Ca urmare a oxidării substanțelor organice, produse finale degradarea lor: CO 2 și K 2 O, a căror cantitate este proporțională cu intensitatea proceselor de oxidare în curs.

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

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

Creșterea cantității de oxigen eliberat în funcție de creșterea concentrației de H + în eritrocite se numește efect Bohr (după fiziologul danez Christian Bohr, care a descoperit primul acest efect).

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

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

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

CO2 rezultat intră în spațiul alveolar și este îndepărtat cu aerul expirat. Astfel, cantitatea de oxigen eliberată de hemoglobină în țesuturi este reglată de produșii catabolismului substanțelor organice: cu cât descompunerea substanțelor este mai intensă, de exemplu, în timpul efortului fizic, cu atât concentrația de CO 2 și H + este mai mare și cu atât este mai mare. oxigenul pe care îl primesc țesuturile ca urmare a scăderii afinității H față de O2.

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

Bisfosfogliceratul din capilarele tisulare, prin legarea de deoxihemoglobină, crește debitul de oxigen în țesuturi, reducând afinitatea Hb pentru O 2 .

Există o cavitate în centrul moleculei de hemoglobină tetramerică. Este format din resturile de aminoacizi ale tuturor celor patru protomeri (vezi Fig. 1.22). În capilarele tisulare, protonarea Hb (efectul Bohr) rupe legătura dintre fierul hem și O 2 . Într-o moleculă

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

2,3-BPG interacționează cu hemoglobina într-o regiune îndepărtată de situsurile active ale proteinei și aparține alosterică liganzi (reglatori), iar cavitatea centrală Hb este centru alosteric. 2,3-BPG are o sarcină negativă puternică și interacționează cu cinci grupe încărcate pozitiv a două lanțuri β de Hb: gruparea α-amino N-terminală Val și radicalii Lys 82 Gis 143 (Fig. 1.26).

Orez. 1.26. BPG în cavitatea centrală a deoxihemoglobinei

BPG se leagă la trei grupări încărcate pozitiv în fiecare catenă β.

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

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

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

distanta spatial una de alta (alosterica), capabila sa provoace modificari conformationale in intreaga molecula proteica. Datorită interacțiunii cu liganzii de reglare, conformația se modifică și funcția moleculei proteice se adaptează la schimbările de mediu.

TEMA 1.5. MENȚINEREA CONFORMĂȚII NATIVE A PROTEINELOR ÎN CONDIȚII CELULARE

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

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

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

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

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

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

Orez. 1.27. Implicarea chaperonelor în plierea proteinelor

A - participarea chaperonelor-70 la prevenirea interacțiunilor hidrofobe între situsurile polipeptidei sintetizate; B - formarea unei conformații proteice native în complexul de chaperonă

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

Orez. 1.28. Structura complexului de chaperonină constând din 14 Sh-60

A - vedere laterală; B - vedere de sus

Proteinele sintetizate cu elemente de suprafață caracteristice moleculelor desfășurate, în special radicalii hidrofobi, intră în cavitatea inelelor chaperone. În mediul specific acestor cavități are loc o enumerare a conformațiilor posibile până când se găsește singura, cea mai favorabilă din punct de vedere energetic (Fig. 1.27, B). Formarea conformațiilor și eliberarea proteinei este însoțită de hidroliza ATP în regiunea ecuatorială. De obicei, o astfel de pliere dependentă de însoțitor necesită o cantitate semnificativă de energie.

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

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

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

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

dintre ele pot lua multe conformații cu aproximativ aceeași energie Gibbs, dar cu proprietăți diferite. Structura primară a celor mai cunoscute proteine, selectate evolutie biologica, asigură o stabilitate excepțională a uneia dintre conformații, ceea ce determină caracteristicile funcționării acestei proteine.

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

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

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

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

3. Familia de imunoglobuline.În activitatea sistemului imunitar rol imens joacă proteine ​​din superfamilia imunoglobulinelor, care include trei familii de proteine:

Anticorpi (imunoglobuline);

receptorii limfocitelor T;

Proteine ​​ale complexului major de histocompatibilitate - MHC clasa I și a II-a (Complex major de histocompatibilitate).

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

4. Anticorpi- proteine ​​specifice produse de limfocitele B ca răspuns la ingestia unei structuri străine numite antigen.

Caracteristicile structurii anticorpilor

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

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

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

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

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

Orez. 1. 30. Structura domeniului IgG

Imunoglobulinele M

Imunoglobulinele M au două forme.

Forma monomerică- clasa I de anticorpi produși de limfocitul B în curs de dezvoltare. Ulterior, multe celule B trec la producerea altor clase de anticorpi, dar cu același situs de legare a antigenului. IgM este încorporată în membrană și acționează ca un receptor care recunoaște antigenul. Încorporarea IgM în membrana celulară este posibilă datorită prezenței a 25 de resturi de aminoacizi hidrofobe în porțiunea de coadă a regiunii.

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

Imunoglobulinele G

În termeni cantitativi, această clasă de imunoglobuline predomină în sânge (75% din totalul Ig). IgG - monomeri, clasa principală de anticorpi secretați în sânge în timpul răspunsului imun secundar. După interacțiunea IgG cu antigenii de suprafață ai microorganismelor, complexul antigen-anticorp este capabil să lege și să activeze proteinele sistemului complement sau poate interacționa cu receptori specifici de pe macrofage și neutrofile. interacțiunea cu fagocitele

Orez. 1.31. Structura formei secretoare a IgM

la absorbția complexelor antigen-anticorp și distrugerea lor în fagozomii celulelor. IgG este singura clasă de anticorpi care pot traversa bariera placentară și protejează fătul de infecțiile in utero.

Imunoglobulinele A

Clasa principală de anticorpi prezenți în secreții (lapte, saliva, secreții respiratorii și intestinale). IgA este secretată în principal într-o formă dimerică, unde monomerii sunt legați unul de celălalt printr-un lanț J suplimentar (Fig. 1.32).

IgA nu interacționează cu sistemul complement și cu celulele fagocitare, dar prin legarea de microorganisme, anticorpii le împiedică să se atașeze de celulele epiteliale și să pătrundă în organism.

