5. Função reguladora. As proteínas desempenham as funções de substâncias sinalizadoras - alguns hormônios, histohormônios e neurotransmissores, são receptores para substâncias sinalizadoras de qualquer estrutura e garantem maior transmissão de sinais nas cadeias de sinalização bioquímica da célula. Exemplos incluem o hormônio do crescimento somatotropina, o hormônio insulina, receptores colinérgicos H e M.

6. Função motora. Com a ajuda de proteínas, são realizados processos de contração e outros movimentos biológicos. Exemplos incluem tubulina, actina e miosina.

7. Função sobressalente. As plantas contêm proteínas de reserva, que são nutrientes valiosos no corpo dos animais; as proteínas musculares servem como nutrientes de reserva que são mobilizados quando for absolutamente necessário.

As proteínas são caracterizadas pela presença de vários níveis de organização estrutural.

Estrutura primária Uma proteína é uma sequência de resíduos de aminoácidos em uma cadeia polipeptídica. Uma ligação peptídica é uma ligação carboxamida entre o grupo α-carboxila de um aminoácido e o grupo α-amino de outro aminoácido.

alanilfenilalanilcisteilprolina

Acima ligação eptídica existem vários recursos:

a) está estabilizado ressonantemente e, portanto, está localizado praticamente no mesmo plano - planar; a rotação em torno da ligação CN requer muita energia e é difícil;

b) a ligação -CO-NH- tem um caráter especial, é menor que a normal, mas maior que a dupla, ou seja, há tautomerismo ceto-enol:

c) os substituintes em relação à ligação peptídica estão em transe-posição;

d) a estrutura peptídica é circundada por cadeias laterais de diversas naturezas, interagindo com as moléculas do solvente circundante, grupos carboxila e amino livres são ionizados, formando centros catiônicos e aniônicos da molécula de proteína. Dependendo de sua proporção, a molécula de proteína recebe carga total positiva ou negativa, e também é caracterizada por um ou outro valor de pH do meio quando atinge o ponto isoelétrico da proteína. Os radicais formam pontes salinas, éteres e dissulfeto dentro da molécula de proteína e também determinam a gama de reações características das proteínas.

Atualmente concordou em considerar polímeros constituídos por 100 ou mais resíduos de aminoácidos como proteínas, polipeptídeos - polímeros constituídos por 50-100 resíduos de aminoácidos, peptídeos de baixo peso molecular - polímeros constituídos por menos de 50 resíduos de aminoácidos.

Alguns baixo peso molecular os peptídeos desempenham um papel biológico independente. Exemplos de alguns desses peptídeos:

Glutationa - γ-glu-cis-gly - um um dos peptídeos intracelulares mais difundidos, participa de processos redox nas células e da transferência de aminoácidos através de membranas biológicas.

Carnosina - β-ala-his - peptídeo, contido nos músculos dos animais, elimina os produtos da degradação do peróxido lipídico, acelera o processo de degradação dos carboidratos nos músculos e está envolvido no metabolismo energético dos músculos na forma de fosfato.

A vasopressina é um hormônio do lobo posterior da glândula pituitária, envolvido na regulação do metabolismo da água no corpo:

Faloidina- polipeptídeo venenoso de agárico-mosca, em concentrações insignificantes causa a morte do corpo devido à liberação de enzimas e íons de potássio das células:

Gramicidina - antibiótico, agindo sobre muitas bactérias gram-positivas, altera a permeabilidade das membranas biológicas para compostos de baixo peso molecular e causa a morte celular:

Metanfetamina-encefalina - tyr-gly-gly-phen-met - um peptídeo sintetizado em neurônios e que reduz a dor.

Estrutura secundária da proteínaé uma estrutura espacial formada como resultado de interações entre grupos funcionais da estrutura peptídica.

A cadeia peptídica contém muitos grupos CO e NH de ligações peptídicas, cada um dos quais é potencialmente capaz de participar na formação de ligações de hidrogênio. Existem dois tipos principais de estruturas que permitem que isso aconteça: uma hélice α, na qual a corrente é enrolada como um fio telefônico, e uma estrutura β dobrada, na qual seções alongadas de uma ou mais cadeias são colocadas lado a lado. lado. Ambas as estruturas são muito estáveis.

A α-hélice é caracterizada por empacotamento extremamente denso de uma cadeia polipeptídica torcida; para cada volta de uma hélice destra, existem 3,6 resíduos de aminoácidos, cujos radicais estão sempre direcionados para fora e ligeiramente para trás, ou seja, para o início da cadeia polipeptídica.

Principais características da α-hélice:

1) a hélice α é estabilizada por ligações de hidrogênio entre o átomo de hidrogênio no nitrogênio do grupo peptídico e o oxigênio carbonílico do resíduo localizado em quatro posições ao longo da cadeia;

2) todos os grupos peptídicos participam da formação de uma ligação de hidrogênio, o que garante a máxima estabilidade da α-hélice;

3) todos os átomos de nitrogênio e oxigênio dos grupos peptídicos estão envolvidos na formação de ligações de hidrogênio, o que reduz significativamente a hidrofilicidade das regiões α-helicoidais e aumenta sua hidrofobicidade;

4) a hélice α se forma espontaneamente e é a conformação mais estável da cadeia polipeptídica, correspondendo à energia livre mínima;

5) em uma cadeia polipeptídica de L-aminoácidos, a hélice destra, geralmente encontrada em proteínas, é muito mais estável que a hélice canhota.

Possibilidade de formação de α-hélice determinado pela estrutura primária da proteína. Alguns aminoácidos impedem a torção da estrutura peptídica. Por exemplo, os grupos carboxila adjacentes de glutamato e aspartato se repelem mutuamente, o que evita a formação de ligações de hidrogênio na hélice α. Pela mesma razão, a helicalização da cadeia é difícil em locais onde os resíduos de lisina e arginina carregados positivamente estão localizados próximos uns dos outros. No entanto, a prolina desempenha o maior papel na ruptura da hélice α. Em primeiro lugar, na prolina o átomo de azoto faz parte de um anel rígido, o que impede a rotação em torno da ligação NC e, em segundo lugar, a prolina não forma uma ligação de hidrogénio devido à ausência de hidrogénio no átomo de azoto.

