proteine ​​native. Conceptul de proteină nativă. Conceptul de proteine ​​alosterice. Fundamentele teoretice ale lecției

Legătura peptidică determină coloana vertebrală (coloana vertebrală) a structurii primare a moleculei proteice și îi conferă rigiditate.

Baza teoretica clase

Structura unei molecule de proteine

Scopul lecției: pentru a studia tipurile de organizare macromoleculară a moleculelor de proteine.

Structura primară proteine- secvența aminoacizilor din lanțul polipeptidic (sau lanțurile) și poziția legăturilor disulfurice (dacă există).

Structura primară este stabilizată de legături covalente: legături peptidice, iar în unele peptide, legături disulfură.

Distrugerea legăturilor covalente ale structurii primare - hidroliza: 1) acidă - în 6 n. HCI, 100-110°C, 24 ore; 2) enzimatic - cu ajutorul enzimelor proteolitice din stomac la pH 1,5-5,0 - pepsina; tripsină, chimotripsină, carboxipeptidază - în duoden; dipeptidaze, tripeptidaze și aminopeptidaze - în intestinul subțire, la pH 8,6.

Caracterizarea legăturii peptidice. Legătura peptidică este plană (coplanară). Legătura C-N seamănă cu o legătură dublă (rotația este imposibilă) datorită conjugării p, π (conjugarea unei perechi libere de electroni ai unui atom cu electronii π ai legăturii duble C=O).

Secvența de aminoacizi din structura primară a unei proteine ​​este specii specifice caracteristice acestei proteine.

Structura primară a unei proteine determinate genetic şi reproduse în procesele de transcripţie şi traducere.

Structura primară a unei proteine ​​este de bază pentru formarea structurilor proteice ulterioare datorită interacțiunii radicalilor reziduurilor de aminoacizi ale lanțului polipeptidic.

Înlocuirea unui aminoacid din seria L cu un aminoacid din seria D sau înlocuirea chiar și a unui L-aminoacid cu altul poate duce la dispariția completă activitate biologică peptidă.

Peptide active fiziologic conţin de la 3 la 100 de resturi de aminoacizi (MM sub 6000 Da). Spre deosebire de proteine, polipeptidele pot conține aminoacizi neproteinogeni sau proteinogeni modificați. Exemple:

1. Bradikinina și kalidina provoacă relaxarea mușchilor netezi și sunt produse ale proteolizei plasmei specifice a 2-globulinelor, prin urmare aceste peptide conțin numai aminoacizi proteinogeni:

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

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

2. Glutationul (γ-glu-cis-gli) se găsește în toate celulele. Este necesar pentru transportul aminoacizilor prin membrane, pentru funcționarea unui număr de enzime. Reține legături disulfurice, conține o legătură peptidică atipică atunci când glutamatul nu este legat de cisteină printr-o grupare α-amino.

Polimorfismul proteic- aceasta este existența aceleiași proteine ​​în mai multe forme moleculare care diferă prin structura primară, proprietăți fizico-chimice și manifestări ale activității biologice.

Cauzele polimorfismului proteic sunt recombinările și mutațiile genelor. Izoproteinele sunt forme moleculare multiple ale unei proteine ​​găsite în organismele aceleiași specii ca urmare a prezenței a mai mult de o genă structurală în grupul de gene ale speciilor. Genele multiple pot fi reprezentate ca alele multiple sau ca loci de gene multiple.

Exemple de polimorfism proteic.

1. Polimorfismul proteic în filogeneză – existența unor proteine ​​omoloage la diferite specii. În aceste proteine, regiunile structurii primare responsabile de funcția lor rămân conservatoare (neschimbate). Pentru a înlocui proteinele pierdute în corpul uman, se folosesc proteine ​​animale omoloage, în a căror structură primară există diferențe minime (insulina de bovină, de porc, de cașalot).

2. Polimorfismul proteinelor în ontogeneză - existența unor proteine ​​omoloage în diferite segmente ale ciclului de viață al unui organism. Fatul are hemoglobina F (hemoglobina fetala, α 2 γ 2 , are o mare afinitate pentru oxigen). După naștere, este înlocuită cu hemoglobina A 1 (a 2 b 2).

3. Polimorfismul proteinelor tisulare. Aceeași enzimă din celule diferite catalizează aceeași reacție, dar are diferențe în structura primară - izoenzimele. Determinarea izoenzimelor din sânge ajută la diagnosticarea leziunilor unui anumit țesut.

4. Polimorfismul proteic în patologie. Luați în considerare exemplul mai multor forme de mutații care sunt moștenite. În acest caz, cel mai adesea există o înlocuire a unui aminoacid acid cu unul bazic sau neutru:

în HbC, înlocuirea glu 6 în lanțul β prin liză;

în HbE, înlocuirea glu 26 în lanțul β cu lys;

în HbI, înlocuirea lys 16 în lanțul β cu asp;

în HbS, înlocuirea glu 6 din lanțul β cu un arbore.

În acest din urmă caz, apare o boală precum anemia falciformă. Hemoglobinele anormale diferă de cele normale prin încărcare și mobilitatea electroforetică. Modificările fizico-chimice ale hemoglobinei sunt însoțite de o încălcare a transportului de oxigen.

Structura secundară a unei proteine- organizarea regulată a lanțului polipeptidic, stabilizat prin legături de hidrogen. Legăturile de hidrogen se formează între grupările NH și CO ale legăturilor peptidice. Există a-helix, b-structură și conformație dezordonată (coil).

a-Spirală. Răsucirea lanțului polipeptidic este în sensul acelor de ceasornic (helix dreapta), ceea ce se datorează structurii L-aminoacizilor. Pentru fiecare tură (pas) a spiralei, există 3,6 reziduuri de aminoacizi. Pasul helixului este de 0,54 nm, cu 0,15 nm per reziduu de aminoacid. Unghiul helixului este 26 0 . la fiecare 5 spire ale helixului (18 resturi de aminoacizi) se repetă structura lanțului polipeptidic. Legăturile de hidrogen sunt paralele cu axa helixului și apar între fiecare prim și fiecare al cincilea reziduu de aminoacizi. Formarea unui a-helix este împiedicată de prolină și aminoacizi cu radicali voluminosi și încărcați.

Β-Structură. În proteinele fibrilare, două sau mai multe lanțuri polipeptidice liniare sunt strâns legate prin legături de hidrogen perpendiculare pe axa moleculei (stratul B pliat). Dacă două lanțuri polipeptidice sunt conectate prin legături de hidrogen între lanțuri, mergând în aceeași direcție de la capătul N- la capătul C, atunci aceasta este o structură β paralelă. Dacă capetele N și C ale lanțurilor sunt opuse, atunci aceasta este o structură b antiparalelă. Dacă un lanț polipeptidic se îndoaie și rulează paralel cu el însuși, atunci aceasta este o structură β-încrucișată antiparalelă. Locurile de îndoire a lanțului sunt determinate de pro, gli, asn-b-bend.

conformatie dezordonata. Secțiunile unei molecule de proteine ​​care nu aparțin structurilor elicoidale sau pliate se numesc dezordonate. Într-o reprezentare grafică, secțiunile spiralate sunt reprezentate ca un cilindru, iar structurile pliate sunt reprezentate cu o săgeată. Se distinge conceptul de structură suprasecundară, care este o alternanță regulată a secțiunilor elicoidale a și structurilor b.