Imunoglobulinele E

Imunoglobulinele E sunt reprezentate de monomeri în care lanțurile ε grele conțin, precum și lanțurile μ ale imunoglobulinelor M, un domeniu variabil și patru constante. IgE după secreție se leagă cu propriile lor

Orez. 1.32. Structura IgA

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

Orez. 1.33. Interacțiunea IgE cu antigenul de pe suprafața mastocitelor

După ce antigenul este atașat la situsurile IgE corespunzătoare de legare a antigenului, celulele primesc un semnal pentru a secreta substanțe biologic active (histamină, serotonină), care sunt în mare parte responsabile pentru dezvoltarea unei reacții inflamatorii și pentru manifestarea unor astfel de reacții alergice precum astm, urticarie, febra fânului.

Imunoglobuline D

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

TEMA 1.7. PROPRIETATI FIZICO-CHIMICE ALE PROTEINELOR SI METODE DE SEPARARE A LOR

1. Proteinele individuale diferă în proprietățile lor fizico-chimice:

Forma moleculelor;

Greutate moleculară;

Sarcina totală, a cărei valoare depinde de raportul dintre grupele anionice și cationice ale aminoacizilor;

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

Grade de rezistență la diferiți agenți de denaturare.

2. Solubilitatea proteinelor depinde asupra proprietăților proteinelor enumerate mai sus, precum și asupra compoziției mediului în care se dizolvă proteina (valori pH, compoziția sării, temperatură, prezența altor substanțe organice care pot interacționa cu proteina). Mărimea încărcăturii moleculelor de proteine ​​este unul dintre factorii care afectează solubilitatea acestora. Când sarcina este pierdută în punctul izoelectric, proteinele se agregează și precipită mai ușor. Acest lucru este valabil mai ales pentru proteinele denaturate, care au radicali de aminoacizi hidrofobi la suprafață.

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

3. Separarea proteinelor individuale. Caracteristicile structurii și funcționării organismului depind de setul de proteine ​​sintetizate în acesta. Studiul structurii și proprietăților proteinelor este imposibil fără izolarea lor de celulă și purificarea de alte proteine ​​și molecule organice. Etapele izolării și purificării proteinelor individuale:

distrugerea celulelor a ţesutului studiat şi obţinerea unui omogenat.

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

Denaturarea selectivă a căldurii- încălzirea pe termen scurt a soluției proteice, în care o parte din impuritățile proteice denaturate pot fi îndepărtate (în cazul în care proteina este relativ stabilă termic).

Sărare. Diferite proteine ​​precipită la diferite concentrații de sare în soluție. Prin creșterea treptată a concentrației de sare, este posibil să se obțină un număr de fracții individuale cu un conținut predominant de proteină secretată într-una dintre ele. Cea mai des folosită fracţionare a proteinelor este sulfatul de amoniu. Proteinele cu cea mai scăzută solubilitate precipită la concentrații scăzute de sare.

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

Ultracentrifugarea- o metodă constând în faptul că proteinele dintr-un tub de centrifugă sunt plasate în rotorul unei ultracentrifuge. Când rotorul se rotește, viteza de sedimentare a proteinei este proporțională cu acestea greutate moleculară: fracțiile de proteine ​​mai grele sunt situate mai aproape de fundul tubului, cele mai ușoare sunt mai aproape de suprafață.

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

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

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

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

TOME PENTRU MUNCĂ EXTRACURRICULUM

1. Completați tabelul. 1.4.

Tabelul 1.4. Analiza comparativa structurile și funcțiile proteinelor înrudite - mioglobina și hemoglobina

a) amintiți-vă structura centrului activ Mb și Hb. Ce rol joacă radicalii hidrofobi ai aminoacizilor în formarea centrilor activi ai acestor proteine? Descrieți structura centrului activ Mb și Hb și mecanismele de atașare a ligandului la acesta. Ce rol joacă reziduurile His F 8 și His E 7 în funcționarea site-ului activ Mv și Hv?

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

2. Descrieți caracteristicile chaperonelor moleculare, acordând atenție relației dintre structura și funcția lor.

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

4. Adesea, proteinele individuale purificate sunt necesare pentru aplicații biochimice și medicale. Explicați pe ce proprietăți fizico-chimice se bazează metodele utilizate pentru separarea și purificarea proteinelor.

SARCINI DE AUTOCONTROL

1. Alege raspunsurile corecte.

Funcțiile hemoglobinei:

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

B. Menținerea unui pH constant al sângelui D. Transportul CO2 de la plămâni la țesuturi

D. Transportul CO 2 din țesuturi la plămâni

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

B. Oxigen

B. CO D. 2,3-BPG

D. β-Protomer

3. Alege raspunsurile corecte.

Hemoglobina este diferită de mioglobina:

A. Are o structură cuaternară

B. Structura secundară este reprezentată doar de elice α

B. Se referă la proteine ​​complexe

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

4. Alege raspunsurile corecte.

Afinitatea Hb pentru O 2 scade:

A. Când o moleculă de O 2 este atașată B. Când o moleculă de O 2 este eliminată

B. Când interacționați cu 2,3-BPG

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

5. Stabiliți o potrivire.

Pentru tipurile Hb este caracteristic:

A. Formează agregate fibrilare în formă deoxi B. Conține două lanțuri α și două δ

B. Forma predominanta de Hb in eritrocitele adulte D. Contine hem cu Fe + 3 in centrul activ

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

6. Stabiliți o potrivire.

Liganzii Hb:

A. Se leagă de Hb la centrul alosteric

B. Are o afinitate foarte mare pentru situsul activ Hb

B. Îmbinarea, crește afinitatea Hb pentru O 2 D. Oxidează Fe + 2 la Fe + 3

D. Forme legătură covalentă cu hysF8

7. Alege raspunsurile corecte.

Însoțitori:

A. Proteine ​​prezente în toate părțile celulei

B. Sinteza este îmbunătățită sub influențe stresante

B. Participa la hidroliza proteinelor denaturate

D. Participa la menținerea conformației native a proteinelor

D. Creați organele în care se formează conformația proteică

8. Meci. Imunoglobuline:

A. Forma secretorie este pentamerică

B. Clasa Ig care traversează bariera placentară

B. Ig - receptor mastocitar

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

9. Alege raspunsurile corecte.

Imunoglobulinele E:

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

B. Înglobat în membrana limfocitelor T

D. Acționează ca receptori membranari pentru antigenele de pe mastocite și bazofile

D. Responsabil de manifestarea reacțiilor alergice

10. Alege raspunsurile corecte.

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

A. Filtrare pe gel

B. Ultracentrifugarea

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

D. Cromatografia de afinitate

11. Alege răspunsul corect.

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

A. Filtrare pe gel B. Sărare

B. Cromatografia de schimb ionic D. Cromatografia de afinitate

E. Electroforeza pe gel de poliacrilamidă

STANDARDE DE RĂSPUNSURI LA „SARCINI DE AUTOCONTROL”