β-sheeting é uma estrutura em camadas, formado por ligações de hidrogênio entre fragmentos peptídicos dispostos linearmente. Ambas as cadeias podem ser independentes ou pertencer à mesma molécula polipeptídica. Se as cadeias estiverem orientadas na mesma direção, essa estrutura β é chamada de paralela. No caso de direções opostas da cadeia, ou seja, quando o terminal N de uma cadeia coincide com o terminal C de outra cadeia, a estrutura β é chamada de antiparalela. Uma folha β antiparalela com pontes de hidrogênio quase lineares é energeticamente mais preferível.

folha β paralela folha β antiparalela

Ao contrário da α-hélice saturada com ligações de hidrogênio, cada seção da cadeia da folha β está aberta à formação de ligações de hidrogênio adicionais. Os radicais laterais dos aminoácidos são orientados quase perpendicularmente ao plano da folha, alternadamente para cima e para baixo.

Nas áreas onde a cadeia peptídica curva-se bastante, geralmente contendo um laço β. Este é um fragmento curto no qual 4 resíduos de aminoácidos são dobrados em 180° e estabilizados por uma ponte de hidrogênio entre o primeiro e o quarto resíduos. Grandes radicais de aminoácidos interferem na formação da alça β, por isso geralmente inclui o menor aminoácido, a glicina.

Estrutura suprasecundária da proteína- esta é uma ordem específica de alternância de estruturas secundárias. Um domínio é entendido como uma parte separada de uma molécula de proteína que possui um certo grau de autonomia estrutural e funcional. Os domínios são agora considerados elementos fundamentais da estrutura das moléculas de proteínas, e a relação e a natureza do arranjo das hélices α e das folhas β fornecem mais para a compreensão da evolução das moléculas de proteínas e das relações filogenéticas do que uma comparação de estruturas primárias.

A principal tarefa da evolução é projetando cada vez mais novas proteínas. Há uma chance infinitesimal de sintetizar acidentalmente uma sequência de aminoácidos que satisfaça as condições de empacotamento e garanta o cumprimento das tarefas funcionais. Portanto, é comum encontrar proteínas com funções diferentes, mas tão semelhantes em estrutura que parecem ter tido um ancestral comum ou terem evoluído umas das outras. Parece que a evolução, ao se deparar com a necessidade de resolver determinado problema, prefere não projetar desde o início proteínas para esse fim, mas sim adaptar estruturas já bem estabelecidas para esse fim, adaptando-as para novas finalidades.

Alguns exemplos de estruturas suprasecundárias frequentemente repetidas:

1) αα’ - proteínas contendo apenas hélices α (mioglobina, hemoglobina);

2) ββ’ - proteínas contendo apenas estruturas β (imunoglobulinas, superóxido dismutase);

3) βαβ’ - estrutura β-barril, cada camada β está localizada dentro do barril e está conectada a uma α-hélice localizada na superfície da molécula (triose fosfoisomerase, lactato desidrogenase);

4) “dedo de zinco” - fragmento proteico constituído por 20 resíduos de aminoácidos, o átomo de zinco está ligado a dois resíduos de cisteína e dois resíduos de histidina, resultando na formação de um “dedo” de aproximadamente 12 resíduos de aminoácidos, que pode ligar-se às regiões reguladoras da molécula de DNA;

5) “zíper de leucina” - as proteínas que interagem possuem uma região α-helicoidal contendo pelo menos 4 resíduos de leucina, estão localizadas a 6 aminoácidos de distância, ou seja, estão na superfície a cada segunda volta e podem formar ligações hidrofóbicas com resíduos de leucina outra proteína. Com a ajuda de zíperes de leucina, por exemplo, moléculas de proteínas histonas fortemente básicas podem ser complexadas, superando uma carga positiva.

Estrutura terciária da proteína- este é o arranjo espacial da molécula de proteína, estabilizado pelas ligações entre os radicais laterais dos aminoácidos.

Tipos de ligações que estabilizam a estrutura terciária de uma proteína:

hidrogênio eletrostático dissulfeto hidrofóbico interação ligações ligações interações

Dependendo da dobragem A estrutura terciária das proteínas pode ser classificada em dois tipos principais - fibrilar e globular.

Proteínas fibrilares- moléculas longas e semelhantes a fios, insolúveis em água, cujas cadeias polipeptídicas são alongadas ao longo de um eixo. Estas são principalmente proteínas estruturais e contráteis. Alguns exemplos das proteínas fibrilares mais comuns:

1. α- Queratinas. Sintetizado pelas células epidérmicas. Eles representam quase todo o peso seco de cabelos, pelos, penas, chifres, unhas, garras, espinhos, escamas, cascos e carapaça de tartaruga, bem como uma parcela significativa do peso da camada externa da pele. Esta é toda uma família de proteínas; elas são semelhantes na composição de aminoácidos, contêm muitos resíduos de cisteína e possuem o mesmo arranjo espacial de cadeias polipeptídicas.

Nas células ciliadas, cadeias polipeptídicas de queratina primeiro organizados em fibras, a partir das quais se formam estruturas como uma corda ou cabo torcido, acabando por preencher todo o espaço da célula. As células ciliadas ficam achatadas e finalmente morrem, e as paredes celulares formam uma bainha tubular chamada cutícula ao redor de cada cabelo. Na α-queratina, as cadeias polipeptídicas têm o formato de uma α-hélice, torcidas umas em torno das outras em um cabo de três núcleos com a formação de ligações dissulfeto cruzadas.

Os resíduos N-terminais estão localizados de um lado (paralelo). As queratinas são insolúveis em água devido ao predomínio de aminoácidos em sua composição com radicais laterais apolares que enfrentam a fase aquosa. Durante a permanente, ocorrem os seguintes processos: primeiro, as pontes dissulfeto são destruídas pela redução com tióis e, em seguida, quando o cabelo ganha a forma desejada, ele é seco por aquecimento, enquanto novas pontes dissulfeto são formadas devido à oxidação com o oxigênio atmosférico. , que mantêm a forma do penteado.

2. β-queratinas. Isso inclui fibroína de seda e teia de aranha. São camadas β-plissadas antiparalelas com predominância de glicina, alanina e serina na composição.

3. Colágeno. A proteína mais comum em animais superiores e a principal proteína fibrilar dos tecidos conjuntivos. O colágeno é sintetizado em fibroblastos e condrócitos – células especializadas do tecido conjuntivo, das quais é então expelido. As fibras de colágeno são encontradas na pele, tendões, cartilagens e ossos. Eles não esticam, são mais fortes que o fio de aço e as fibrilas de colágeno são caracterizadas por estrias transversais.

Quando fervido em água, fibroso, o colágeno insolúvel e indigerível é convertido em gelatina pela hidrólise de certas ligações covalentes. O colágeno contém 35% de glicina, 11% de alanina, 21% de prolina e 4-hidroxiprolina (um aminoácido exclusivo do colágeno e da elastina). Esta composição determina o valor nutricional relativamente baixo da gelatina como proteína alimentar. As fibrilas de colágeno são compostas por subunidades polipeptídicas repetidas chamadas tropocolágeno. Essas subunidades estão dispostas ao longo da fibrila na forma de feixes paralelos cabeça-cauda. O deslocamento das cabeças dá as estrias transversais características. Os vazios nesta estrutura, se necessário, podem servir de local para a deposição de cristais de hidroxiapatita Ca 5 (OH)(PO 4) 3, que desempenha um papel importante na mineralização óssea.