Structura terțiară- conformația lanțului polipeptidic ca întreg (adică localizarea în spațiul tridimensional). Structura terțiară este stabilizată prin legături și interacțiuni între radicalii resturilor de aminoacizi ale lanțului polipeptidic: legătură covalentă - disulfură, precum și hidrogen, legături ionice și interacțiune hidrofobă. Tipuri de proteine ​​cu structură terțiară:

proteinele, în care predomină secțiunile elicoidale a, au formă de glob (proteine ​​globulare) și îndeplinesc funcții dinamice;

proteinele, care sunt dominate de structurile stratului B pliat, au o formă filamentoasă (proteine ​​fibrilare) și îndeplinesc funcții structurale;

Colagenul este cea mai comună proteină din lumea animală (până la 25% din toate proteinele corpului), are o structură specială. Molecula de colagen (tropocolagen) este construită din trei lanțuri polipeptidice. Fiecare lanț polipeptidic conține aproximativ 1000 de resturi de aminoacizi (35% glicină, 21% prolină și hidroxiprolină, 11% alanină). Fiecare lanț polipeptidic are o conformație de helix strânsă (3 reziduuri de aminoacizi pe tură). În molecula de tropocolagen, toate cele trei elice sunt împletite între ele, formând un garou. Legăturile de hidrogen se formează între elice datorită grupărilor peptidice. Această structură asigură rezistența fibrelor de colagen.

Structura proteinelor native.

Multe proteine ​​din structura terțiară au segmente elicoidale, pliate și dezordonate. În același timp, din punct de vedere funcțional și structural, aranjarea reciprocă a radicalilor de aminoacizi este importantă. A consuma termenii următori:

domenii – zone anatomic distincte ale structurii terțiare a proteinei, responsabile de îndeplinirea unei funcții specifice a proteinei;

buzunare hidrofobe – cavități din structura terțiară căptușite cu radicali de aminoacizi hidrofobi; servesc la scufundarea liganzilor hidrofobi în molecula proteică;

clustere hidrofobe – zonele suprafeței proteice în care sunt concentrați radicalii aminoacizilor hidrofobi; servesc la interacțiunea cu clusterele hidrofobe ale altor molecule.

Pentru a îndeplini o funcție, o proteină trebuie să aibă o structură (conformație) specifică și adesea singura terțiară - structura nativă.

Orez. 3.9. Structura terțiară a lactoglobulinei, o proteină a/p tipică (conform PDB-200I) (Brownlow, S., Marais Cabral, J. H., Cooper, R., Flower, D. R., Yewdall, S. J., Polikarpov, I., North, A. C. , Sawyer , L.: Structura, 5, p. 481. 1997)

Structura spațială nu depinde de lungimea lanțului polipeptidic, ci de secvența reziduurilor de aminoacizi specifice fiecărei proteine, precum și de radicalii laterali caracteristici aminoacizilor corespunzători. Structura spațială tridimensională sau conformația macromoleculelor proteice este formată în primul rând din legături de hidrogen, precum și din interacțiuni hidrofobe între radicalii laterali nepolari ai aminoacizilor. Legăturile de hidrogen joacă rol imensîn formarea şi menţinerea structurii spaţiale a macromoleculei proteice. O legătură de hidrogen se formează între doi atomi electronegativi prin intermediul unui proton de hidrogen legat covalent la unul dintre acești atomi. Când singurul electron al unui atom de hidrogen participă la formarea unei perechi de electroni, protonul este atras de atomul vecin, formând o legătură de hidrogen. O condiție prealabilă pentru formarea unei legături de hidrogen este prezența a cel puțin o pereche de electroni liberi la un atom electronegativ. În ceea ce privește interacțiunile hidrofobe, acestea apar ca urmare a contactului dintre radicalii nepolari care nu sunt capabili să rupă legăturile de hidrogen dintre moleculele de apă, care este deplasată la suprafața globului proteic. Pe măsură ce proteina este sintetizată, grupurile chimice nepolare sunt colectate în interiorul globului, iar cele polare sunt forțate să iasă pe suprafața acestuia. Prin urmare, molecula proteica poate fi neutru, încărcat pozitiv sau încărcat negativ, în funcție de pH-ul solventului și de grupările ionice din proteină. Interacțiunile slabe includ, de asemenea, legăturile ionice și interacțiunile van der Waals. În plus, conformația proteinelor este menținută prin covalent Legături S-S format între două reziduuri de cisteină. Ca urmare a interacțiunilor hidrofobe și hidrofile, molecula proteică își asumă spontan una sau mai multe dintre conformațiile cele mai favorabile termodinamic, iar dacă conformația nativă este perturbată ca urmare a oricăror influențe externe, este posibilă restaurarea sa completă sau aproape completă. Acest lucru a fost arătat pentru prima dată de K. Anfinsen folosind ca exemplu proteina ribonucleaza activă catalitic. S-a dovedit că atunci când este expus la uree sau p-mercaptoetanol, conformația acestuia se modifică și, ca urmare, are loc o scădere bruscă a activității catalitice. Îndepărtarea ureei duce la trecerea conformației proteinei la starea inițială, iar activitatea catalitică este restabilită.

Astfel, conformația proteinelor este o structură tridimensională și, ca urmare a formării acesteia, mulți atomi aflați în secțiuni îndepărtate ale lanțului polipeptidic se apropie unul de celălalt și, acționând unul asupra celuilalt, dobândesc noi proprietăți care sunt absente în aminoacizii individuali. acizi sau polipeptide mici. Acest așa-zis structura tertiara, caracterizată prin orientarea lanțurilor polipeptidice în spațiu (Fig. 3.9). Structura terțiară a proteinelor globulare și fibrilare diferă semnificativ una de cealaltă. Se obișnuiește să se caracterizeze forma unei molecule de proteină printr-un indicator precum gradul de asimetrie (raportul dintre axa lungă a moleculei și cea scurtă). În proteinele globulare, gradul de asimetrie este de 3-5, ca și pentru proteinele fibrilare, această valoare este mult mai mare (de la 80 la 150).

Cum, atunci, structurile primare și secundare desfășurate se transformă într-o formă pliată, extrem de stabilă? Calculele arată că numărul de combinații teoretic posibile pentru formarea structurilor tridimensionale ale proteinelor este nemăsurat mai mare decât cele existente efectiv în natură. Aparent, formele cele mai favorabile energetic sunt principalul factor de stabilitate conformațională.

Ipoteza globului topit. Una dintre modalitățile de a studia plierea unui lanț polipeptidic într-o structură tridimensională este denaturarea și resaturarea ulterioară a unei molecule de proteine.