1. A, B, C, D

2. A, B, C, D

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

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

7. A, B, D, D

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

TERMENI ȘI CONCEPTE DE BAZĂ

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

2. Modificări cooperante în conformația protomerului

3. Efectul Bohr

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

5. Chaperone moleculare, proteine ​​de șoc termic

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

7. IgM-, G-, E-, A-conexiunea structurii cu funcția

8. Sarcina totală a proteinelor, punctul izoelectric al proteinelor

9. Electroforeza

10. Sărare

11. Filtrare pe gel

12. Cromatografia de schimb ionic

13. Ultracentrifugarea

14. Cromatografia de afinitate

15. Electroforeza proteinelor plasmatice

SARCINI PENTRU MUNCĂ AUDIȚIONALĂ

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

Orez. 1.34. Dependența de saturație a MV șiHboxigen din presiunea sa parțială

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

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

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

3. Ce caracteristici structurale ale Hb îi permit să elibereze O 2 în capilarele țesuturilor în repaus (la o presiune parțială relativ mare de O 2) și să mărească brusc această revenire în mușchii care lucrează? Ce proprietate a proteinelor oligomerice oferă acest efect?

4. Calculați ce cantitate de O 2 (în%) dă hemoglobină oxigenată mușchiului care se odihnește și lucrează?

5. trageți concluzii despre relația dintre structura proteinelor și funcția acesteia.

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

1. Descrieți efectul Bohr.

2. în ce direcție curge procesul prezentat în diagramă:

a) în capilarele plămânilor;

b) în capilarele tisulare?

3. Care este semnificația fiziologică a efectului Bohr?

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

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

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

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

3. în ce direcție se desfășoară procesul prezentat în diagramă?

a) în capilarele tisulare;

b) în capilarele plămânilor?

4. unde ar trebui să fie mai mult concentrație mare complex

Nv-2,3-BFG:

a) în capilarele mușchilor în repaus,

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

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

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

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

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

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

a) determinați sarcina totală a peptidei la pH 7

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

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

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

IET al acestei peptide?

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

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

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

Orez. 1.35. Folosind metoda de filtrare cu gel pentru a separa proteinele

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

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

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

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

Folosind datele din tabel. 1.5, faceți o ipoteză despre boală, care se caracterizează prin profilul electroforetic prezentat în fig. 1.36.

Tabelul 1.5. Modificări ale concentrației proteinelor serice din sânge în patologie

5. Funcția de reglementare. Proteinele îndeplinesc funcțiile de substanțe de semnalizare - unii hormoni, histohormoni și neurotransmițători, sunt receptori pentru substanțele de semnalizare de orice structură, asigură transmiterea suplimentară a semnalului în lanțurile de semnalizare biochimice ale celulei. Exemple sunt hormonul de creștere somatotropina, hormonul insulină, receptorii H- și M-colinergici.

6. Funcția motorului. Cu ajutorul proteinelor se realizează procesele de contracție și alte mișcări biologice. Exemple sunt tubulina, actina, miozina.

7. Funcție de rezervă. Plantele conțin proteine ​​de depozitare, care sunt substanțe nutritive valoroase; la animale, proteinele musculare servesc drept nutrienți de rezervă care sunt mobilizate în caz de urgență.

Proteinele se caracterizează prin prezența mai multor niveluri de organizare structurală.

structura primara O proteină este secvența de resturi de aminoacizi dintr-un lanț polipeptidic. O legătură peptidică este o legătură carboxamidă între gruparea α-carboxil a unui aminoacid și gruparea α-amino a altui aminoacid.

alanilfenilalanilcisteilprolină

U n legătură epitidă există mai multe caracteristici:

a) este stabilizat rezonant si deci este situat practic in acelasi plan - este planar; rotația în jurul legăturii C-N necesită multă energie și este dificilă;

b) legătura -CO-NH- are un caracter special, este mai puțin decât obișnuită, dar mai mult decât dublă, adică există tautomerism cetoenol:

c) substituenții în raport cu legătura peptidică sunt în transă-poziţie;

d) coloana vertebrală peptidică este înconjurată de lanțuri laterale de natură variată, interacționând cu moleculele de solvent din jur, grupările carboxil și amino libere sunt ionizate, formând centri cationici și anionici ai moleculei proteice. În funcție de raportul lor, molecula proteică primește o sarcină totală pozitivă sau negativă și se caracterizează și prin una sau alta valoare a pH-ului mediului atunci când este atins punctul izoelectric al proteinei. Radicalii formează punți de sare, eter, disulfură în interiorul moleculei de proteine ​​și, de asemenea, determină gama de reacții inerente proteinelor.

În prezent S-a convenit să se considere polimerii constând din 100 sau mai multe resturi de aminoacizi ca proteine, polimerii constând din 50-100 de resturi de aminoacizi ca polipeptide și polimerii constând din mai puțin de 50 de resturi de aminoacizi ca peptide cu greutate moleculară mică.

niste greutate moleculară mică peptidele joacă un rol biologic independent. Exemple de unele dintre aceste peptide:

Glutation - γ-glu-cis-gli - unu dintre cele mai răspândite peptide intracelulare, participă la procesele redox din celule și la transferul de aminoacizi prin membranele biologice.

Carnozină - β-ala-gis - peptidă, conținut în mușchii animalelor, elimină produsele peroxidării lipidelor, accelerează descompunerea carbohidraților în mușchi și este implicat în metabolismul energetic în mușchi sub formă de fosfat.

Vasopresina este un hormon al glandei pituitare posterioare implicat în reglarea metabolismului apei din organism:

Faloidină- polipeptidă otrăvitoare agaric mușcă, în concentrații neglijabile provoacă moartea organismului datorită eliberării enzimelor și ionilor de potasiu din celule:

Gramicidină - antibiotic, acționând asupra multor bacterii gram-pozitive, modifică permeabilitatea membranelor biologice pentru compuși cu greutate moleculară mică și provoacă moartea celulelor:

Întâlnit-enkefalina - thyr-gli-gli-fen-met - o peptidă sintetizată în neuroni și ameliorează durerea.

Structura secundară a unei proteine- aceasta este o structură spațială rezultată din interacțiunile dintre grupările funcționale ale scheletului peptidic.