As subunidades do tropocolágeno consistem em de três cadeias polipeptídicas firmemente enroladas em uma corda de três fios, distinta das α e β-queratinas. Em alguns colágenos, todas as três cadeias têm a mesma sequência de aminoácidos, enquanto em outros apenas duas cadeias são idênticas e a terceira é diferente. A cadeia polipeptídica do tropocolágeno forma uma hélice canhota, com apenas três resíduos de aminoácidos por volta devido às curvaturas da cadeia causadas pela prolina e pela hidroxiprolina. As três cadeias estão ligadas entre si, além das ligações de hidrogênio, por uma ligação do tipo covalente formada entre dois resíduos de lisina localizados em cadeias adjacentes:

À medida que envelhecemos, um número crescente de ligações cruzadas é formado dentro e entre as subunidades do tropocolágeno, o que torna as fibrilas de colágeno mais rígidas e quebradiças, e isso altera as propriedades mecânicas da cartilagem e dos tendões, torna os ossos mais quebradiços e reduz a transparência da córnea.

4. Elastina. Contido no tecido elástico amarelo dos ligamentos e na camada elástica do tecido conjuntivo nas paredes das grandes artérias. A principal subunidade das fibrilas de elastina é a tropoelastina. A elastina é rica em glicina e alanina, contém muita lisina e pouca prolina. As seções espirais da elastina esticam quando a tensão é aplicada, mas retornam ao seu comprimento original quando a carga é removida. Os resíduos de lisina de quatro cadeias diferentes formam ligações covalentes entre si e permitem que a elastina se estique reversivelmente em todas as direções.

Proteínas globulares- as proteínas, cuja cadeia polipeptídica é dobrada em um glóbulo compacto, são capazes de desempenhar uma ampla variedade de funções.

Estrutura terciária de proteínas globularesÉ mais conveniente considerar o exemplo da mioglobina. A mioglobina é uma proteína de ligação ao oxigênio relativamente pequena encontrada nas células musculares. Ele armazena oxigênio ligado e promove sua transferência para as mitocôndrias. A molécula de mioglobina contém uma cadeia polipeptídica e um hemogrupo (heme) - um complexo de protoporfirina com ferro.

Propriedades básicas mioglobina:

a) a molécula de mioglobina é tão compacta que cabem apenas 4 moléculas de água;

b) todos os resíduos de aminoácidos polares, com exceção de dois, estão localizados na superfície externa da molécula e todos estão no estado hidratado;

c) a maior parte dos resíduos de aminoácidos hidrofóbicos está localizada no interior da molécula de mioglobina e, portanto, protegida do contato com a água;

d) cada um dos quatro resíduos de prolina na molécula de mioglobina está localizado no local de curvatura da cadeia polipeptídica, os resíduos de serina, treonina e asparagina estão localizados em outros locais de curvatura, uma vez que tais aminoácidos impedem a formação de uma hélice α; estão localizados um ao lado do outro;

e) um grupo heme plano encontra-se em uma cavidade (bolsa) próxima à superfície da molécula, o átomo de ferro possui duas ligações de coordenação direcionadas perpendicularmente ao plano heme, uma delas está ligada ao resíduo de histidina 93, e a outra serve para ligar uma molécula de oxigênio.

Começando com a estrutura terciária da proteína torna-se capaz de desempenhar suas funções biológicas inerentes. A base do funcionamento das proteínas é que quando uma estrutura terciária é colocada na superfície da proteína, são formadas áreas que podem anexar outras moléculas, chamadas ligantes. A alta especificidade da interação da proteína com o ligante é garantida pela complementaridade da estrutura do centro ativo com a estrutura do ligante. Complementaridade é a correspondência espacial e química de superfícies em interação. Para a maioria das proteínas, a estrutura terciária é o nível máximo de dobramento.

Estrutura quaternária da proteína- característica de proteínas constituídas por duas ou mais cadeias polipeptídicas ligadas entre si exclusivamente por ligações não covalentes, principalmente eletrostáticas e de hidrogênio. Na maioria das vezes, as proteínas contêm duas ou quatro subunidades; mais de quatro subunidades geralmente contêm proteínas reguladoras;

Proteínas com estrutura quaternária, são frequentemente chamados de oligoméricos. Existem proteínas homoméricas e heteroméricas. As proteínas homoméricas incluem proteínas nas quais todas as subunidades têm a mesma estrutura, por exemplo, a enzima catalase consiste em quatro subunidades absolutamente idênticas. As proteínas heteroméricas possuem subunidades diferentes, por exemplo, a enzima RNA polimerase consiste em cinco subunidades estruturalmente diferentes que desempenham funções diferentes;

Interação de subunidade única com um ligante específico causa alterações conformacionais em toda a proteína oligomérica e altera a afinidade de outras subunidades pelos ligantes; esta propriedade está subjacente à capacidade das proteínas oligoméricas para regulação alostérica;

A estrutura quaternária de uma proteína pode ser examinada usando o exemplo da hemoglobina. Contém quatro cadeias polipeptídicas e quatro grupos prostéticos heme, nos quais os átomos de ferro estão na forma ferrosa Fe 2+. A parte proteica da molécula - globina - consiste em duas cadeias α e duas cadeias β contendo até 70% de hélices α. Cada uma das quatro cadeias possui uma estrutura terciária característica e um hemogrupo está associado a cada cadeia. Os hemes de diferentes cadeias estão localizados relativamente distantes uns dos outros e possuem diferentes ângulos de inclinação. Poucos contatos diretos são formados entre duas cadeias α e duas cadeias β, enquanto numerosos contatos do tipo α 1 β 1 e α 2 β 2 formados por radicais hidrofóbicos surgem entre as cadeias α e β. Entre α 1 β 1 e α 2 β 2 permanece um canal.

Ao contrário da mioglobina hemoglobina caracterizado afinidade significativamente menor pelo oxigênio, o que permite, nas baixas pressões parciais de oxigênio existentes nos tecidos, fornecer-lhes uma parte significativa do oxigênio ligado. O oxigênio é mais facilmente ligado ao ferro da hemoglobina em valores de pH mais elevados e baixas concentrações de CO 2 características dos alvéolos dos pulmões; a liberação de oxigênio da hemoglobina é favorecida por valores mais baixos de pH e altas concentrações de CO 2 características dos tecidos.