Experimentele lui K. Anfinsen cu ribonuclează arată clar posibilitatea de a asambla exact structura spațială care a fost perturbată ca urmare a denaturarii (Fig. 3.10).

În acest caz, refacerea conformației native nu necesită prezența unor structuri suplimentare. Ce modele de pliere a lanțului polipeptidic în conformația corespunzătoare sunt cele mai probabile? Una dintre ipotezele răspândite ale auto-organizării proteinelor este ipoteza globului topit. În cadrul acestui concept, se disting mai multe etape ale autoasamblarii proteinelor.

• 1. În lanțul polipeptidic desfășurat, cu ajutorul legăturilor de hidrogen și al interacțiunilor hidrofobe, se formează secțiuni separate ale structurii secundare, servind drept sămânță pentru formarea structurilor secundare și supersecundare complete.
• 2. Când numărul acestor situsuri atinge o anumită valoare de prag, radicalii laterali sunt reorientați și lanțul polipeptidic trece într-o formă nouă, mai compactă, iar numărul de legături necovalente

Orez. 3.10.

crește semnificativ. O trăsătură caracteristică a acestei etape este formarea unor contacte specifice între atomi localizați în locuri îndepărtate ale lanțului polipeptidic, dar care s-au dovedit a fi apropiate ca urmare a formării unei structuri terțiare.

3. În ultima etapă se formează conformația nativă a moleculei proteice, asociată cu închiderea legăturilor disulfurice și stabilizarea finală a conformației proteice. Nu este exclusă nici agregarea nespecifică.

lanțuri de polipside, care pot fi calificate drept erori în formarea proteinelor native. Lanț polipeptidic parțial pliat (pasul 2) se numește globul topit, iar stadiul 3 este cel mai lent în formarea unei proteine ​​mature.

Pe fig. 3.11 prezintă o variantă a formării unei macromolecule proteice codificate de o genă. Se știe, totuși, că un număr de proteine ​​au un domeniu

Orez. 3.11.

(conform lui N.K. Nagradova) structura nuyu, se formează ca urmare a duplicării genelor, iar formarea contactelor între domeniile individuale necesită eforturi suplimentare. S-a dovedit că celulele au mecanisme speciale de reglare a plierii proteinelor nou sintetizate. În prezent, au fost descoperite două enzime implicate în implementarea acestor mecanisme. Una dintre reacțiile lente ale celei de-a treia etape de pliere a lanțurilor polipeptidice este *

Orez. 3.12.

În plus, celulele conțin o serie de proteine ​​inactive catalitic, care, cu toate acestea, au o mare contribuție la formarea structurilor proteice spațiale. Acestea sunt așa-numitele chaperone și chaperonine (Fig. 3.12). Unul dintre descoperitorii însoțitorilor moleculari, L. Ellis, le numește o clasă funcțională de familii de proteine ​​care nu sunt legate între ele, care ajută la asamblarea corectă necovalentă a altor structuri care conțin polipeptide in vivo, dar nu fac parte din structurile asamblate și nu participă la implementarea funcțiilor lor fiziologice normale.funcții.

Chaperonele ajută la asamblarea corectă a conformației proteinelor tridimensionale prin formarea de complexe reversibile, necovalente cu lanțul polipeptidic parțial pliat, în timp ce inhibă legăturile malformate care conduc la formarea structurilor proteice inactive funcțional. Lista funcțiilor inerente în chaperone include protecția globulelor topite de agregare, precum și transferul de proteine ​​nou sintetizate la diferite loci celulare. Chaperonele sunt predominant proteine ​​de șoc termic, a căror sinteza crește brusc sub expunerea la temperatură stresantă, de aceea sunt numite și hsp (proteine ​​de șoc termic). Familiile acestor proteine ​​se găsesc în celulele microbiene, vegetale și animale. Clasificarea însoțitorilor se bazează pe acestea greutate moleculară, care variază de la 10 la 90 kDa. În general, funcțiile chaperonelor și chaperoninelor diferă, deși ambele sunt proteine ​​ajutătoare în procesele de formare a structurii tridimensionale a proteinelor. Chaperonele mențin lanțul polipeptidic nou sintetizat într-o stare desfășurată, împiedicându-l să se plieze într-o formă diferită de cea nativă, iar chaperoninele oferă condițiile pentru formarea singurei structuri proteice native corecte (Fig. 3.13).

Orez. 3.13.

Chaperonele / sunt asociate cu un lanț polipeptidic nanscent care coboară din ribozom. După formarea lanțului polipeptidic și eliberarea acestuia din ribozom, chaperonele se leagă de acesta și împiedică agregarea. 2. După plierea în citoplasmă, proteinele sunt separate de chaperonă și transferate în chaperonina corespunzătoare, unde are loc formarea finală a structurii terțiare. 3. Cu ajutorul chaperonei citosolice, proteinele se deplasează către membrana exterioară a mitocondriilor, unde chaperona mitocondrială le trage în interiorul mitocondriilor și le „transferă” către chaperonina mitocondrială, unde are loc plierea. 4, iar 5 este similar 4 , dar în raport cu reticulul endoplasmatic.

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 legături disulfurice.

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 el 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 centrul 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 prin 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 doar 24 de reziduuri 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 hidrofobi de aminoacizi, 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.

7 până la 9 reziduuri de aminoacizi îmbogățite în 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 conformației native a proteinei din 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. Proteinele superfamiliei imunoglobulinelor, care include trei familii de proteine, joacă un rol imens în funcționarea sistemului imunitar:

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 grupările 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 proteinelor este proporțională cu greutatea moleculară a acestora: 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 în scopuri 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

Biochimie- Aceasta este știința fundamentelor moleculare ale vieții, este angajată în studiul moleculelor, reacțiilor chimice, proceselor care au loc în celulele vii ale corpului. Subdivizat în:

static (structura și proprietățile biomoleculelor)

dinamic (chimia reacțiilor)

secțiuni speciale (mediu, biochimia microorganismelor, clinică)

Rolul biochimiei în rezolvarea problemelor medicale fundamentale

conservarea sănătății umane

descoperirea cauzelor diferitelor boli și găsirea modalităților de a le trata eficient.

Astfel, orice stare de rău, boală umană este asociată cu o încălcare a structurii și proprietăților metaboliților sau biomoleculelor și este, de asemenea, asociată cu modificări ale reacțiilor biochimice care apar în organism. Utilizarea oricăror metode de tratament, medicamente se bazează, de asemenea, pe o înțelegere și cunoaștere exactă a biochimiei acțiunii lor.

Proteinele, structura lor și rolul biologic

Proteinele sunt polipeptide cu greutate moleculară mare, granița condiționată dintre proteine ​​și polipeptide este de obicei de 8000-10000 de unități de greutate moleculară. Polipeptidele sunt compuși polimerici care au mai mult de 10 reziduuri de aminoacizi per moleculă.