Lanțul peptidic conține multe grupe CO și NH de legături peptidice, fiecare dintre acestea fiind potențial capabilă să participe la formarea legăturilor de hidrogen. Există două tipuri principale de structuri care permit acest lucru: α-helix, în care lanțul se înfășoară ca un cablu telefonic și structura β-pliată, în care secțiunile alungite ale unuia sau mai multor lanțuri sunt stivuite una lângă alta. Ambele structuri sunt foarte stabile.

α-Helix este caracterizatăîmpachetare extrem de densă a lanțului polipeptidic răsucit, pentru fiecare tură a helixului din dreapta există 3,6 resturi de aminoacizi, radicalii cărora sunt întotdeauna îndreptați spre exterior și ușor înapoi, adică spre începutul lanțului polipeptidic.

Principalele caracteristici ale α-helix:

1) α-helixul este stabilizat prin legături de hidrogen între atomul de hidrogen de la azotul grupării peptidice și oxigenul carbonil al reziduului, la patru poziții distanță de cel dat de-a lungul lanțului;

2) toate grupările peptidice participă la formarea unei legături de hidrogen, care asigură stabilitatea maximă a α-helixului;

3) toți atomii de azot și oxigen ai grupărilor peptidice sunt implicați în formarea legăturilor de hidrogen, ceea ce reduce semnificativ hidrofilitatea regiunilor elicoidale α și crește hidrofobicitatea acestora;

4) α-helix se formează spontan și este cea mai stabilă conformație a lanțului polipeptidic, corespunzătoare unui minim de energie liberă;

5) în lanțul polipeptidic al L-aminoacizilor, helixul drept, găsit de obicei în proteine, este mult mai stabil decât cel stâng.

Posibilitatea formării α-helixului datorită structurii primare a proteinei. Unii aminoacizi împiedică răsucirea vertebratei peptidice. De exemplu, grupările carboxil adiacente de glutamat și aspartat se resping reciproc, ceea ce împiedică formarea legăturilor de hidrogen în α-helix. Din același motiv, bobinarea lanțului este dificilă în locurile cu reziduuri de lizină și arginină încărcate pozitiv, situate aproape unele de altele. Cu toate acestea, prolina joacă cel mai mare rol în ruperea α-helixului. În primul rând, în prolină, atomul de azot face parte dintr-un inel rigid, care împiedică rotația în jurul legăturii N-C, iar în al doilea rând, prolina nu formează o legătură de hidrogen din cauza absenței hidrogenului la atomul de azot.

Plierea β este o structură stratificată formate prin legături de hidrogen între fragmente peptidice dispuse liniar. Ambele lanțuri pot fi independente sau aparține aceleiași molecule de polipeptidă. Dacă lanțurile sunt orientate în aceeași direcție, atunci o astfel de structură β se numește paralelă. În cazul sensului opus al lanțurilor, adică atunci când capătul N-terminal al unui lanț coincide cu capătul C-terminal al celuilalt lanț, structura β se numește antiparalelă. Din punct de vedere energetic, plierea β antiparalelă cu punți de hidrogen aproape liniare este mai de preferat.

pliere β paralelă pliere β antiparalelă

Spre deosebire de α-helix saturate cu legături de hidrogen, fiecare secțiune a lanțului de pliere β este deschisă pentru formarea de legături de hidrogen suplimentare. Radicalii laterali ai aminoacizilor sunt orientați aproape perpendicular pe planul frunzei, alternativ în sus și în jos.

Unde lanțul peptidic se îndoaie destul de abrupt, adesea se găsește o buclă β. Acesta este un fragment scurt în care 4 resturi de aminoacizi sunt îndoite la 180° și stabilizate printr-o punte de hidrogen între primul și al patrulea rest. Radicalii mari de aminoacizi interferează cu formarea buclei β, așa că cel mai adesea include cel mai mic aminoacid, glicina.

Structura suprasecundară a proteinei- aceasta este o ordine specifică de alternanță a structurilor secundare. Un domeniu este înțeles ca o parte separată a unei molecule de proteine, care are un anumit grad de autonomie structurală și funcțională. Acum, domeniile sunt considerate elemente fundamentale ale structurii moleculelor de proteine, iar raportul și natura aspectului elicelor α și straturilor β oferă mai mult pentru înțelegerea evoluției moleculelor de proteine ​​și a relațiilor filogenetice decât o comparație a structurilor primare.

Scopul principal al evoluției este construirea de noi proteine. Există o șansă infinitezimală de a sintetiza întâmplător o astfel de secvență de aminoacizi care să satisfacă condițiile de ambalare și să asigure îndeplinirea sarcinilor funcționale. Prin urmare, există adesea proteine ​​cu funcții diferite, dar similare ca structură într-o asemenea măsură încât se pare că au avut un strămoș comun sau au evoluat unele din altele. Se pare că evoluția, pusă în fața nevoii de a rezolva o anumită problemă, preferă să nu proiecteze mai întâi proteine ​​pentru aceasta, ci să adapteze structuri deja bine stabilite pentru aceasta, adaptându-le pentru noi scopuri.

Câteva exemple de structuri suprasecundare repetate frecvent:

1) αα' - proteine ​​care conțin numai elice α (mioglobină, hemoglobină);

2) ββ' - proteine ​​care conțin doar β-structuri (imunoglobuline, superoxid dismutază);

3) βαβ' - structura β-barilului, fiecare β-strat este situat în interiorul butoiului și este asociat cu un α-helix situat la suprafața moleculei (triozofosfoizomeraza, lactat dehidrogenază);

4) „degetul de zinc” - un fragment de proteină format din 20 de resturi de aminoacizi, atomul de zinc este asociat cu două reziduuri de cisteină și două de histidină, rezultând un „deget” de aproximativ 12 reziduuri de aminoacizi, care se poate lega de reglementare. regiuni ale moleculei de ADN;

5) „fermoar leucină” - proteinele care interacționează au o regiune α-helicol care conține cel puțin 4 reziduuri de leucină, sunt situate la 6 aminoacizi unul de celălalt, adică sunt situate la suprafața fiecărei ture a doua și pot forma hidrofobe se leagă cu resturile de leucină o altă proteină. Cu ajutorul fermoarelor cu leucină, de exemplu, moleculele de proteine ​​​​histone puternic bazice pot fi combinate în complexe, depășind o sarcină pozitivă.

Structura terțiară a unei proteine- aceasta este aranjarea spatiala a moleculei proteice, stabilizata prin legaturi intre radicalii laterali ai aminoacizilor.