Além do oxigênio, a hemoglobina carrega íons hidrogênio, que se ligam a resíduos de histidina nas cadeias. A hemoglobina também transporta dióxido de carbono, que se liga ao grupo amino terminal de cada uma das quatro cadeias polipeptídicas, resultando na formação de carbaminohemoglobina:

EM glóbulos vermelhos em concentrações bastante altas a substância 2,3-difosfoglicerato (DPG) está presente, seu conteúdo aumenta com a subida a grandes altitudes e durante a hipóxia, facilitando a liberação de oxigênio da hemoglobina nos tecidos. O DPG está localizado no canal entre α 1 β 1 e α 2 β 2, interagindo com grupos de cadeias β contaminados positivamente. Quando a hemoglobina se liga ao oxigênio, o DPG é forçado a sair da cavidade. Os glóbulos vermelhos de algumas aves não contêm DPG, mas hexafosfato de inositol, o que reduz ainda mais a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio.

2,3-Difosfoglicerato (DPG)

HbA - hemoglobina adulta normal, HbF - hemoglobina fetal, tem maior afinidade pelo O 2, HbS - hemoglobina na anemia falciforme. A anemia falciforme é uma doença hereditária grave causada por uma anomalia genética da hemoglobina. No sangue das pessoas doentes existe um número invulgarmente grande de glóbulos vermelhos finos em forma de foice, que, em primeiro lugar, se rompem facilmente e, em segundo lugar, obstruem os capilares sanguíneos.

No nível molecular, a hemoglobina S é diferente da hemoglobina A há um resíduo de aminoácido na posição 6 das cadeias β, onde em vez de um resíduo de ácido glutâmico há valina. Assim, a hemoglobina S contém duas cargas negativas a menos; o aparecimento de valina leva ao aparecimento de um contato hidrofóbico “pegajoso” na superfície da molécula, como resultado, durante a desoxigenação, as moléculas de desoxihemoglobina S se unem e formam insolúveis, anormalmente longas; agregados semelhantes a fios, levando à deformação dos glóbulos vermelhos.

Não há razão para pensar que exista um controle genético independente sobre a formação de níveis de organização estrutural das proteínas acima do primário, uma vez que a estrutura primária determina o secundário, o terciário e o quaternário (se houver). A conformação nativa de uma proteína é a estrutura termodinamicamente mais estável sob determinadas condições.

AULA 6

Existem propriedades físicas, químicas e biológicas das proteínas.

Propriedades físicas das proteínas são a presença de peso molecular, birrefringência (uma mudança nas características ópticas de uma solução proteica em movimento em comparação com uma solução em repouso), devido à forma não esférica das proteínas, mobilidade em um campo elétrico, devido à carga das moléculas de proteína . Além disso, as proteínas são caracterizadas por propriedades ópticas, que consistem na capacidade de girar o plano de polarização da luz, dispersar os raios de luz devido ao grande tamanho das partículas proteicas e absorver os raios ultravioleta.

Uma das propriedades físicas características proteínas são a capacidade de adsorver na superfície e, às vezes, de capturar moléculas, compostos orgânicos de baixo peso molecular e íons em seu interior.

As propriedades químicas das proteínas diferem diversidade excepcional, uma vez que as proteínas são caracterizadas por todas as reações de radicais de aminoácidos e são caracterizadas pela reação de hidrólise de ligações peptídicas.

Ter um número significativo de grupos ácidos e básicos, as proteínas exibem propriedades anfotéricas. Ao contrário dos aminoácidos livres, as propriedades ácido-base das proteínas são determinadas não pelos grupos α-amino e α-carboxi envolvidos na formação de ligações peptídicas, mas por radicais carregados de resíduos de aminoácidos. As principais propriedades das proteínas são determinadas pelos resíduos de arginina, lisina e histidina. As propriedades ácidas são devidas a resíduos de ácido aspártico e glutâmico.

As curvas de titulação de proteínas são suficientes difícil de interpretar, uma vez que qualquer proteína tem muitos grupos tituláveis, existem interações eletrostáticas entre os grupos ionizados da proteína e o pK de cada grupo titulável é influenciado por resíduos hidrofóbicos próximos e ligações de hidrogênio. A maior aplicação prática é o ponto isoelétrico de uma proteína – o valor do pH no qual a carga total da proteína é zero. No ponto isoelétrico, a proteína é maximamente inerte, não se move em campo elétrico e possui a camada de hidratação mais fina.

Proteínas exibem propriedades tampão, mas sua capacidade tampão é insignificante. A exceção são as proteínas que contêm um grande número de resíduos de histidina. Por exemplo, a hemoglobina contida nos eritrócitos, devido ao elevado teor de resíduos de histidina, tem uma capacidade tampão significativa a um pH de cerca de 7, o que é muito importante para o papel que os eritrócitos desempenham no transporte de oxigénio e dióxido de carbono em o sangue.

As proteínas são caracterizadas pela sua solubilidade em água, e do ponto de vista físico formam verdadeiras soluções moleculares. No entanto, as soluções proteicas são caracterizadas por algumas propriedades coloidais: o efeito Tendahl (fenômeno de dispersão da luz), a incapacidade de passar através de membranas semipermeáveis, alta viscosidade e formação de géis.

A solubilidade das proteínas é altamente dependente na concentração de sais, ou seja, na força iônica da solução. Na água destilada, as proteínas são frequentemente pouco solúveis, mas a sua solubilidade aumenta à medida que a força iónica aumenta. Ao mesmo tempo, um número crescente de íons inorgânicos hidratados liga-se à superfície da proteína e, assim, o grau de sua agregação diminui. Com alta força iônica, os íons salinos retiram a camada de hidratação das moléculas de proteína, o que leva à agregação e precipitação de proteínas (fenômeno de salga). Utilizando diferenças de solubilidade, é possível separar uma mistura de proteínas utilizando sais comuns.

Entre as propriedades biológicas das proteínas incluem principalmente sua atividade catalítica. Outra importante propriedade biológica das proteínas é a sua atividade hormonal, ou seja, a capacidade de influenciar grupos inteiros de reações no organismo. Algumas proteínas possuem propriedades tóxicas, atividade patogênica, funções protetoras e receptoras e são responsáveis ​​por fenômenos de adesão celular.

Outra propriedade biológica única das proteínas- desnaturação. As proteínas em seu estado natural são chamadas de nativas. A desnaturação é a destruição da estrutura espacial das proteínas sob a ação de agentes desnaturantes. A estrutura primária das proteínas não é danificada durante a desnaturação, mas sua atividade biológica é perdida, assim como a solubilidade, a mobilidade eletroforética e algumas outras reações. Quando desnaturados, os radicais de aminoácidos que formam o centro ativo da proteína ficam espacialmente distantes uns dos outros, ou seja, o centro de ligação específico da proteína com o ligante é destruído. Os radicais hidrofóbicos, geralmente localizados no núcleo hidrofóbico das proteínas globulares, após a desnaturação acabam na superfície da molécula, criando assim condições para a agregação das proteínas que precipitam.