Peptidele sunt compuși formați din două sau mai multe resturi de aminoacizi (până la 10) Proteinele conțin numai L-aminoacizi.

Există derivați ai aminoacizilor, de exemplu, colagenul conține hidroxiprolină și hidroxilizină. În unele proteine ​​se găsește γ-carboxiglutamat. Carboxilarea afectată a glutamatului în protrombină poate duce la sângerare. Fosforoserina se găsește adesea în proteine.

Aminoacizii esențiali sunt cei care nu sunt sintetizați în organism sau

sintetizate în cantitate insuficientă sau într-un ritm scăzut.

8 aminoacizi sunt indispensabili omului: triptofan, fenilalanina,

metionină, lizină, valină, treonină, izoleucină, leucină.

Funcțiile biochimice ale aminoacizilor:

blocuri de construcție ale peptidelor, polipeptidelor și proteinelor,

biosinteza altor aminoacizi (tirozina este sintetizată din fenilalanină, cisteina este sintetizată din metionină)

biosinteza anumitor hormoni, de exemplu oxitacină, vasopresină, insulină

produse inițiale pentru formarea de glutation, creatină

glicina este esențială pentru sinteza porfirinei

p - alanină, valină, cisteină sub formă de CoA, triptofan - nicotinamidă, acid glutamic - acid folic

biosinteza nucleotidelor necesită glutamina, glicină, acid aspartic, ele formează baze purinice, glutamina și acid aspartic - pirimidină

11 aminoacizi sunt glucogenici, ceea ce înseamnă că pot fi metabolizați în glucoză și alți carbohidrați

fenilalanina, tirozina, leucina, lizina si triptofanul sunt implicate in biosinteza anumitor lipide

10. formarea de uree, dioxid de carbon și energie sub formă de ATP.

Structura proteinelor. structura primara.

Sub structura primară înțelegeți secvența de aminoacizi din lanț, ei sunt interconectați prin legături peptidice covalente. Lanțul polipeptidic începe cu un reziduu având o grupare amino liberă (capătul N) și se termină cu un capăt COOH liber.

Structura primară include, de asemenea, interacțiunea dintre reziduurile de cisteină cu formarea de legături disulfurice.

Astfel, structura primară este o descriere a tuturor legăturilor covalente dintr-o moleculă de proteină.

Legătura peptidică diferă în polaritate, ceea ce se datorează faptului că legătura dintre N și C are parțial caracterul unei duble legături. Rotația este dificilă și legătura peptidică are o structură rigidă. Secvența de aminoacizi este strict determinată genetic; ea determină natura nativă a proteinei și funcțiile acesteia în organism.

structura secundara

1951 - a fost descifrată structura secundară (lanțul principal strâns răsucit al polipeptidei, care alcătuiește partea interioară a tijei, lanțurile laterale sunt îndreptate spre exterior, dispuse în spirală) Toate grupele -C=O-N-H- ale bazelor lanțurile sunt legate prin legături de hidrogen.

Legăturile de hidrogen fac helixul a mai stabil.

Un alt tip de structură secundară este p - strat pliat. Acestea sunt lanțuri polipeptidice paralele care sunt reticulate prin legături de hidrogen. Este posibilă răsucirea unor astfel de formațiuni p, ceea ce conferă proteinei o rezistență mai mare.

Al treilea tip de structură secundară este caracteristic colagenului. Fiecare dintre cele trei lanțuri polipeptidice ale precursorului de colagen (tropocolagen) este elicoidal. Trei astfel de lanțuri spiralate sunt răsucite unul față de celălalt, formând un fir strâns.

Specificitatea acestui tip de structură se datorează prezenței legăturilor de hidrogen pur între resturile de glicină, prolină și hidroxiprolină, precum și legăturilor încrucișate covalente intra și intermoleculare.

MINISTERUL CULTURII, EDUCAȚIEI ȘI SĂNĂTĂȚII

REPUBLICA KAZAKHSTAN

UNIVERSITATEA PAVLODAR

DEPARTAMENTUL DE BIOLOGIE

TEST

Subiect: „Biochimie”

Efectuat

Pavlodar, 2004

1. Apa în organismele vii. Structura și proprietățile apei.

2. Formule structurale ale bazelor purinice și pirimidinice care fac parte din acizii nucleici.

3. Proprietățile enzimelor, specificitatea acțiunilor enzimatice. Diferențele dintre proteina denaturată și proteina nativă.

4. Vitamina D, vitameri ai acestei vitamine. Semne de beriberi D. Surse naturale de vitamina D.

5. Schema defalcării dihotomice a D-glucozei (glicoliză).

6. Formula structurală a peptidei-valil-izoleucil-metionil-argeninei.

Toate ființele vii de pe planeta noastră sunt 2/3 apă. Microorganismele sunt pe primul loc în materia vie după masă, plantele pe locul doi, animalele pe locul trei, iar oamenii pe ultimul. Bacteriile la 81 la sută. Ele constau din apă, spori - 50 la sută, țesut animal în medie 70 la sută, limfa - 90 la sută, sângele conține aproximativ 79 la sută. Cel mai bogat țesut în apă este corpul vitros al ochiului, care conține până la 99 la sută. umiditate, cel mai sărac - smalțul dinților - doar 0,2 la sută.

Apa din organism îndeplinește mai multe funcții: substanțele dizolvate în ea reacționează între ele, apa ajută la îndepărtarea deșeurilor metabolice, servește ca regulator de temperatură, fiind un bun purtător de căldură și, de asemenea, un lubrifiant.

În organismele vii, apa poate fi sintetizată în țesuturi. Deci, de exemplu, la o cămilă, grăsimea din cocoașă, oxidată, poate da până la 40 de litri de apă. O persoană, care bea 2,5 litri de apă pe zi, spală zilnic stomacul cu 10 litri de lichide și evaporă 0,7 litri de apă.

Studiul compoziției chimice a celulelor arată că în organismele vii nu există elemente chimice speciale care le sunt specifice doar lor: în aceasta se manifestă unitatea compoziției chimice a naturii animate și neînsuflețite.

Rolul elementelor chimice în celulă este mare: N și S fac parte din proteine, P este în ADN și ARN, Mg face parte din multe enzime și din molecula de clorofilă, Cu este o componentă a multor enzime oxidative, Zn este pancreatic hormon, Fe este molecula hemoglobinei, I - hormonul tiroxina etc. Cei mai importanți pentru celulă sunt anionii HPO42-, H2RO4-, CO32-, Cl-, HCO3- și cationii Na +, K +, Ca2 +

Conținutul de cationi și anioni din celulă diferă de concentrația lor în mediul din jurul celulei, datorită reglării active a transferului de substanțe de către membrană. Aceasta asigură constanța compoziției chimice a unei celule vii. Odată cu moartea celulară, concentrația de substanțe în mediu și în citoplasmă scade. Dintre compușii anorganici, apa, sărurile minerale, acizii și bazele sunt importante.

