Тема. Белки, классификация, состав, структура.

Тема. Белки, классификация, состав, структура.   План: 1. Белки общая характеристика. Функции белков.  2. Методы исследования белков.  3. Строение белков и их классификация. Аминокислотный состав белков. 4. Структура белковой молекулы.  Белки  –   это   высокомолекулярные   азотсодержащие   вещества,   линейные   гетерополимеры, состоящие из остатков аминокислот, связанных между собой пептидной связью. Каждый белок имеет уникальную, свойственную лишь ему структуру и уникальную функцию, отличающуюся от функций других белков.  В природе встречаются до 50 тысяч различных белков. И все они отличаются друг от друга по пяти основным признакам.   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  – 8%. 3.   Различная   последовательность   чередования   аминокислот.   Это   означает,   что   даже   при одинаковом   соотношении   разных   аминокислот   в   каких­нибудь   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,  Классификация белков. Простые – состоят только из белковой части и при гидролизе дают аминокислоты. Сложные   –   содержат   кроме   протеина,   группы   не   белковой   природы   называемые простетической   группой   (липиды,   углеводы,   нуклеиновые   кислоты).  Природные пептиды  — встречающиеся в организме в свободном состоянии низкомолекулярные пептиды. Они делятся на четыре группы: пептиды, обладающие гормональной активностью (кортико­тропин, вазопрессин, окситоцин, глюкагон, кальцитонин, ме­ ланотропин, рилизиног­факторы гипоталамуса и др.); пептиды, принимающие участие в процессе пищеварения (гастрин и секретин);    3) пептиды а2­глобулиновой фракции сыворотки крови (ан­ гиотензин, брадикинин и каллидин); 4) нейропептиды. Активные пептиды образуются из неактивных предшественников в результате посттрансляционной модификации. Природные пептиды высокоактивны, но нестабильны и быстро распадаются при физиологических рН среды. Все белки подразделяются на глобулярные и фибриллярные. Глобулярные белки компактны, обладают сферической и приближенными к ней, формами. Глобулярный белок диаметром 2,5 нм представляет собой полипептидную цепь длиной до 50 нм, свернутую в клубок. Фибриллярные   белки   обычно   вытянуты   (отношение   длины   к   диаметру   молекулы значительно) и входят в состав тканей, мышц, волос. Полипептидные цепи такого белка, имеет свернутые в винтовую спираль, ориентированы параллельно друг другу.  Двойственность свойств белковых молекул. Обычно   в   глобулярных   белках   гидрофобные   участки   молекулы   находятся   в     глубине молекулы. Соединяясь между собой, гидрофобные радикалы образуют   гидрофобные кластеры (центры). Формирование гидрофобного кластера вынуждает молекулу соответствующим  образом   изгибаться   в   пространстве.   Обычно   в   молекуле     глобулярного   белка   бывает несколько гидрофобных кластеров в глубине молекулы.    Это является проявлением  двойственности свойств  белковой молекулы:  на поверхности молекулы ­ гидрофильные группировки, поэтому молекула в целом ­ гидрофильная, а в глубине молекулы ­ спрятаны гидрофобные радикалы. Функции: Каталитическая – осуществляет катализ химической реакции. Регуляторная – гормоны регулируют обмен веществ в клетке. Рецепторная – на поверхности мембран связывают регулятор. Транспортная   –   поступление   веществ   в   клетку,   транспорт   по   организму,   выведение продуктов метаболизма в окружающую среду. Структурная  ­ являются структурными компонентами органелл, мембран и т.д. Сократительная – обеспечивают механический процесс сокращения Защитная – антитела, интерфероны, иммуноглобулины.  Токсины Энергетическая  Методы выделения Метод фракционирования солевыми растворами (высаливание). Метод осаждения ионами тяжелых металлов. Метод электрофореза Хроматографический метод. Метод гель­фильтрации Очистка белков: Диализ  Центрифугирование Перекристаллизация Определение аминокислотного состава: Ионообменная хроматография Аминокислотный анализатор Метод   Сенджера   устанавливает   расположение   той   или   иной   аминокислоты   в   цепях. Определяется аминокислота, которой начинается белковая молекула (нобелевская премия). Аминокислотный   состав   белков.  В   природе     встречается   около   200   аминокислот.   Для построения  белков используются  только 20 из  них, хотя в метаболизме  организма человека участвует большее количество аминокислот.  Эти   20   аминокислот   имеют   несколько   общих   признаков   строения   (общие   свойства аминокислот):        1.   Все   они   являются   альфа­аминокислотами.   Аминогруппа   общей   части   всех аминокислот присоединена к альфа­углеродному атому. Первичная структура белков. Аминокислотные   остатки   в   молекуле   белка   соединены   пептидными   связями.   