Карагандинская государственная медицинская академия

Кафедра биохимии

Лекция «Введение  Строение и функции белков»
Дисциплина Биологическая химия

Специальность 051301 - Общая медицина

Курс II

Время (продолжительность) 50 минут

 
Караганда 2008г.
Утверждена на методическом совещании кафедры

«______»________________2008,  Протокол №_____

Зав.кафедрой, профессор                 ______________  Л.Е. Муравлева
Тема: Введение. Строение и функции белков.

Цель: ознакомить студентов с особенностями структурной организации и физико-химическими свойствами белков

План лекции:

1.Представление о белках как важнейшем классе органических веществ и структурно-функциональном компоненте организма человека.

2.Первичная, вторичная и третичная  структура белков. Понятие об активном центре белков.

3.Общая характеристика олигомерных белков.

4.Физико-химические свойства белков. Денатурация белков. Факторы, вызывающие денатурацию белков. Понятие о шаперонах. Медицинское значение

1.Представление о белках как важнейшем классе органических веществ и структурно-функциональном компоненте организма человека.



БЕЛКИ или ПРОТЕИНЫ - это высокомолекулярные азотсодержащие органические вещества, линейные гетерополимеры, структурным компонентом которых являются аминокислоты, связанные пептидными связями.

                В природе встречаются десятки тысяч различных белков. И все они отличаются друг от друга по пяти основным признаком.

Основные различия в строении белковых молекул

1.        По количеству аминокислот

2.        По соотношению количества различных аминокислот. Например, в белке соединительной ткани коллагене 33% от общего количества аминокислот составляет глицин, а в молекуле белкового гормона инсулина, вырабатываемого в поджелудочной железе, содержание глицина гораздо меньше – всего 8%.

3.        Различная последовательность чередования аминокислот. Это означает, что даже при одинаковом соотношении разных аминокислот в каких-нибудь двух белках порядок их расположения этих аминокислот различен, то это будут разные белки.

4.        Количество полипептидных цепей в различных белках может варьировать от 1 до 12, но если больше единицы, то обычно четное (2, 4, 6 и т.п.)

5.        По наличию небелкового компонента, который называется «ПРОСТЕТИЧЕСКАЯ ГРУППА». Если ее нет, то это – простой белок, если есть – сложный белок

2.Первичная, вторичная и третичная  структура белков. Понятие об активном центре белков

                Формируется за  счет  COOH-группы  одной  аминокислоты и NH₂-группы соседней аминокислоты. В названии пептида окончания названий всех аминокислот, кроме последней, находящейся на «С»-конце молекулы меняются на «ил». Например, тетрапептид: валил-аспарагил-лизил-серин

                ПЕПТИДНАЯ СВЯЗЬ формируется ТОЛЬКО ЗА СЧЕТ АЛЬФА-АМИНОГРУППЫ И СОСЕДНЕЙ  COOH-ГРУППЫ ОБЩЕГО ДЛЯ ВСЕХ АМИНОКИСЛОТ ФРАГМЕНТА МОЛЕКУЛЫ. Если  карбоксильные и аминогруппы входят в состав радикала, то они никогда не участвуют в формировании пептидной связи в молекуле белка.  Аминокислоты, соединенные пептидной связью в полипептидную цепь, называются первичной структурой белка.

Архитектуры белков сложны и разнообразны. Однако и в белках прослеживается набор "стандартных" структур. Прежде всего здесь речь идет о регулярных вторичных структурах белка: об a-спирали и b-структуре; a-спирали часто изображаются спиральными лентами ( Рис.1) или цилиндрами, а вытянутые b-структурные участки (слипаясь, они образуют листы) стрелками ( Рис.1). Беспорядочный клубок - это участки, не имеющие правильной, периодической пространственной организации.



Слайд - рисунок. 1. Регулярные вторичные структуры белков

a -спираль - образуется внутрицепочечными водородными связями между NH-группой одного остатка аминокислоты и CO-группой четвертого от нее остатка; b -структура (складчатый лист) - образуется межцепочечными водородными связями или связями между участками одной полипептидной цепи изогнутой в обратном направлении; Но конформация этих участков также строго обусловлена аминокислотной последовательностью.

Содержание a -спиралей и b -структур в разных белках различно: у фибриллярных белков - только a -спираль или только b -складчатый лист; а у глобулярных белков - отдельные фрагменты полипептидной цепи: либо a -спираль, либо b -складчатый лист, либо беспорядочный клубок. В одном и том же белке могут присутствовать все три способа укладки полипептидной цепи.