Apa dintr-o celulă funcțională ocupă până la 80% din volumul ei și se găsește în ea sub două forme: liberă și legată. Moleculele de apă legate sunt strâns legate de proteine ​​și formează cochilii de apă în jurul lor, izolând proteinele unele de altele. Polaritatea moleculelor de apă, capacitatea de a forma legături de hidrogen explică capacitatea ridicată de căldură specifică. Ca rezultat, fluctuațiile bruște ale temperaturii sunt prevenite în sistemele vii, iar căldura este distribuită și eliberată în celulă. Datorită apei legate, celula este capabilă să reziste la temperaturi scăzute. Conținutul său în celulă este de aproximativ 5%, iar 95% este apă liberă. Acesta din urmă dizolvă multe substanțe implicate în celulă în schimb.
În celulele foarte active, cum ar fi țesutul cerebral, apa reprezintă aproximativ 85%, iar în mușchi, mai mult de 70%; în celulele mai puțin active, cum ar fi țesutul adipos, apa reprezintă aproximativ 40% din masa sa. În organismele vii, apa nu numai că dizolvă multe substanțe; cu participarea sa, au loc reacții de hidroliză - scindarea compușilor organici în substanțe intermediare și finale.

Substanţă

Intrarea în celulă

Locație și conversie

Proprietăți

În plante - din mediul înconjurător; la animale se formează direct în celulă în timpul
carbohidrați și provine din mediu

În citoplasmă, vacuole, matrice de organele, seva nucleară, peretele celular, spațiile intercelulare. Intră în reacții de sinteză, hidroliză și oxidare

Solvent. Sursă de oxigen, regulator osmotic, mediu pentru procese fiziologice și biochimice,
component chimic, termoregulator

Este de remarcat faptul că diverse substanțe organice, atunci când sunt oxidate, formează cantități diferite de apă. Cu cât molecula de materie organică este mai bogată în hidrogen, cu atât se formează mai multă apă în timpul oxidării acesteia. Când se oxidează 100 g de grăsime, se formează 107 ml apă, 100 g carbohidrați - 55 ml apă, 100 g proteine ​​- 41 ml apă.

Necesarul zilnic de apă al corpului uman este de aproximativ 40 g de apă la 1 kg de greutate corporală. La sugari, necesarul de apă la 1 kg de greutate este de trei până la patru ori mai mare decât la adulți.

Apa din organismele ființelor vii nu numai că îndeplinește o funcție de transport, ci este folosită și în procesele metabolice. Încorporarea apei în substanțe organice pe scară largă are loc în plantele verzi, în care carbohidrații, proteinele, lipidele și alte substanțe organice sunt sintetizate din apă, dioxid de carbon și substanțe minerale azotate folosind energia solară.

Fluxul de apă în corp este reglat de senzația de sete. Deja la primele semne de îngroșare a sângelui, ca urmare a excitației reflexe a anumitor părți ale cortexului cerebral, apare setea - dorința de a bea. Atunci când se consumă chiar și o cantitate mare de apă la un moment dat, sângele nu este îmbogățit imediat cu apă, nu se lichefiază. Acest lucru se explică prin faptul că apa din sânge pătrunde rapid în spațiile intercelulare și crește cantitatea de apă intercelulară. Apa absorbită în sânge și parțial în limfa din intestine intră în piele în mare măsură și persistă acolo de ceva timp. Ficatul reține și o anumită cantitate de apă care a intrat în organism.

Apa este excretată din organism, în principal prin rinichi, cu urină, în cantitate mică este excretată de pereții intestinali, apoi de glandele sudoripare (prin piele) și plămânii cu aer expirat. Cantitatea de apă excretată din organism nu este constantă. Cu transpirație puternică, 5 sau mai mulți litri de apă pe zi pot fi excretați din organism cu transpirație. În acest caz, cantitatea de apă excretată de rinichi scade, urina se îngroașă. Reduce debitul de urină atunci când băutul este restricționat. Cu toate acestea, îngroșarea urinei este posibilă până la o anumită limită, iar cu o restricție suplimentară a băuturii, excreția produșilor finali ai metabolismului azotului și a mineralelor din organism este întârziată, ceea ce afectează negativ activitatea vitală a organismului. Odată cu aportul abundent de apă în organism, producția de urină crește.

Apa în natură. Apa este o substanță foarte comună pe Pământ. Aproape 3 4 suprafețe ale globului sunt acoperite cu apă, formând oceane, mări, râuri și lacuri. Multă apă este în stare gazoasă ca vapori în atmosferă; sub formă de mase uriașe de zăpadă și gheață, se întinde tot timpul anului pe vârfurile munților înalți și în țările polare. În măruntaiele pământului există și apă care îmbibă pământul și stâncile.

Apa are o mare importanță în viața plantelor, animalelor și oamenilor. Potrivit ideilor moderne, însăși originea vieții este asociată cu marea. În orice organism, apa este un mediu în care au loc procese chimice care asigură activitatea vitală a organismului; în plus, ea însăși participă la o serie de reacții biochimice.

Apa pură este un lichid transparent incolor. Densitatea apei la tranziție a ei de la starea solidă la starea lichidă nu scade, la fel ca aproape toate celelalte substanțe, ci crește. Când apa este încălzită de la 0 inainte de 4 Odată cu creșterea densității sale. La 4 C, apa are o densitate maximă și numai cu o încălzire suplimentară densitatea ei scade.

De mare importanță în viața naturii este faptul că apa. are o capacitate termică anormal de mare, Prin urmare, noaptea, precum și în timpul trecerii de la vară la iarnă, apa se răcește lent, iar ziua sau în timpul trecerii de la iarnă la vară se încălzește și ea lent, fiind astfel temperatura regulator de pe glob.

Molecula de apă are o structură unghiulară; nucleele incluse în compoziția sa formează un triunghi isoscel, la baza căruia se află doi protoni, iar în partea de sus - nucleul atomului de oxigen, Distanțele internucleare O- sunt apropiate de 0,1. nm, distanța dintre nucleele atomilor de hidrogen este de aproximativ 0,15 nm. Și cei opt electroni care formează stratul exterior de electroni al atomului de acid lorodaîntr-o moleculă de apă

Apa este o substanță foarte reactivă. Oxizii multor metale și nemetale se combină cu apa pentru a forma baze și acizi; unele săruri formează hidrați cristalini cu apa; cele mai active metale interacționează cu apa cu eliberarea de hidrogen.

Apa are, de asemenea, o capacitate catalitică. În absența urmelor de umiditate, unele dintre reacțiile obișnuite apar cu greu; de exemplu, clorul nu interacționează cu metalele, fluorura de hidrogen nu corodează sticla și sodiul nu se oxidează în aer.