Tipuri de legături care stabilizează structura terțiară a unei proteine:

hidrogen electrostatic hidrofob disulfură interacțiuni legături interacțiuni legături

În funcție de pliere Proteinele cu structură terțiară pot fi clasificate în două tipuri principale - fibrilare și globulare.

proteine ​​fibrilare- molecule filamentoase lungi insolubile în apă, ale căror lanțuri polipeptidice sunt extinse de-a lungul unei axe. Acestea sunt în principal proteine ​​structurale și contractile. Câteva exemple dintre cele mai comune proteine ​​fibrilare sunt:

1. α- Keratine. Sintetizată de celulele epidermice. Acestea reprezintă aproape toată greutatea uscată a părului, lânii, pene, coarne, unghii, gheare, ace, solzi, copite și carapace de țestoasă, precum și o parte semnificativă din greutatea stratului exterior al pielii. Aceasta este o întreagă familie de proteine, sunt similare în compoziția de aminoacizi, conțin multe reziduuri de cisteină și au aceeași aranjare spațială a lanțurilor polipeptidice.

În celulele părului, lanțuri polipeptidice de cheratina organizate mai întâi în fibre, din care apoi se formează structuri ca o frânghie sau un cablu răsucit, care în cele din urmă umple întregul spațiu al celulei. În același timp, celulele capilare devin turtite și în cele din urmă mor, iar pereții celulari formează o înveliș tubular în jurul fiecărui fir de păr, numită cuticulă. În α-keratina, lanțurile polipeptidice sunt sub forma unui α-helix, răsucite unul în jurul celuilalt într-un cablu cu trei miezuri cu formarea de legături disulfurice încrucișate.

Sunt localizate reziduurile N-terminale pe o parte (paralel). Keratinele sunt insolubile în apă datorită predominării aminoacizilor cu radicali laterali nepolari în compoziția lor, care sunt îndreptați către faza apoasă. În timpul permanentei, au loc următoarele procese: în primul rând, punțile disulfurice sunt distruse prin reducerea cu tioli, iar apoi, când părului i se dă forma necesară, se usucă prin încălzire, în timp ce datorită oxidării cu oxigen din aer se formează noi punți disulfurice. care păstrează forma coafurii.

2. β-Keratine. Acestea includ fibroina de mătase și pânză de păianjen. Sunt straturi β-pliate antiparalele cu predominanță de glicină, alanină și serină în compoziție.

3. Colagen. Cea mai comună proteină la animalele superioare și principala proteină fibrilă a țesuturilor conjunctive. Colagenul este sintetizat în fibroblaste și condrocite - celule specializate ale țesutului conjunctiv, din care este apoi împins afară. Fibrele de colagen se găsesc în piele, tendoane, cartilaje și oase. Nu se întind, depășesc sârma de oțel ca rezistență, fibrilele de colagen sunt caracterizate prin striații transversale.

Fibroasă la fiert în apă, colagenul insolubil și indigerabil este transformat în gelatină ca urmare a hidrolizei unor legături covalente. Colagenul conține 35% glicină, 11% alanină, 21% prolină și 4-hidroxiprolină (un aminoacid care se găsește numai în colagen și elastină). Această compoziție determină valoarea nutritivă relativ scăzută a gelatinei ca proteină alimentară. Fibrilele de colagen sunt formate din subunități polipeptidice repetate numite tropocolagen. Aceste subunități sunt aranjate de-a lungul fibrilei sub formă de mănunchiuri paralele într-un mod cap-coadă. Deplasarea capetelor dă striația transversală caracteristică. Golurile din această structură, dacă este necesar, pot servi ca loc pentru depunerea cristalelor de hidroxiapatită Ca 5 (OH) (PO 4) 3 , care joacă un rol important în mineralizarea osoasă.

Subunitățile de tropocolagen sunt din trei lanțuri polipeptidice, strâns răsucite sub forma unei frânghii cu trei miezuri, diferite de α- și β-keratine. La unii colageni, toate cele trei lanțuri au aceeași secvență de aminoacizi, în timp ce în altele doar două lanțuri sunt identice, iar al treilea diferă de ele. Lanțul polipeptidic de tropocolagen formează o spirală stângă, cu doar trei reziduuri de aminoacizi pe tură, din cauza curburilor lanțului cauzate de prolină și hidroxiprolină. Trei lanțuri sunt interconectate, pe lângă legăturile de hidrogen, printr-o legătură de tip covalent formată între două resturi de lizină situate în lanțuri adiacente:

Pe măsură ce îmbătrânim, se formează un număr tot mai mare de legături încrucișate în și între subunitățile de tropocolagen, ceea ce face fibrilele de colagen mai rigide și mai fragile, iar acest lucru modifică proprietățile mecanice ale cartilajului și tendoanelor, face oasele mai fragile și reduce transparența corneei. ochiul.

4. Elastină. Conținut în țesutul elastic galben al ligamentelor și în stratul elastic de țesut conjunctiv din pereții arterelor mari. Subunitatea principală a fibrilelor de elastină este tropoelastină. Elastină este bogată în glicină și alanină, conține multă lizină și puțină prolină. Secțiunile elicoidale ale elastinei se întind când sunt întinse, dar revin la lungimea inițială atunci când sarcina este îndepărtată. Reziduurile de lizină ale celor patru lanțuri diferite formează legături covalente între ele și permit elastinei să se întindă reversibil în toate direcțiile.

Proteine ​​globulare- proteinele, al căror lanț polipeptidic este pliat într-un globul compact, sunt capabile să îndeplinească o mare varietate de funcții.

Structura terțiară a proteinelor globulareîn ea este cel mai convenabil să luăm în considerare exemplul mioglobinei. Mioglobina este o proteină relativ mică care leagă oxigenul, găsită în celulele musculare. Stochează oxigenul legat și promovează transferul acestuia către mitocondrii. Molecula de mioglobină conține un lanț polipeptidic și un hemogrup (hem) - un complex de protoporfirină cu fier.

Proprietăți de bază mioglobina:

a) molecula de mioglobină este atât de compactă încât în ​​ea pot încăpea doar 4 molecule de apă;

b) toate resturile de aminoacizi polari, cu excepția a două, sunt situate pe suprafața exterioară a moleculei și toate sunt în stare hidratată;

c) majoritatea reziduurilor de aminoacizi hidrofobe sunt localizate în interiorul moleculei de mioglobină și, astfel, sunt protejate de contactul cu apa;

d) fiecare dintre cele patru resturi de prolină din molecula de mioglobină este situată la curbura lanțului polipeptidic, resturile de serină, treonină și asparagină sunt localizate în alte locuri ale curbei, deoarece astfel de aminoacizi împiedică formarea unui α-helix dacă sunt unul cu celălalt;

e) un hemogrup plat se află într-o cavitate (buzunar) lângă suprafața moleculei, atomul de fier are două legături de coordonare direcționate perpendicular pe planul hem, una dintre ele este conectată la restul de histidină 93, iar cealaltă servește la legarea molecula de oxigen.