Третичная структура глобулярных белков представляет ориентацию в пространстве полипептидной цепи, содержащей a -спирали, b -структуры и участки без периодической структуры (беспорядочный клубок). Дополнительное складывание скрученной полипептидной цепи образует компактную структуру. Это происходит, прежде всего, в результате взаимодействия между боковыми цепями аминокислотных остатков. Существует несколько видов взаимодействия между R-группами, в основном нековалентного характера (рис.2):

Связи, стабилизирующие третичную структуру:

1.                    электростатические силы притяжения между R-группами, несущими противоположно заряженные ионогенные группы (ионные связи);

2.                    водородные связи между полярными (гидрофильными) R-группами;

3.                    гидрофобные взаимодействия между неполярными (гидрофобными) R-группами;

4.                    дисульфидные связи между радикалами двух молекул цистеина. Эти связи ковалентные. Они повышают стабильность третичной структуры, но не всегда являются обязательными для правильного скручивания молекулы. В ряде белков они могут вообще отсутствовать.

Слайд-рисунок 2. Типы связей, возникающие между радикалами аминокислот при формировании третичной структуры белка. 1 — ионная связь; 2 — водородная связь; 3 — гидрофобные взаимодействия; 4 — дисульфидная связь.

Гидрофобные радикалы аминокислот имеют тенденцию к объединению внутри глобулярной структуры белков, образуя плотное гидро­фобное ядро. Гидрофильные ионизированные и неионизированные радикалы аминокислот в основном расположены на поверхности белка и оп­ределяют его растворимость в воде.

Конформационная лабильность белков — это спо­собность белков к небольшим изменениям кон-формации за счет разрыва одних и образования других слабых связей.

На поверхности глобулы образуется участок, который может присоединять к себе другие молекулы, называемые лигандами. Например, лиганд белка-фермента – субстрат; лиганд транспортного белка – транспортируемое вещество;  лиганд антитела (иммуноглобулина) – антиген; лиганд рецептора гормона или нейромедиатора – гормон или нейромедиатор.

Центр связывания с лигандом, или активный центр, формируется из радикалов аминокислотных остатков, сближенных на уровне третичной структуры. В линейной пептидной цепи они могут находиться на расстоянии, значительно удаленном друг от друга. 

Белки проявляют высокую специфичность (избирательность) при взаимодействии с лигандом. Высокая специфичность взаимодействия белка с лигандом обеспечивается комплементарностью структуры активного центра структуре лиганда.

Комплементарность — это пространственное и химическое соответствие взаимодействующих поверхностей.

Длинные полипептидные цепи часто склады­ваются в несколько компактных, относительно не­зависимых областей. Они имеют самостоятельную третичную структуру, напоминающую таковую глобулярных белков, и называются доменами.

Благодаря доменной структуре белков легче фор­мируется их трехмерная структура. Центры связывания белка с лигандом часто рас­полагаются между доменами. Разные домены в белке могут перемещаться отно­сительно друг друга при взаимодействии с лигандом. В некоторых белках домены выполняют самостоятельные функции, связываясь с различными лигандами. Такие белки называются многофункциональными.

3.Общая характеристика олигомерных белков.


Многие белки имеют в своем составе несколь­ко полипептидных цепей. Такие белки называют олигомерными. а отдельные цепи — протомерами. Протомеры в олигомерном белке соединены мно­жеством слабых, нековалентных связей (гидрофобных, ионных, водородных). Взаимодействие протомеров осуществляется благодаря комплементарности их контактирующих поверхностей. Количество протомеров в белках может сильно варьировать: гемоглобин содержит 4 протомера, фермент аспартаттранскарбамоилаза — 12 протомеров, в белок вируса табачной мозаики входит 2120 протоме­ров, соединенных нековалентными связями. Следо­вательно, белки с четвертичной структурой могут иметь очень большую молекулярную массу. Каждый протомер служит лигандом для других протомеров.

Слайд-рисунок 3. Уровни организации белков

Количество и порядок соединения протомеров в белке называется четвертичной структурой.

Олигомерные белки могут содержать разное количество протомеров (например, димеры, тетрамеры, гексамеры и т. д.). В состав олигомерных белков могут входить одинаковые или разные протомеры, например гомодимеры — белки содержащие 2 одинаковых протомера, гетеродимеры — белки, содержащие 2 раз­ных протомера.  Различные по структуре протомеры могут свя­зывать разные лиганды. 

Взаимодействие одного протомера со специ­фическим лигандом вызывает конформационные изменения всего олигомерного белка и изменяет сродство других протомеров к лигандам. Это явление носит название кооперативных изменений конформации протомеров. У олигомерных белков появляется новое по сравнению с одноцепочечными белками свойст­во — способность к аллостерической регуляции их функций.

4.Физико-химические свойства белков. Денатурация белков. Факторы, вызывающие денатурацию белков. Понятие о шаперонах. Медицинское значение

Индивидуальные белки различаются по физико-химическим свойствам: 1) форме молекул; 2) молекулярной массе; 3) суммарному заряду, величина которого зависит от соотношения анионных и катионных групп аминокислот; 4) соотношению полярных и неполярных радика­лов аминокислот на поверхности молекул; 5) степени устойчивости к воздействию различных денатурирующих агентов. Растворимость белков зависит: от перечисленных выше свойств белков; от состава среды, в которой растворяется белок (величины рН, солевого состава, температуры, на­личия других органических веществ, способных взаимодействовать с белком). Величина заряда белков — один из факторов, уве­личивающий их растворимость. При потере заряда в изоэлектрической точке белки легче агрегируют и выпадают в осадок. Это особенно характерно для де­натурированных белков, у которых на поверхности появляются гидрофобные радикалы аминокислот.