Apa este capabilă să se combine cu o serie de substanțe care se află în condiții normale în stare gazoasă, formând astfel așa-numiții hidrați de gaz. Exemple sunt compușii Xe 6H O, CI 8HO, CH 6H O, CH 17H O, care precipită sub formă de cristale la temperaturi de la 0 la 24 ° C (de obicei la presiune ridicată a gazului corespunzător). Astfel de compuși apar ca urmare a umplerii cu molecule de gaz ("oaspete") cavități intermoleculare prezente în structura apei ("gazdă"); se numesc compuşi de incluziune sau clatraţi.

Nucleozide purinice:

Nucleozide de pirimidină:

ENZIME, substanțe organice de natură proteică, care sunt sintetizate în celule și de multe ori accelerează reacțiile care au loc în acestea, fără a suferi transformări chimice. Substanțele care au un efect similar există în natura neînsuflețită și sunt numite catalizatori. Enzimele (din latină fermentum - fermentație, drojdie) sunt uneori numite enzime (din greacă en - interior, zyme - drojdie). Toate celulele vii conțin un set foarte mare de enzime, de a căror activitate catalitică depinde funcționarea celulelor. Aproape fiecare dintre numeroasele reacții diferite care apar în celulă necesită participarea unei enzime specifice. Studiul proprietăților chimice ale enzimelor și reacțiile pe care le catalizează este un domeniu special, foarte important al biochimiei - enzimologie.

Multe enzime se află în celulă în stare liberă, fiind pur și simplu dizolvate în citoplasmă; altele sunt asociate cu structuri complexe foarte organizate. Există, de asemenea, enzime care sunt în mod normal în afara celulei; astfel, enzimele care catalizează descompunerea amidonului și proteinelor sunt secretate de pancreas în intestine. Secretă enzime și multe microorganisme.

Primele date despre enzime au fost obținute prin studierea proceselor de fermentație și digestie. L. Pasteur a adus o mare contribuție la studiul fermentației, dar el credea că numai celulele vii pot efectua reacțiile corespunzătoare. La începutul secolului al XX-lea E. Buchner a arătat că fermentarea zaharozei cu formarea de dioxid de carbon și alcool etilic poate fi catalizată de un extract de drojdie fără celule. Această descoperire importantă a stimulat izolarea și studiul enzimelor celulare. În 1926, J. Sumner de la Universitatea Cornell (SUA) a izolat ureaza; a fost prima enzimă obţinută în formă practic pură. De atunci, au fost descoperite și izolate peste 700 de enzime, dar multe altele există în organismele vii. Identificarea, izolarea și studiul proprietăților enzimelor individuale ocupă un loc central în enzimologia modernă.

Enzimele implicate în procesele fundamentale de conversie a energiei, cum ar fi descompunerea zaharurilor, formarea și hidroliza compusului de înaltă energie adenozin trifosfat (ATP), sunt prezente în toate tipurile de celule - animale, vegetale, bacteriene. Cu toate acestea, există enzime care sunt produse numai în țesuturile anumitor organisme. Astfel, enzimele implicate în sinteza celulozei se găsesc în celulele vegetale, dar nu și în celulele animale. Astfel, este important să se facă distincția între enzimele „universale” și enzimele specifice anumitor tipuri de celule. În general, cu cât o celulă este mai specializată, cu atât este mai probabil să sintetizeze setul de enzime necesare pentru a îndeplini o anumită funcție celulară.

Enzimele sunt ca proteinele. Toate enzimele sunt proteine, simple sau complexe (adică care conțin, împreună cu componenta proteică, o parte neproteică). Vezi și PROTEINE.

Enzimele sunt molecule mari, greutățile lor moleculare variază de la 10.000 la peste 1.000.000 de daltoni (Da). Pentru comparație, să zicem. mase de substanțe cunoscute: glucoză - 180, dioxid de carbon - 44, aminoacizi - de la 75 la 204 Da. Enzimele care catalizează aceleași reacții chimice, dar izolate din celule de diferite tipuri, diferă în proprietăți și compoziție, dar au de obicei o anumită similitudine structurală.

Caracteristicile structurale ale enzimelor necesare funcționării lor se pierd ușor. Deci, atunci când este încălzit, lanțul proteic este rearanjat, însoțit de o pierdere a activității catalitice. Proprietățile alcaline sau acide ale soluției sunt de asemenea importante. Majoritatea enzimelor funcționează cel mai bine în soluții cu un pH apropiat de 7, când concentrația de ioni H+ și OH- este aproximativ aceeași. Acest lucru se datorează faptului că structura moleculelor de proteine ​​și, în consecință, activitatea enzimelor depind puternic de concentrația ionilor de hidrogen din mediu.

Nu toate proteinele prezente în organismele vii sunt enzime. Astfel, proteinele structurale, multe proteine ​​specifice din sânge, hormonii proteici etc. îndeplinesc o funcție diferită.

coenzime și substraturi. Multe enzime cu greutate moleculară mare prezintă activitate catalitică numai în prezența unor substanțe specifice cu greutate moleculară mică numite coenzime (sau cofactori). Rolul coenzimelor este jucat de majoritatea vitaminelor și de multe minerale; de aceea trebuie ingerate cu alimente. Vitaminele PP (acid nicotinic sau niacina) și riboflavina, de exemplu, fac parte din coenzimele necesare funcționării dehidrogenazelor. Zincul este o coenzimă a anhidrazei carbonice, o enzimă care catalizează eliberarea de dioxid de carbon din sânge, care este îndepărtat din organism împreună cu aerul expirat. Fierul și cuprul sunt componente ale enzimei respiratorii citocrom oxidaza.

O substanță care suferă transformare în prezența unei enzime se numește substrat. Substratul se alătură enzimei, care accelerează ruperea unor legături chimice din molecula sa și crearea altora; produsul rezultat este desprins de enzimă. Acest proces este prezentat astfel:

Mecanismul de acțiune al enzimelor. Viteza reacției enzimatice depinde de concentrația substratului [S] și de cantitatea de enzimă prezentă. Aceste valori determină câte molecule ale enzimei vor fi conectate la substrat, iar viteza reacției catalizate de această enzimă depinde de conținutul complexului enzimă-substrat. În majoritatea situațiilor de interes pentru biochimiști, concentrația de enzime este foarte scăzută, iar substratul este prezent în exces. În plus, biochimiștii studiază procese care au atins o stare de echilibru, în care formarea unui complex enzimă-substrat este echilibrată prin transformarea sa într-un produs.

Elucidarea mecanismelor de acțiune a enzimelor în toate detaliile este o chestiune de viitor, cu toate acestea, unele dintre caracteristicile lor importante au fost deja stabilite. Fiecare enzimă are unul sau mai multe situsuri active de care se leagă substratul. Aceste centre sunt foarte specifice; „recunoaște” doar substratul „lor” sau compuși strâns înrudiți. Centrul activ este format din grupe chimice speciale din molecula de enzimă, orientate unul față de celălalt într-un anumit mod. Pierderea activității enzimatice care apare atât de ușor este asociată tocmai cu o schimbare a orientării reciproce a acestor grupuri. Molecula de substrat asociată cu enzima suferă modificări, în urma cărora unele legături chimice sunt rupte și se formează alte legături chimice. Pentru ca acest proces să aibă loc, este nevoie de energie; rolul enzimei este de a scădea bariera energetică pe care substratul trebuie să o depășească pentru a fi transformat într-un produs. Cum se realizează exact această reducere nu a fost pe deplin stabilit.