Reagentes e condições que causam desnaturação de proteínas:

Temperatura acima de 60 o C - destruição de ligações fracas na proteína,

Ácidos e álcalis - alteração na ionização de grupos ionogênicos, quebra de ligações iônicas e de hidrogênio,

Uréia - destruição de ligações de hidrogênio intramoleculares como resultado da formação de ligações de hidrogênio com uréia,

Álcool, fenol, cloramina - destruição de ligações hidrofóbicas e de hidrogênio,

Sais de metais pesados ​​- formação de sais insolúveis de proteínas com íons de metais pesados.

Quando os agentes desnaturantes são removidos, a renativação é possível, pois a cadeia peptídica tende a adotar a conformação com menor energia livre em solução.

Sob condições celulares, as proteínas podem desnaturar espontaneamente, embora a uma taxa menor do que em alta temperatura. A renativação espontânea de proteínas na célula é difícil, pois devido à alta concentração existe uma grande probabilidade de agregação de moléculas parcialmente desnaturadas.

As células contêm proteínas- chaperonas moleculares que têm a capacidade de se ligar a proteínas parcialmente desnaturadas que estão em estado instável, propensas à agregação, e restaurar sua conformação nativa. Inicialmente, essas proteínas foram descobertas como proteínas de choque térmico, pois sua síntese aumentava quando a célula era exposta a estresse, por exemplo, quando a temperatura aumentava. Os acompanhantes são classificados de acordo com a massa de suas subunidades: hsp-60, hsp-70 e hsp-90. Cada classe inclui uma família de proteínas relacionadas.

Acompanhantes moleculares ( hsp-70) uma classe altamente conservada de proteínas encontradas em todas as partes da célula: citoplasma, núcleo, retículo endoplasmático, mitocôndrias. No terminal C da cadeia polipeptídica única, a hsp-70 possui uma região que é um sulco capaz de interagir com peptídeos de 7 a 9 resíduos de aminoácidos de comprimento, enriquecidos em radicais hidrofóbicos. Essas regiões nas proteínas globulares ocorrem aproximadamente a cada 16 aminoácidos. Hsp-70 é capaz de proteger proteínas da inativação térmica e restaurar a conformação e atividade de proteínas parcialmente desnaturadas.

Acompanhantes-60 (hsp-60) participam da formação da estrutura terciária das proteínas. A Hsp-60 funciona como proteínas oligoméricas que consistem em 14 subunidades. O Hsp-60 forma dois anéis, cada anel consiste em 7 subunidades conectadas entre si.

Cada subunidade consiste em três domínios:

O domínio apical possui vários resíduos de aminoácidos hidrofóbicos voltados para o interior da cavidade formada pelas subunidades;

O domínio equatorial possui atividade ATPase e é necessário para a liberação da proteína do complexo chaperonina;

O domínio intermediário conecta os domínios apical e equatorial.

Uma proteína que possui fragmentos em sua superfície, enriquecido com aminoácidos hidrofóbicos, entra na cavidade do complexo chaperonina. No ambiente específico desta cavidade, em condições de isolamento de outras moléculas do citosol celular, ocorre a seleção de possíveis conformações proteicas até que seja encontrada uma conformação energeticamente mais favorável. A formação dependente de chaperona da conformação nativa está associada ao gasto de uma quantidade significativa de energia, cuja fonte é o ATP.

MÓDULO 1 ESTRUTURA, PROPRIEDADES E FUNÇÕES DAS PROTEÍNAS

MÓDULO 1 ESTRUTURA, PROPRIEDADES E FUNÇÕES DAS PROTEÍNAS

Estrutura do módulo	Temas
Unidade modular 1	1.1. Organização estrutural das proteínas. Estágios de formação da conformação da proteína nativa 1.2. Noções básicas de funcionamento das proteínas. Drogas como ligantes que afetam a função proteica 1.3. Desnaturação de proteínas e possibilidade de sua renativação espontânea
Unidade modular 2	1.4. Características da estrutura e funcionamento de proteínas oligoméricas usando o exemplo da hemoglobina 1.5. Manutenção da conformação da proteína nativa sob condições celulares 1.6. Variedade de proteínas. Famílias de proteínas usando o exemplo das imunoglobulinas 1.7. Propriedades físico-químicas de proteínas e métodos para sua separação

Unidade modular 1 ORGANIZAÇÃO ESTRUTURAL DAS PROTEÍNAS MONÔMÉRICAS E OS BÁSICOS DO SEU FUNCIONAMENTO

Objetivos de aprendizagem Ser capaz de:

1. Utilizar o conhecimento sobre as características estruturais das proteínas e a dependência das funções proteicas da sua estrutura para compreender os mecanismos de desenvolvimento das proteinopatias hereditárias e adquiridas.

2. Explicar os mecanismos de ação terapêutica de alguns fármacos como ligantes que interagem com proteínas e alteram a sua atividade.

3. Utilizar o conhecimento sobre a estrutura e labilidade conformacional das proteínas para compreender a sua instabilidade estrutural e funcional e tendência à desnaturação sob condições variáveis.

4. Explicar a utilização de agentes desnaturantes como meios para esterilizar materiais e instrumentos médicos, bem como como anti-sépticos.

Saber:

1. Níveis de organização estrutural das proteínas.

2. A importância da estrutura primária das proteínas, que determina a sua diversidade estrutural e funcional.

3. O mecanismo de formação do centro ativo nas proteínas e sua interação específica com o ligante, que está na base do funcionamento das proteínas.

4. Exemplos da influência de ligantes exógenos (drogas, toxinas, venenos) na conformação e atividade funcional de proteínas.

5. Causas e consequências da desnaturação das proteínas, fatores que causam a desnaturação.

6. Exemplos do uso de fatores desnaturantes na medicina como anti-sépticos e meios de esterilização de instrumentos médicos.

TÓPICO 1.1. ORGANIZAÇÃO ESTRUTURAL DAS PROTEÍNAS. ESTÁGIOS DE FORMAÇÃO DO NATIVO

CONFORMAÇÕES DE PROTEÍNA

As proteínas são moléculas poliméricas cujos monômeros são apenas 20 α-aminoácidos. O conjunto e a ordem de combinação dos aminoácidos em uma proteína são determinados pela estrutura dos genes no DNA dos indivíduos. Cada proteína, de acordo com sua estrutura específica, desempenha sua função. O conjunto de proteínas de um determinado organismo determina suas características fenotípicas, bem como a presença de doenças hereditárias ou predisposição ao seu desenvolvimento.