На поверхности белковой молекулы имеются как положительно, так и отрицательно заряженные ра­дикалы аминокислот. Количество этих групп, а следовательно, и сум­марный заряд белков зависят от рН среды. Значение рН, при котором белок имеет суммарный нулевой заряд, называется изоэлектрической точ­кой (ИЭТ). В ИЭТ количество положительно и отрицатель­но заряженных групп одинаково, т.е. белок нахо­дится в изоэлектрическом состоянии.

Денатурация белков — это разрушение их нативной конформации, вызванное разрывом слабых связей, ста­билизирующих пространственные структуры, при дей­ствии денатурирующих агентов.

                Факторы, которые вызывают денатурацию белков, можно разделить на   физические и химические.

Физические факторы

                1. Высокие температуры. Для разных белков характерна различная чувствительность к тепловому воздействию. Часть белков подвергается денатурации уже при 40-50⁰С. Такие белки называют термолабильными. Другие белки денатурируют при гораздо более высоких температурах, они являются термостабильными.

                2. Ультрафиолетовое облучение

                3. Рентгеновское и радиоактивное облучение

                4. Ультразвук

                5. Механическое воздействие (например, вибрация).

5.Денатурация белков. Факторы, вызывающие денатурацию белков. Ренативация белка.

Химические факторы

                1. Концентрированные кислоты и щелочи. Например, трихлоруксусная кислота (органическая), азотная кислота (неорганическая).

                2. Соли тяжелых металлов (например, CuSO₄).

                3. Органические растворители (этиловый спирт, ацетон)

                4. Растительные алкалоиды.

                5. Мочевина в высоких концентрациях

Денатурация сопро­вождается потерей биологической активности белка.

1. Уникальная трехмерная структура каждого белка разрушается, и все молекулы одного белка приобретают случайную конформацию, т.е. отлич­ную от других таких же молекул.

2. Радикалы аминокислот, формирующие ак­тивный центр белка, оказываются пространст­венно удаленными друг от друга, т.е. разруша­ется специфический центр связывания белка с лигандом.

3. Гидрофобные радикалы, обычно находящиеся в гидрофобном ядре глобулярных белков, при де­натурации оказываются на поверхности молекулы, тем самым создаются условия для агрегации бел­ков. Агрегаты белков выпадают в осадок. При денатурации белков не происходит разру­шения их первичной структуры. Удаление денатурирующих агентов диализом приводит к восстановлению конформации и функ­ции белка, т.е. к ренативации (ренатурации).

В клетке обнаружены семейства белков – шаперонов. Шапероны принадлежат к трем белковым семействам, так называемым белкам теплового шока (hsp60, hsp70, hsp90). Свое название эти белки получили потому, что и к синтез возрастает при повышении температуры и других формах стресса. При этом они выполняют функцию защиты белков клетки от денатурации. Белки — представители семейства hsp70 — связываются на начальной фазе образования растущего пептида. Одни из них контролируют процесс сворачивания белка в цитоплазме, другие — участвуют в переносе белков в митохондрии. Белки hsp60 охватывают синтезированный полипептид наподобие бочонка, тем самым обеспечивая условия для принятия правильной конформации. Также шапероны участвуют в таких фундаментальных про­цессах, как: ренативация частично денатурированных белков; 2) узнавание денатурированных белков и транспорт их в лизосомы; 3) формирование трехмерной структуры белков; 4) сборка олигомерных белков; 5) транспорт белков через мембраны.

Молекулярные шапероны предотвращают денатурацию белков.  Частично денатурированный белок попадает в полость шаперонинового комплекса. В специфической среде этой поло­сти в условиях изолированности от других молекул цитозоля клетки выбор возможных конформаций белка происходит до тех пор, пока не будет найдена энергетически наиболее выгодная конформация. . Шаперонзависимое формирование нативной конформаций связано с расходованием значитель­ного количества энергии, источником которой служит АТР (рис.4).

Иллюстративный материал

Слайд-рисунок   1. Регулярные вторичные структуры белков

Слайд-рисунок 2. Типы связей, возникающие между радикалами аминокислот при формировании третичной структуры белка.

Слайд-рисунок 3. Уровни организации белков

Анимация:   Функции шаперонов

Литература:

1.Биохимия. Учебник /под редакцией член – корр РАН, проф. Е.С. Северина – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004.- 784 с

2. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека: В  2-х томах. Т. 2. Пер. с англ: - М.: Мир, 1993. - 384с.

Контрольные вопросы (обратная связь):


Применение явления денатурации белков  в медицине

Применение белков как лекарственных препаратов