Reacții enzimatice și energie. Eliberarea de energie în timpul metabolismului nutrienților, cum ar fi oxidarea zahărului cu șase atomi de carbon pentru a forma dioxid de carbon și apă, are loc ca rezultat al reacțiilor enzimatice coordonate succesive. În celulele animale, 10 enzime diferite sunt implicate în conversia glucozei în acid piruvic (piruvat) sau acid lactic (lactat). Acest proces se numește glicoliză. Prima reacție, fosforilarea glucozei, necesită participarea ATP. Conversia fiecărei molecule de glucoză în două molecule de acid piruvic consumă două molecule de ATP, dar în același timp se formează 4 molecule de ATP din adenozin difosfat (ADP) în stadii intermediare, astfel încât întregul proces dă 2 molecule de ATP.

În plus, acidul piruvic este oxidat la dioxid de carbon și apă cu participarea enzimelor asociate cu mitocondriile. Aceste transformări formează un ciclu numit ciclul acidului tricarboxilic sau ciclul acidului citric. Vezi și METABOLISM.

Oxidarea unei substanțe este întotdeauna asociată cu reducerea alteia: prima renunță la un atom de hidrogen, iar a doua îl adaugă. Aceste procese sunt catalizate de dehidrogenaze, care asigură transferul atomilor de hidrogen de la substraturi la coenzime. În ciclul acidului tricarboxilic, unele dehidrogenaze specifice oxidează substraturile pentru a forma forma redusă a coenzimei (nicotinamidă dinucleotidă, denumită NAD), în timp ce altele oxidează coenzima redusă (NADH), restabilind alte enzime respiratorii, inclusiv citocromi (hemoproteine ​​care conțin fier) , în care atomul de fier s-a oxidat alternativ, apoi s-a redus. În cele din urmă, forma redusă de citocrom oxidază, una dintre principalele enzime care conțin fier, este oxidată de oxigenul care intră în corpul nostru cu aerul inhalat. Când zahărul este ars (oxidat de oxigenul atmosferic), atomii săi de carbon interacționează direct cu oxigenul, formând dioxid de carbon. Spre deosebire de ardere, atunci când zahărul este oxidat în organism, oxigenul oxidează propriul fier al citocrom oxidazei, dar potențialul său oxidativ este utilizat în cele din urmă pentru a oxida complet zaharurile într-un proces în mai multe etape, mediat de enzime.

În stadiile individuale de oxidare, energia conținută în nutrienți este eliberată în principal în porțiuni mici și poate fi stocată în legăturile fosfatice ale ATP. Aceasta implică enzime minunate care cuplează reacțiile oxidative (producătoare de energie) cu reacțiile de formare a ATP (stocare de energie). Acest proces de cuplare este cunoscut sub numele de fosforilare oxidativă. Dacă nu ar exista reacții enzimatice cuplate, viața în formele cunoscute nouă ar fi imposibilă.

Enzimele îndeplinesc și multe alte funcții. Ele catalizează o varietate de reacții de sinteză, inclusiv formarea de proteine ​​tisulare, grăsimi și carbohidrați. Sisteme enzimatice întregi sunt folosite pentru a sintetiza o gamă largă de compuși chimici găsiți în organisme complexe. Aceasta necesită energie și, în toate cazurile, provine din compuși fosforilați precum ATP.

Enzime și digestie. Enzimele sunt participanți esențiali în procesul de digestie. Doar compușii cu greutate moleculară mică pot trece prin peretele intestinal și pot intra în sânge, astfel încât componentele alimentare trebuie mai întâi descompuse în molecule mici. Acest lucru are loc în timpul hidrolizei enzimatice (descompunerea) proteinelor în aminoacizi, amidonului în zaharuri, grăsimilor în acizi grași și glicerol. Hidroliza proteinelor este catalizată de enzima pepsină conținută în stomac. O serie de enzime digestive extrem de eficiente sunt secretate în intestine de pancreas. Acestea sunt tripsina și chimotripsina, care hidrolizează proteinele; lipaza, care descompune grăsimile; amilaza catalizează descompunerea amidonului. Pepsina, tripsina și chimotripsina sunt secretate într-o formă inactivă, sub forma așa-numitelor. zimogene (proenzime) și devin active numai în stomac și intestine. Aceasta explică de ce aceste enzime nu distrug celulele pancreasului și stomacului. Pereții stomacului și intestinelor sunt protejați de enzimele digestive și de un strat de mucus. Mai multe enzime digestive importante sunt secretate de celulele din intestinul subțire.

Cea mai mare parte a energiei stocate în alimentele vegetale, cum ar fi iarba sau fânul, este stocată în celuloză, care este descompusă de enzima celulază. În organismul ierbivorelor, această enzimă nu este sintetizată, iar rumegătoarele, precum bovinele și oile, pot mânca alimente care conțin celuloză doar pentru că celulaza este produsă de microorganismele care locuiesc în prima secțiune a stomacului - rumenul. De asemenea, termitele digeră alimentele cu ajutorul microorganismelor.

Enzimele sunt utilizate în industria alimentară, farmaceutică, chimică și textilă. Un exemplu este o enzimă vegetală derivată din papaya și folosită pentru a fragezi carnea. La pulberile de spălat se adaugă enzime.

Enzime în medicină și agricultură. Conștientizarea rolului cheie al enzimelor în toate procesele celulare a condus la utilizarea lor pe scară largă în medicină și agricultură. Funcționarea normală a oricărui organism vegetal și animal depinde de funcționarea eficientă a enzimelor. Acțiunea multor substanțe toxice (otrăvuri) se bazează pe capacitatea lor de a inhiba enzimele; un număr de medicamente au același efect. Adesea, efectul unui medicament sau al unei substanțe toxice poate fi urmărit prin efectul său selectiv asupra activității unei anumite enzime în organism ca întreg sau într-un anumit țesut. De exemplu, insecticidele organofosforice puternice și agenții nervoși dezvoltați în scopuri militare au efectul lor dăunător prin blocarea activității enzimelor - în primul rând colinesterazei, care joacă un rol important în transmiterea impulsurilor nervoase.

Pentru a înțelege mai bine mecanismul de acțiune al medicamentelor asupra sistemelor enzimatice, este util să luăm în considerare modul în care funcționează unii inhibitori de enzime. Mulți inhibitori se leagă de locul activ al enzimei, cel cu care interacționează substratul. La astfel de inhibitori, cele mai importante caracteristici structurale sunt apropiate de caracteristicile structurale ale substratului, iar dacă atât substratul, cât și inhibitorul sunt prezenți în mediul de reacție, ele concurează pentru legarea la enzimă; cu cât concentrația substratului este mai mare, cu atât concurează mai cu succes cu inhibitorul. Inhibitorii de alt tip induc modificări conformaționale în molecula enzimei, care implică grupuri chimice importante din punct de vedere funcțional. Studiul mecanismului de acțiune al inhibitorilor ajută chimiștii să creeze noi medicamente.