1. Aminoácidos que constituem as proteínas. Ligação peptídica. As proteínas são polímeros construídos a partir de monômeros - 20 α-aminoácidos, cuja fórmula geral é

Os aminoácidos diferem em estrutura, tamanho e propriedades físico-químicas dos radicais ligados ao átomo de carbono α. Os grupos funcionais de aminoácidos determinam as características das propriedades dos diferentes α-aminoácidos. Os radicais encontrados nos α-aminoácidos podem ser divididos em vários grupos:

Prolina, Ao contrário dos outros 19 monômeros de proteína, não é um aminoácido, mas um iminoácido. O radical da prolina está associado tanto ao átomo de carbono α quanto ao grupo imino;

Os aminoácidos variam em solubilidade em água. Isto se deve à capacidade dos radicais de interagir com a água (hidratar).

PARA hidrofílico incluem radicais contendo grupos funcionais aniônicos, catiônicos e polares sem carga.

PARA hidrofóbico incluem radicais contendo grupos metila, cadeias ou anéis alifáticos.

2. As ligações peptídicas conectam aminoácidos para formar peptídeos. Durante a síntese de peptídeos, o grupo α-carboxila de um aminoácido interage com o grupo α-amino de outro aminoácido para formar ligação peptídica:

As proteínas são polipeptídeos, ou seja, polímeros lineares de α-aminoácidos conectados por uma ligação peptídica (Fig. 1.1.)

Arroz. 1.1. Termos usados ​​para descrever a estrutura dos peptídeos

Os monômeros de aminoácidos que constituem os polipeptídeos são chamados resíduos de aminoácidos. Uma cadeia de grupos repetidos - NH-CH-CO- formulários espinha dorsal peptídica. Um resíduo de aminoácido que possui um grupo α-amino livre é denominado N-terminal, e aquele que possui um grupo α-carboxila livre é denominado C-terminal. Os peptídeos são escritos e lidos do terminal N ao terminal C.

A ligação peptídica formada pelo grupo imino da prolina difere de outras ligações peptídicas: o átomo de nitrogênio do grupo peptídico carece de hidrogênio,

em vez disso, há uma ligação com um radical, como resultado da qual um lado do anel é incluído na estrutura peptídica:

Os peptídeos diferem na composição de aminoácidos, número de aminoácidos e ordem de ligação dos aminoácidos, por exemplo, Ser-Ala-Glu-Gis e His-Glu-Ala-Ser são dois peptídeos diferentes.

As ligações peptídicas são muito fortes e sua hidrólise química não enzimática requer condições adversas: a proteína analisada é hidrolisada em ácido clorídrico concentrado a uma temperatura de cerca de 110° durante 24 horas. Numa célula viva, as ligações peptídicas podem ser quebradas por enzimas proteolíticas, chamado proteases ou hidrolases peptídicas.

3. Estrutura primária das proteínas. Os resíduos de aminoácidos nas cadeias peptídicas de diferentes proteínas não se alternam aleatoriamente, mas estão dispostos em uma determinada ordem. A sequência linear ou ordem de alternância de resíduos de aminoácidos em uma cadeia polipeptídica é chamada estrutura primária da proteína.

A estrutura primária de cada proteína individual é codificada na molécula de DNA (em uma região chamada gene) e é realizada durante a transcrição (copiando informações no mRNA) e a tradução (síntese da estrutura primária da proteína). Consequentemente, a estrutura primária das proteínas de um indivíduo é uma informação transmitida hereditariamente de pais para filhos, que determina as características estruturais das proteínas de um determinado organismo, das quais depende a função das proteínas existentes (Fig. 1.2.).

Arroz. 1.2. A relação entre o genótipo e a conformação das proteínas sintetizadas no corpo do indivíduo

Cada uma das aproximadamente 100.000 proteínas individuais do corpo humano tem exclusivo estrutura primária. Moléculas do mesmo tipo de proteína (por exemplo, albumina) possuem a mesma alternância de resíduos de aminoácidos, o que distingue a albumina de qualquer outra proteína individual.

A sequência de resíduos de aminoácidos em uma cadeia peptídica pode ser considerada uma forma de registro de informações. Esta informação determina o arranjo espacial da cadeia peptídica linear em uma estrutura tridimensional mais compacta chamada conformação esquilo. O processo de formação de uma conformação proteica funcionalmente ativa é denominado dobrando

4. Conformação proteica. A rotação livre na estrutura peptídica é possível entre o átomo de nitrogênio do grupo peptídico e o átomo de carbono α vizinho, bem como entre o átomo de carbono α e o carbono do grupo carbonila. Devido à interação de grupos funcionais de resíduos de aminoácidos, a estrutura primária das proteínas pode adquirir estruturas espaciais mais complexas. Nas proteínas globulares, existem dois níveis principais de dobramento da conformação das cadeias peptídicas: secundário E Estrutura terciária.

Estrutura secundária de proteínasé uma estrutura espacial formada como resultado da formação de ligações de hidrogênio entre os grupos funcionais -C=O e -NH- da estrutura peptídica. Neste caso, a cadeia peptídica pode adquirir estruturas regulares de dois tipos: α-hélices E estruturas β.

EM α-hélices ligações de hidrogênio são formadas entre o átomo de oxigênio do grupo carbonila e o hidrogênio do nitrogênio amida do 4º aminoácido dele; cadeias laterais de resíduos de aminoácidos

localizam-se ao longo da periferia da espiral, sem participar da formação da estrutura secundária (Fig. 1.3.).

Radicais em massa, ou radicais com cargas iguais, evitam a formação de uma hélice α. O resíduo de prolina, que possui estrutura em anel, interrompe a hélice α, pois devido à falta de hidrogênio no átomo de nitrogênio da cadeia peptídica é impossível formar uma ligação de hidrogênio. A ligação entre o nitrogênio e o átomo de carbono α faz parte do anel de prolina, de modo que a estrutura do peptídeo fica dobrada neste ponto.

Estrutura βé formado entre as regiões lineares da estrutura peptídica de uma cadeia polipeptídica, formando assim estruturas dobradas. Cadeias polipeptídicas ou partes delas podem formar paralelo ou estruturas β antiparalelas. No primeiro caso, os terminais N e C das cadeias peptídicas em interação coincidem e, no segundo, têm direção oposta (Fig. 1.4).