Pornind de la structura terţiară a proteinei devine capabil să-și îndeplinească funcțiile biologice. Funcționarea proteinelor se bazează pe faptul că atunci când structura terțiară este așezată pe suprafața proteinei, se formează site-uri care pot atașa alte molecule, numite liganzi, de ele însele. Specificitatea ridicată a interacțiunii proteinei cu ligand este asigurată de complementaritatea structurii centrului activ cu structura ligandului. Complementaritatea este corespondența spațială și chimică a suprafețelor care interacționează. Pentru majoritatea proteinelor, structura terțiară este nivelul maxim de pliere.

Structura proteinelor cuaternare- caracteristica proteinelor formate din două sau mai multe lanțuri polipeptidice interconectate exclusiv prin legături necovalente, în principal electrostatice și hidrogen. Cel mai adesea proteinele conțin două sau patru subunități, mai mult de patru subunități conțin de obicei proteine ​​reglatoare.

Proteine ​​cu structură cuaternară sunt adesea denumite oligomerice. Distingeți proteinele homomerice și heteromerice. Proteinele homerice sunt proteine ​​în care toate subunitățile au aceeași structură, de exemplu, enzima catalază este formată din patru subunități absolut identice. Proteinele heteromerice au subunități diferite, de exemplu, enzima ARN polimerază este formată din cinci subunități cu structură diferită care îndeplinesc funcții diferite.

Interacțiune cu o singură subunitate cu un ligand specific provoacă modificări conformaționale în întreaga proteină oligomerică și modifică afinitatea altor subunități pentru liganzi, această proprietate stă la baza capacității proteinelor oligomerice de reglare alosterică.

Se poate lua în considerare structura cuaternară a unei proteine b pe exemplul hemoglobinei. Conține patru lanțuri polipeptidice și patru grupe protetice hem, în care atomii de fier sunt sub formă feroasă Fe2+. Partea proteică a moleculei - globina - constă din două lanțuri α și două lanțuri β, care conțin până la 70% elice α. Fiecare dintre cele patru lanțuri are o structură terțiară caracteristică, iar cu fiecare lanț este asociat un hemogrup. Hemele diferitelor lanțuri sunt relativ îndepărtate și au unghiuri diferite de înclinare. Puține contacte directe se formează între două lanțuri α și două lanțuri β, în timp ce numeroase contacte de tip α 1 β 1 și α 2 β 2 formate de radicali hidrofobi se formează între lanțurile α și β. Un canal rămâne între α 1 β 1 și α 2 β 2.

Spre deosebire de mioglobina hemoglobină caracterizat o afinitate semnificativ mai scăzută pentru oxigen, ceea ce îi permite, la presiuni parțiale scăzute ale oxigenului existent în țesuturi, să le ofere o parte semnificativă din oxigenul legat. Oxigenul se leagă mai ușor de fierul din hemoglobină la valori mai mari ale pH-ului și concentrații scăzute de CO 2, caracteristice alveolelor pulmonare; eliberarea oxigenului din hemoglobină este favorizată de valori mai mici ale pH-ului și de concentrații mari de CO 2 inerente țesuturilor.

Pe lângă oxigen, hemoglobina transportă ioni de hidrogen., care se leagă de reziduurile de histidină din lanțuri. Hemoglobina transportă, de asemenea, dioxid de carbon, care se atașează la gruparea amino terminală a fiecăruia dintre cele patru lanțuri polipeptidice, ducând la formarea carbaminohemoglobinei:

ÎN eritrocite în concentraţii suficient de mari este prezentă substanța 2,3-difosfoglicerat (DFG), conținutul său crește odată cu ascensiunea la altitudine mare și în timpul hipoxiei, facilitând eliberarea oxigenului din hemoglobină în țesuturi. DFG este situat în canalul între α 1 β 1 și α 2 β 2 interacționând cu grupuri infectate pozitiv de lanțuri β. Când oxigenul este legat de hemoglobină, DPG este deplasat din cavitate. Eritrocitele unor păsări nu conțin DPG, ci inozitol hexafosfat, care reduce și mai mult afinitatea hemoglobinei pentru oxigen.

2,3-difosfoglicerat (DPG)

HbA - hemoglobina adultă normală, HbF - hemoglobina fetală, are o afinitate mai mare pentru O 2 , HbS - hemoglobina în anemia falciformă. Anemia falciforme este o boală ereditară gravă asociată cu o anomalie genetică a hemoglobinei. În sângele persoanelor bolnave, există un număr neobișnuit de mare de globule roșii subțiri în formă de seceră, care, în primul rând, sunt ușor rupte și, în al doilea rând, înfundă capilarele sanguine.

La nivel molecular, hemoglobina S diferă din hemoglobina A, un rest de aminoacid în poziția 6 a lanțurilor β, unde se află valină în loc de restul de acid glutamic. Astfel, hemoglobina S conține două sarcini negative mai puțin, apariția valinei duce la apariția unui contact hidrofob „lipicios” pe suprafața moleculei, ca urmare, în timpul dezoxigenării, moleculele de deoxihemoglobină S se lipesc între ele și formează insolubile filamentoase anormal de lungi. agregate, ducând la deformarea eritrocitelor.

Nu există niciun motiv să credem că există un control genetic independent asupra formării nivelurilor de organizare structurală a proteinelor peste cea primară, deoarece structura primară determină atât secundar, terțiar și cuaternar (dacă există). Conformația nativă a unei proteine ​​este structura cea mai stabilă termodinamic în condițiile date.

PRELEZA 6

Există proprietăți fizice, chimice și biologice ale proteinelor.

Proprietățile fizice ale proteinelor sunt prezența masei moleculare, birefringența (modificarea caracteristicilor optice ale unei soluții de proteine ​​în mișcare față de o soluție în repaus) datorită formei nesferice a proteinelor, mobilitatea în câmp electric datorită încărcării moleculelor proteice. În plus, proteinele se caracterizează prin proprietăți optice, care constau în capacitatea de a roti planul de polarizare a luminii, de a împrăștia razele de lumină datorită dimensiunii mari a particulelor de proteine ​​și de a absorbi razele ultraviolete.