Glicoliza.

Glicoliza este prima, și în condiții anaerobe, principala etapă pe calea „utilizarii glucozei și a altor carbohidrați pentru a satisface nevoile de bioenergie ale organismelor vii. În plus, în etapele intermediare ale glicolizei, se formează fragmente cu trei atomi de carbon, care sunt utilizate pentru biosinteza unui număr de substanțe.

Etapa centrală a glicolizei este degradarea oxidativă a glucozei în două molecule de piruvat, o sare a acidului piruvic, folosind două molecule de NAD ca agent de oxidare. Ecuația stereometrică a procesului se scrie astfel:

1. Conversia glucozei în glucoză-6-fosfat catalizată de hexokinază:

2. Izomerizarea glucozo-6-fosfatului la fructoză-6-fosfat catalizată de glucozo-6-fosfat izomeraza:

3. Fosforilarea fructozei-b-fosfat în fructoză-1,6-difosfat, catalizată de 6-fosfofructognază:

4. Descompunerea fructozei-1,6-dpfosfatului în glcsraldegpd-3-fosfat și dihidroxiacetonă fosfat catalizat de fructoză și fosfat de aldolază:

5. Izomerizarea fosfatului de dihidroxiacetonă la gliceraldehidă-3-fosfat catalizată de izomeraza trioză fosfat:

Dacă etapele ulterioare sunt calea predominantă de conversie a glucozei, atunci această reacție prevede încetarea treptată a fosfatului de dihidroxacetonă în gliceraldehidă-3-fosfat.

6. Oxidarea gliceraldehid-3-fosfatului la 1,3-difosfatglicerat catalizat de gliceraldehida-3-fosfat dehidrogenaza:

Procesul are loc prin formarea intermediară a unui triester între gruparea aldehidă oxidabilă și gruparea Sll a reziduului Znsteppa, care merge la centrul activ al enzimei. Această legătură este apoi supusă fosforolizei cu fosfat anorganic, cu regenerarea locului activ și formarea unei anhidride mixte de acid 3-fosfogliceric și acid fosforic:

7. Transferul fosfatului de la 1,3-dpfosfoglicerat la ADP cu formarea unei molecule de ATP, catalizată de fosfoglicerat kinaza (denumirea este dată în conformitate cu reacția inversă):

8. Izomerizarea 3-fosfogliceratului la 2-fosfoglicerat catalizat de fosfoglicerat mutaza:

9. Deshidratarea 2-fosfogliceratului, catalizată de euolaza p, ducând la formarea unui macroerg puternic - fosfoeiolprovat:

10. Transferul fosfatului din fosfoenol piruvat la ADP cu formarea unei alte molecule de ATP, catalizată de piruoat kinaza (denumirea este dată în conformitate cu reacția inversă):

Înainte de a rezuma aceste ecuații, trebuie acordată atenție faptului că în primele etape ale glicolizei, două legături macroergice din moleculele A-GP sunt consumate pentru a transforma glucoza în glucoză-6-fosfat și fructoza-6-fosfat în fructoză- 1,6-difosfat În etapele ulterioare, pentru o moleculă inițială de glucoză, două molecule de ADP sunt fosforilate în reacție și două în reacție. Astfel, rezultatul este conversia a două molecule de ADP și două molecule de ortofosfat în două molecule de ATP. Ținând cont de acest lucru, ecuația generală ar trebui scrisă astfel:

Dacă numărăm din glucoză-6-fosfat, atunci ecuația va lua forma:

Schema de glicoliză (conversia glucozei în două molecule de piruvat)

proteine ​​native și denaturate.

Proteinele și acizii nucleici din organismele vii se formează prin extinderea succesivă a lanțului polimeric prin unități monomerice, a căror ordine de atașare este determinată de acizii nucleici care programează biosinteza. Cu toate acestea, acesta din urmă singur determină doar structura primară a biopolimerului creat. Pentru ca un biopolimer să adopte structura nativă necesară funcționării sale, este necesar ca acesta din urmă să fie programat de structura primară a proteinei.

Nativitatea proteinei este determinată de structura trițiară. O proteină nativă este o proteină capabilă să îndeplinească toate funcțiile biologice. Structura tritică este ușor distrusă din cauza modificărilor pH-ului mediului, modificărilor de temperatură, sărurilor metalelor grele etc. Proteina își pierde proprietățile pe măsură ce temperatura crește și vine inevitabil un moment în care structura nativă devine instabilă termodinamic. Distrugerea acestuia duce la faptul că lanțul polipeptidic își pierde confirmarea ordonată și se transformă într-un polimer cu o structură spațială în continuă schimbare. În chimia compușilor macromoleculari, astfel de formațiuni sunt numite bobină statistică. În biochimie, transformarea unei proteine ​​native într-o bobină aleatorie se numește denaturare a proteinei.

Proteina denaturată este lipsită de orice activitate biologică, iar în sistemele biologice poate fi folosită în principal doar ca sursă de aminoacizi, adică. ca produs alimentar.

Transformarea inversă a unei proteine ​​denaturate într-una nativă este posibilă numai atunci când structura nativă este programată în structura primară.

vitaminegrupuriD.

Sunt cunoscute aproximativ zece vitamine D, care diferă ușor ca structură. Toți aparțin grupului de steroizi - compuși organici complecși cu inele condensate. Toate vitaminele D sunt implicate în gestionarea depunerilor de calciu și fosfor în oasele umane în creștere. În absența vitaminei D, acest proces este întrerupt, determinând oasele să devină moi și deformate. Acest fenomen se numește rahitism și este caracteristic doar copilăriei.

Vitamina D se găsește în unele alimente, dar în cantități insuficiente pentru creșterea umană. Organismul compensează cantitatea lipsă de vitamine D datorită prezenței în organism a 7-dehidrocolesterolului - un compus din grupul steroizilor, similar ca structură cu vitaminele D. 7-dehidrocolesterolul conținut direct sub pielea unui persoana se transforma in vitamina D3 sub actiunea razelor solare:

Vitamina D (calciferol) este foarte asemănătoare ca structură cu vitamina D3 și se formează din alcool steroidic – ergosterol, conținut în drojdie, mucegai etc., tot sub influența iradierii.

Formula structurală a peptidei este valil-izoleucil-metionil-argenina.

Bibliografie

1. D.E., Tehnica si productie. M., 1972

2. Hhomcenko G.P. , Chimie pentru candidații la universitate. M., 1995

3. Prokofiev M.A., Dicționar enciclopedic al unui tânăr chimist. M., 1982

4. Glinka N.L., Chimie generală. Leningrad, 1984

5. N. S. Akhmetov, Chimie anorganică. Moscova, 1992