Arroz. 1.3. Estrutura secundária da proteína - α-hélice

Arroz. 1.4. Estruturas de folha β paralelas e antiparalelas

As estruturas β são indicadas por setas largas: A - Estrutura β antiparalela. B - Estruturas de folhas β paralelas

Em algumas proteínas, estruturas β podem ser formadas devido à formação de ligações de hidrogênio entre átomos da estrutura peptídica de diferentes cadeias polipeptídicas.

Também encontrado em proteínas áreas com secundário irregular estrutura, que inclui curvas, voltas e voltas da estrutura polipeptídica. Eles estão frequentemente localizados em locais onde a direção da cadeia peptídica muda, por exemplo, quando uma estrutura de folha β paralela é formada.

Com base na presença de hélices α e estruturas β, as proteínas globulares podem ser divididas em quatro categorias.

Arroz. 1.5. Estrutura secundária da mioglobina (A) e da cadeia β da hemoglobina (B), contendo oito hélices α

Arroz. 1.6. Estrutura secundária da triosefosfato isomerase e do domínio piruvato quinase

Arroz. 1.7. Estrutura secundária do domínio constante da imunoglobulina (A) e da enzima superóxido dismutase (B)

EM quarta categoria incluiu proteínas que contêm uma pequena quantidade de estruturas secundárias regulares. Essas proteínas incluem pequenas proteínas ou metaloproteínas ricas em cisteína.

Estrutura terciária da proteína- um tipo de conformação formada devido às interações entre radicais de aminoácidos, que podem estar localizados a uma distância considerável uns dos outros na cadeia peptídica. A maioria das proteínas forma uma estrutura espacial semelhante a um glóbulo (proteínas globulares).

Como os radicais de aminoácidos hidrofóbicos tendem a se combinar através dos chamados interações hidrofóbicas e forças intermoleculares de van der Waals, um núcleo hidrofóbico denso é formado dentro do glóbulo de proteína. Os radicais hidrofílicos ionizados e não ionizados estão localizados principalmente na superfície da proteína e determinam sua solubilidade em água.

Arroz. 1.8. Tipos de ligações que surgem entre radicais de aminoácidos durante a formação da estrutura terciária de uma proteína

1 - ligação iônica- ocorre entre grupos funcionais carregados positiva e negativamente;

2 - ligação de hidrogênio- ocorre entre um grupo hidrofílico sem carga e qualquer outro grupo hidrofílico;

3 - interações hidrofóbicas- surgem entre radicais hidrofóbicos;

4 - ligação dissulfeto- formado devido à oxidação de grupos SH de resíduos de cisteína e sua interação entre si

Resíduos de aminoácidos hidrofílicos localizados dentro do núcleo hidrofóbico podem interagir uns com os outros usando iônico E ligações de hidrogênio(Fig. 1.8).

As ligações iônicas e de hidrogênio, bem como as interações hidrofóbicas, são fracas: sua energia não é muito superior à energia do movimento térmico das moléculas à temperatura ambiente. A conformação da proteína é mantida pela formação de muitas dessas ligações fracas. Como os átomos que compõem uma proteína estão em constante movimento, é possível quebrar algumas ligações fracas e formar outras, o que leva a leves movimentos de seções individuais da cadeia polipeptídica. Esta propriedade das proteínas de mudar a conformação como resultado da quebra de algumas ligações fracas e da formação de outras é chamada labilidade conformacional.

O corpo humano possui sistemas que suportam homeostase- constância do ambiente interno dentro de certos limites aceitáveis ​​para um corpo saudável. Sob condições de homeostase, pequenas mudanças na conformação não perturbam a estrutura e função geral das proteínas. A conformação funcionalmente ativa de uma proteína é chamada conformação nativa. Mudanças no ambiente interno (por exemplo, concentração de glicose, íons Ca, prótons, etc.) levam a mudanças na conformação e à interrupção das funções das proteínas.

A estrutura terciária de algumas proteínas é estabilizada Ligações dissulfureto, formado devido à interação de grupos -SH de dois resíduos

Arroz. 1.9. Formação de uma ligação dissulfeto em uma molécula de proteína

cisteína ​​(Fig. 1.9). A maioria das proteínas intracelulares não possui ligações dissulfeto covalentes em sua estrutura terciária. Sua presença é característica das proteínas secretadas pela célula, o que garante sua maior estabilidade em condições extracelulares. Assim, ligações dissulfeto estão presentes nas moléculas de insulina e imunoglobulinas.

Insulina- um hormônio proteico sintetizado nas células β do pâncreas e secretado no sangue em resposta a um aumento na concentração de glicose no sangue. Na estrutura da insulina, existem duas ligações dissulfeto conectando as cadeias polipeptídicas A e B, e uma ligação dissulfeto dentro da cadeia A (Fig. 1.10).

Arroz. 1.10. Ligações dissulfeto na estrutura da insulina

5. Estrutura supersecundária das proteínas. Em proteínas com diferentes estruturas e funções primárias, às vezes são detectadas combinações semelhantes e posições relativas de estruturas secundárias, que são chamadas de estrutura supersecundária. Ocupa uma posição intermediária entre as estruturas secundárias e terciárias, pois é uma combinação específica de elementos da estrutura secundária na formação da estrutura terciária da proteína. As estruturas supersecundárias têm nomes específicos, como “α-hélice-volta-uma-hélice”, “zíper de leucina”, “dedos de zinco” etc. Essas estruturas supersecundárias são características de proteínas de ligação ao DNA.

"Zíper de leucina." Este tipo de estrutura supersecundária é usada para unir duas proteínas. Na superfície das proteínas que interagem existem regiões α-helicoidais contendo pelo menos quatro resíduos de leucina. Os resíduos de leucina na hélice α estão separados por seis aminoácidos. Como cada volta da hélice α contém 3,6 resíduos de aminoácidos, os radicais leucina estão localizados na superfície de cada segunda volta. Os resíduos de leucina da hélice α de uma proteína podem interagir com os resíduos de leucina de outra proteína (interações hidrofóbicas), conectando-os entre si (Fig. 1.11.). Muitas proteínas de ligação ao DNA funcionam em complexos oligoméricos onde as subunidades individuais estão ligadas umas às outras por “zíperes de leucina”.

Arroz. 1.11. "Zíper de leucina" entre regiões α-helicoidais de duas proteínas

Um exemplo dessas proteínas são as histonas. Histonas- proteínas nucleares, que contêm um grande número de aminoácidos carregados positivamente - arginina e lisina (até 80%). Moléculas de histonas são combinadas em complexos oligoméricos contendo oito monômeros usando “zíperes de leucina”, apesar da significativa carga homônima dessas moléculas.