Una dintre proprietățile fizice caracteristice proteinele au capacitatea de a adsorbi la suprafață și uneori de a capta în interior molecule, compuși organici cu greutate moleculară mică și ioni.

Proprietățile chimice ale proteinelor sunt diferite diversitate excepțională, deoarece proteinele sunt caracterizate de toate reacțiile radicalilor de aminoacizi și reacția de hidroliză a legăturilor peptidice este caracteristică.

Având un număr semnificativ de grupe acide și bazice proteinele prezintă proprietăți amfotere. Spre deosebire de aminoacizii liberi, proprietățile acido-bazice ale proteinelor sunt determinate nu de grupările α-amino și α-carboxi implicate în formarea legăturilor peptidice, ci de radicalii încărcați de reziduuri de aminoacizi. Principalele proprietăți ale proteinelor se datorează reziduurilor de arginină, lizină și histidină. Proprietățile acide se datorează reziduurilor de acizi aspartic și glutamic.

Curbele de titrare a proteinelor sunt suficiente sunt greu de interpretat, deoarece orice proteină are prea multe grupări titrabile, există interacțiuni electrostatice între grupările ionizate ale proteinei, iar pK-ul fiecărei grupări titrabile este influențat de reziduurile hidrofobe adiacente și de legăturile de hidrogen. Cea mai mare aplicație practică este punctul izoelectric al proteinei - valoarea pH-ului la care sarcina totală a proteinei este zero. În punctul izoelectric, proteina este maxim inertă, nu se mișcă în câmpul electric și are cea mai subțire înveliș hidratat.

Proteinele prezintă proprietăți de tamponare, dar capacitatea lor tampon este neglijabilă. Excepție fac proteinele care conțin un număr mare de reziduuri de histidină. De exemplu, hemoglobina conținută în eritrocite, datorită conținutului foarte mare de reziduuri de histidină, are o capacitate tampon semnificativă la un pH de aproximativ 7, ceea ce este foarte important pentru rolul pe care îl joacă eritrocitele în transportul oxigenului și dioxidului de carbon în sangele.

Proteinele sunt solubile în apă, iar din punct de vedere fizic formează adevărate soluții moleculare. Cu toate acestea, soluțiile de proteine ​​se caracterizează prin unele proprietăți coloidale: efectul Tendal (fenomen de împrăștiere a luminii), incapacitatea de a trece prin membranele semipermeabile, vâscozitate ridicată, formare de gel.

Solubilitatea unei proteine ​​este foarte dependentă asupra concentrației sărurilor, adică asupra tăriei ionice a soluției. În apa distilată, proteinele sunt cel mai adesea slab solubile, dar solubilitatea lor crește pe măsură ce crește puterea ionică. În acest caz, o cantitate tot mai mare de ioni anorganici hidratați se leagă de suprafața proteinei și, prin urmare, gradul de agregare a acesteia scade. La putere ionică ridicată, ionii de sare preiau învelișul de hidratare din moleculele de proteine, ceea ce duce la agregarea și precipitarea proteinelor (fenomenul de salinizare). Folosind diferența de solubilitate, este posibil să se separe un amestec de proteine ​​cu ajutorul sărurilor comune.

Printre proprietățile biologice ale proteinelor atribuite în primul rând activității lor catalitice. O altă proprietate biologică importantă a proteinelor este activitatea lor hormonală, adică capacitatea de a influența grupuri întregi de reacții din organism. Unele proteine ​​au proprietăți toxice, activitate patogenă, funcții de protecție și de receptor și sunt responsabile de fenomenele de adeziune celulară.

O altă proprietate biologică particulară a proteinelor- denaturare. Proteinele în stare naturală sunt numite proteine ​​native. Denaturarea este distrugerea structurii spațiale a proteinelor sub acțiunea agenților de denaturare. Structura primară a proteinelor în timpul denaturarii nu este perturbată, dar activitatea lor biologică este pierdută, precum și solubilitatea, mobilitatea electroforetică și alte câteva reacții. Radicalii de aminoacizi care formează centrul activ al proteinei, în timpul denaturarii, sunt distanțați spațial unul de celălalt, adică centrul specific de legare a proteinei la ligand este distrus. Radicalii hidrofobi, care sunt de obicei localizați în miezul hidrofob al proteinelor globulare, apar pe suprafața moleculei în timpul denaturarii, creând astfel condiții pentru agregarea proteinelor care precipită.

Reactivi și condiții care provoacă denaturarea proteinelor:

Temperatura peste 60 ° C - distrugerea legăturilor slabe din proteină,

Acizi și alcalii - modificarea ionizării grupărilor ionogene, ruperea legăturilor ionice și de hidrogen,

Uree - distrugerea legăturilor de hidrogen intramoleculare ca urmare a formării legăturilor de hidrogen cu ureea,

Alcool, fenol, cloramină - distrugerea legăturilor hidrofobe și de hidrogen,

Săruri de metale grele - formarea de săruri de proteine ​​insolubile cu ioni de metale grele.

Odată cu îndepărtarea agenților de denaturare, renaturarea este posibilă, deoarece lanțul peptidic tinde să-și asume conformația cu cea mai scăzută energie liberă în soluție.

În condiții celulare, proteinele pot se denatura spontan, deși într-un ritm mai lent decât la temperatură ridicată. Regenerarea spontană a proteinelor în celulă este dificilă, deoarece datorită concentrației mari există o probabilitate mare de agregare a moleculelor parțial denaturate.

Celulele au proteine- chaperone moleculare care au capacitatea de a se lega de proteinele parțial denaturate care se află într-o stare instabilă, predispusă la agregare și de a-și restabili conformația nativă. Inițial, aceste proteine ​​au fost descoperite ca proteine ​​de șoc termic, deoarece sinteza lor a fost îmbunătățită sub efectele stresante asupra celulei, de exemplu, cu creșterea temperaturii. Chaperonele sunt clasificate în funcție de masa subunităților: hsp-60, hsp-70 și hsp-90. Fiecare clasă include o familie de proteine ​​înrudite.

Însoțitori moleculari ( hsp-70) o clasă foarte conservată de proteine ​​găsite în toate părțile celulei: citoplasmă, nucleu, reticul endoplasmatic, mitocondrii. La capătul C-terminal al unui singur lanț polipeptidic, hsp-70 are o regiune care este un șanț care poate interacționa cu peptide lungi de 7-9 reziduuri de aminoacizi, îmbogățite cu radicali hidrofobi. Astfel de locuri în proteinele globulare apar aproximativ la fiecare 16 aminoacizi. Hsp-70 este capabil să protejeze proteinele de inactivarea termică și să restabilească conformația și activitatea proteinelor parțial denaturate.