Пептидные связи образуются при взаимодействии a ­аминогруппы одной аминокислоты с a ­карбоксильной группой другой аминокислоты: Пептидная связь ­ это амидная ковалентная связь, соединяющая аминокислоты в цепочку. Следовательно, пептиды ­ это цепочки аминокислот. Полипептидная цепь   имеет   определенное   направление,   так   как   у   неё   разные   концы   ­   либо   свободная   a ­аминогруппа (N­конец), либо свободная a ­карбоксильная группа (С­конец):  Длина пептидной связи составляет 0,135 нм и представляет среднюю величину между длиной одинарной связи  C­N  (0,146 нм.)   и двойной  C=N  (0,127 нм.), что сказывается на свойствах пептидной группировки: 1) Пептидная группировка имеет жесткую планарную структуру, т.е. все атомы входящие в одну структуру располагаются в одной плоскости. 2) Атомы кислорода и водорода находятся в транс ­ положении по отношению к пептидной связи C­N. Линейная последовательность аминокислотных остатков в одной или нескольких полипептидных цепях называется первичной структурой белка.  Первичная структура белка детерминирована генами, т. е. первичная структура закодирована в   молекуле   ДНК   (ген)   и   реализуется   в   ходе   транскрипции   и   трансляции.   Расшифрована первичная структура более тысячи белков (миоглобин ­ 153 аминокислотный остаток, инсулин В­цель 30 а.к.о. А­цепь ­ 21 а.к.о.) Каждый   из   50000   индивидуальных   белков   имеют   свою   первичную   структуру. Последовательность   аминокислотных   остатков   можно   рассматривать   как   форму   записи некоторой информации. Вторичная структура белка. Вторичная структура – способ укладки полипептидной цепи в упорядоченную структуру. По конфигурации выделяют следующие элементы  α ­спираль и  ­складчатый слой. β Линейные полипептидные цепи за счет взаимодействия функциональных групп аминокислот приобретают   определенную   пространственную   трехмерную   структуру   или   конформацию. Вторичная   структура   белков   –   это   пространственная   структура,   образующаяся   в   результате взаимодействий функциональных групп пептидного остова. В  Полипептидная цепь имеет спиральную конфигурацию, если все атомы «С» находятся на одной   винтовой   линии,   карбонильные   на  другой,   все   атомы   «N»     ­   на  третьей,   причем   шаг спирали для всех групп атомов должен быть одинаков. α ­ спирали водородные связи образуются между атомами кислорода карбонильной группы и   водородом   «N»  пептидного   остова   через   4   аминокислоты.   Боковые   цепи   аминокислотных остатков   располагаются   по   периферии   спирали   и   не   участвуют   в   образовании   водородных связей,   формирующих   вторичную   структуру.   Структура   формируется   между   линейными областями одной полипептидной цепи, или между разными полипептидными цепями. β ­складчатый   слой   также     обеспечивается   водородными   связями   между   пептидными группировками. структуры. К спиральобразующим аминокислотам относятся, ала, глу, глн, лей, лиз, мет, гис. Вал,   илей,   тре,   тир,   фен   способствуют   образованию   β ­складчатого   слоя   вторичной Третичная структура белка. Третичная структура белка – это трехмерная пространственная структура, образующаяся за счет   взаимодействия   между   радикалами   аминокислот,   которые   могут   находиться   на значительном расстоянии друг от друга. Связи, стабилизирующие третичную структуру:  1.   Ионные   связи   ­     электростатические   силы   притяжения   между   радикалами,   несущими противоположно заряженные ионогенные группы.  2. Водородные связи между полярными (гидрофильными) радикалами;  3. Гидрофобные взаимодействия между неполярными (гидрофобными) радикалами;  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.  Ионные, гидрофильные и водородные связи относятся к числу слабых связей. Конформация поддерживается за счет возникновения множества таких слабых связей. Гидрофильные   ионизированные   и   неионизированные   радикалы   аминокислот   в   основном расположены на поверхности глобулина (опред. его растворимость  в воде) Четвертичная структура белка. Структура,   состоящая   из   нескольких   полипептидных   цепей,   занимающих   строго фиксированное положение относительно друг друга в пространстве, называется четвертичной структурой белка. Белок, обладающий четвертичной структурой, называется эпимолекулой или мультимером, а цепи – субъединицами или протомерами.  Характерным свойством таких белков является то, что отдельная субъединица не обладает биологической активностью.  Стабилизация   обеспечивается   за   счет   полярных   взаимодействий   между   боковыми радикалами   аминокислот   расположенных   на   поверхности   субъединиц.   Участки,   на   которых происходит взаимодействие, называются контактными площадками. Одна   молекула   гемоглобина   способна   переносить   4   молекулы   О2  .   связывание   и α β освобождение кислорода сопровождается конформационными   изменениями структуры   ,  ­ субъединиц.   Это   свидетельствует   о   том,   что   четвертичная   структура   белка   не   является абсолютно жесткой. Структура нити мышечного белка.  Четвертичная структура гемоглобина: а – модель молекулы гемоглобина,   каждый   протомер   содержит   гем   (изображен   в форме   диска);   б   ­   схема   комплементарности   контактных поверхностей протомеров.