Chaperones-60 (hsp-60) participă la formarea structurii terțiare a proteinelor. Hsp-60 funcționează ca proteine ​​oligomerice constând din 14 subunități. Hsp-60 formează două inele, fiecare inel este format din 7 subunități conectate între ele.

Fiecare subunitate este formată din trei domenii:

Domeniul apical are un număr de resturi de aminoacizi hidrofobe orientate în interiorul cavității formate de subunități;

Domeniul ecuatorial are activitate ATPază și este necesar pentru eliberarea proteinelor din complexul de chaperonină;

Domeniul intermediar conectează domeniile apicale și ecuatoriale.

O proteină care are fragmente pe suprafața saîmbogățit cu aminoacizi hidrofobi intră în cavitatea complexului chaperonin. În mediul specific acestei cavități, în condiții de izolare față de alte molecule ale citosolului celulei, alegerea posibilelor conformații proteice are loc până la găsirea unei conformații mai favorabile energetic. Formarea dependentă de chaperonă a conformației native este asociată cu consumul unei cantități semnificative de energie, a cărei sursă este ATP.

Proteinele (proteinele) sunt compuși polimerici cu molecul mare de natură peptidică (poliheteroaminoacizi).

Structura primară a proteinelor este secvența de alternanță a resturilor de aminoacizi din lanțul polipeptidic (PPC).

Structura primară a proteinelor este covalent structura, deoarece se bazează pe peptidă legătura dintre grupările a-amino și a-carboxil ale aminoacizilor. Ca rezultat, lanțurile polipeptidice sunt neramificate.

Scheletul (coloana vertebrală, scheletul) lanțului polipeptidic este format din elemente structurale care se repetă în mod regulat

Lanțul polipeptidic are un vector, direcția lanțului este de la capătul N-terminal (începutul lanțului) la capătul C-terminal (sfârșitul lanțului), capătul N-terminal este capătul la care a liber -este localizata grupa amino. Capătul C-terminal este capătul la care este localizată gruparea a-carboxil liberă. Secvența de aminoacizi a proteinelor este desemnată pornind de la capătul N-terminal folosind abrevieri de aminoacizi din trei litere, de exemplu: gli-ala-cis-pro. De asemenea, poate fi utilizată o desemnare cu o literă a resturilor de aminoacizi dintr-o proteină.

Terminalele N- și C-terminale ale proteinelor pot fi modificate. Gruparea amino de la capătul N-terminal poate fi acetilată, formilată sau metilată. Într-un număr de proteine, N-terminalul este un reziduu de carbonat de pirolidonă (piroglutamat) care nu conține o grupare amino liberă. Capătul C-terminal poate fi amidat. Modificările C-terminale sunt mai rare decât modificările N-terminale.

Coeficientul de policondensare a proteinei variază în intervalul de la 50 la 2500. De obicei, o proteină conține 100-300 de resturi de aminoacizi. Deoarece greutatea moleculară medie a unui rest de aminoacid este de aproximativ 110 Da, greutatea moleculară a proteinelor variază de la 6000 la milioane de Da.

Fiecare proteină individuală are o structură primară unică. Prima proteină a cărei structură primară a fost stabilită a fost insulina. Sanger a făcut-o. Strategia lui a fost următoarea. El a separat mai întâi două lanțuri de polipeptide și apoi a efectuat scindarea lor enzimatică specifică în peptide mici care conțin secvențe suprapuse. Apoi, folosind 1-fluor-2,4-dinitrobenzen, au identificat reziduuri N-terminale. În plus, el a determinat compoziția de aminoacizi a peptidelor și, în cele din urmă, a reușit să stabilească structura lor comparând secvențele de peptide suprapuse. În termeni generali, strategia lui Sanger și-a păstrat semnificația până astăzi. Cu toate acestea, au fost propuse și alte abordări. Edman a dezvoltat o metodă pentru procedura automată pentru scindarea secvențială și identificarea reziduurilor de aminoacizi N-terminal. Pentru a descifra structura primară, poate fi utilizată analiza de difracție cu raze X. Secvența resturilor de aminoacizi poate fi determinată din secvența de nucleotide a ARN-ului mesager.

În prezent, structura primară a peste 2000 de proteine ​​a fost stabilită. Teoretic, numărul de variante diferite ale structurii primare a proteinelor este nelimitat. Chiar și pentru o polipeptidă cu 20 de aminoacizi diferiți, numărul de secvențe posibile este de 20×1018. În natura vie, se realizează doar o mică parte din secvențele posibile, al căror număr total în toate tipurile de organisme vii este estimat la 10 10 -10 12. .

Structura primară a proteinelor este determinată genetic, adică. secvența de aminoacizi dintr-o proteină este determinată de secvența de nucleotide în ADN. Distorsiunile secvenței de nucleotide ADN duc la apariția unor proteine ​​anormale cu proprietăți biologice modificate, care este cauza patologiei moleculare. În special, cauza anemiei falciforme este o mutație punctuală a genei care controlează lanțul B al hemoglobinei. Consecința acestui lucru este înlocuirea reziduului de glutamat din poziția a 6-a a lanțului b cu valină. O astfel de substituție are ca rezultat pierderea unei sarcini negative în fiecare dintre cele două catenele b, ceea ce duce la o modificare a conformației hemoglobinei și la pierderea funcției sale biologice.

Proteinele omoloage sunt proteine ​​care îndeplinesc aceleași funcții la specii diferite. Un exemplu este hemoglobina: la toate vertebratele, aceasta îndeplinește aceeași funcție asociată cu transportul oxigenului. Proteinele omoloage se caracterizează prin prezența acelorași aminoacizi în multe poziții. După cum sa dovedit, numărul de resturi de aminoacizi prin care diferă proteinele omoloage este proporțional cu diferența filogenetică dintre aceste specii. De exemplu, moleculele de citocrom C de cal și drojdie diferă în 48 de reziduuri de aminoacizi, în timp ce aceleași molecule de pui și rață diferă doar în 2 reziduuri. În ceea ce privește citocromul C de pui și curcan, acestea au secvențe de aminoacizi identice. Informațiile despre numărul de diferențe în secvențele de aminoacizi ale proteinelor omoloage de la diferite specii sunt folosite pentru a construi hărți evolutive care reflectă etapele succesive ale apariției și dezvoltării diferitelor specii de animale și plante în procesul evolutiv.