"Dedo de zinco"- uma variante da estrutura supersecundária, característica das proteínas de ligação ao DNA, tem a forma de um fragmento alongado na superfície da proteína e contém cerca de 20 resíduos de aminoácidos (Fig. 1.12). A forma de “dedo estendido” é sustentada por um átomo de zinco ligado a quatro radicais de aminoácidos – dois resíduos de cisteína e dois resíduos de histidina. Em alguns casos, em vez de resíduos de histidina, existem resíduos de cisteína. Dois resíduos de cisteína próximos são separados dos outros dois resíduos de Gisili por uma sequência Cys que consiste em aproximadamente 12 resíduos de aminoácidos. Esta região da proteína forma uma hélice α, cujos radicais podem se ligar especificamente às regiões reguladoras do sulco principal do DNA. Especificidade de ligação individual

Arroz. 1.12. A estrutura primária da região de proteínas de ligação ao DNA que formam a estrutura do “dedo de zinco” (as letras indicam os aminoácidos que compõem esta estrutura)

A proteína reguladora de ligação ao DNA depende da sequência de resíduos de aminoácidos localizados na região do dedo de zinco. Tais estruturas contêm, em particular, receptores para hormônios esteróides envolvidos na regulação da transcrição (leitura de informações do DNA para o RNA).

TÓPICO 1.2. BÁSICOS DO FUNCIONAMENTO DAS PROTEÍNAS. DROGAS COMO LIGANTES QUE AFETAM A FUNÇÃO DA PROTEÍNA

1. O centro ativo da proteína e sua interação com o ligante. Durante a formação da estrutura terciária, forma-se uma região na superfície de uma proteína funcionalmente ativa, geralmente em um recesso, formada por radicais de aminoácidos distantes uns dos outros na estrutura primária. Essa região, que possui uma estrutura única para uma determinada proteína e é capaz de interagir especificamente com uma determinada molécula ou grupo de moléculas semelhantes, é chamada de sítio de ligação proteína-ligante ou sítio ativo. Ligantes são moléculas que interagem com proteínas.

Alta especificidade A interação da proteína com o ligante é garantida pela complementaridade da estrutura do centro ativo com a estrutura do ligante.

Complementaridade- esta é a correspondência espacial e química das superfícies em interação. O centro ativo não deve apenas corresponder espacialmente ao ligante nele incluído, mas também ligações (iônicas, de hidrogênio, bem como interações hidrofóbicas) devem ser formadas entre os grupos funcionais dos radicais incluídos no centro ativo e o ligante, que seguram o ligante no centro ativo (Fig. 1.13).

Arroz. 1.13. Interação complementar de proteína com ligante

Alguns ligantes, quando ligados ao centro ativo de uma proteína, desempenham um papel auxiliar no funcionamento das proteínas. Esses ligantes são chamados de cofatores, e as proteínas que contêm uma parte não proteica são chamadas proteínas complexas(ao contrário das proteínas simples, constituídas apenas pela parte proteica). A parte não proteica, firmemente ligada à proteína, é chamada grupo protético. Por exemplo, a mioglobina, a hemoglobina e os citocromos contêm um grupo protético, o heme, contendo um íon de ferro, firmemente ligado ao centro ativo. Proteínas complexas contendo heme são chamadas hemoproteínas.

Quando ligantes específicos são ligados às proteínas, a função dessas proteínas se manifesta. Assim, a albumina, a proteína mais importante do plasma sanguíneo, exibe sua função de transporte ligando ligantes hidrofóbicos, como ácidos graxos, bilirrubina, alguns medicamentos, etc., ao centro ativo (Fig. 1.14)

Os ligantes que interagem com a estrutura tridimensional da cadeia peptídica podem ser não apenas moléculas orgânicas e inorgânicas de baixo peso molecular, mas também macromoléculas:

DNA (exemplos com proteínas de ligação ao DNA discutidos acima);

Polissacarídeos;

Arroz. 1.14. Relação entre genótipo e fenótipo

A estrutura primária única das proteínas humanas, codificada na molécula de DNA, é realizada nas células na forma de uma conformação única, estrutura central ativa e funções proteicas

Nestes casos, a proteína reconhece uma região específica do ligante que é proporcional e complementar ao sítio de ligação. Assim, na superfície dos hepatócitos existem proteínas receptoras do hormônio insulina, que também possui estrutura proteica. A interação da insulina com o receptor provoca alteração na sua conformação e ativação de sistemas de sinalização, levando ao armazenamento de nutrientes nos hepatócitos após as refeições.

Por isso, O funcionamento das proteínas baseia-se na interação específica do centro ativo da proteína com o ligante.

2. Estrutura de domínios e seu papel no funcionamento das proteínas. Longas cadeias polipeptídicas de proteínas globulares frequentemente se dobram em várias regiões compactas e relativamente independentes. Eles têm uma estrutura terciária independente, que lembra a das proteínas globulares, e são chamados domínios. Graças à estrutura de domínio das proteínas, sua estrutura terciária é mais fácil de formar.

Nas proteínas de domínio, os sítios de ligação do ligante estão frequentemente localizados entre os domínios. Assim, a tripsina é uma enzima proteolítica produzida pela parte exócrina do pâncreas e necessária para a digestão das proteínas alimentares. Possui uma estrutura de dois domínios, e o centro de ligação da tripsina com seu ligante - a proteína alimentar - está localizado no sulco entre os dois domínios. No centro ativo, são criadas as condições necessárias para a ligação eficaz de um local específico da proteína alimentar e a hidrólise de suas ligações peptídicas.

Diferentes domínios em uma proteína podem mover-se uns em relação aos outros quando o centro ativo interage com o ligante (Fig. 1.15).

Hexoquinase- uma enzima que catalisa a fosforilação da glicose usando ATP. O sítio ativo da enzima está localizado na fenda entre os dois domínios. Quando a hexoquinase se liga à glicose, os domínios que a cercam se fecham e o substrato fica preso, onde ocorre a fosforilação (ver Fig. 1.15).

Arroz. 1.15. Ligação de domínios hexoquinase à glicose

Em algumas proteínas, os domínios desempenham funções independentes ligando-se a vários ligantes. Essas proteínas são chamadas de multifuncionais.

3. As drogas são ligantes que afetam a função das proteínas. A interação de proteínas com ligantes é específica. Porém, devido à labilidade conformacional da proteína e do seu centro ativo, é possível selecionar outra substância que também possa interagir com a proteína no centro ativo ou em outra parte da molécula.

Uma substância semelhante em estrutura a um ligante natural é chamada análogo estrutural do ligante ou um ligante não natural. Ele também interage com a proteína no sítio ativo. Um análogo estrutural de um ligante pode melhorar a função proteica (agonista), e reduzi-lo (antagonista). O ligante e seus análogos estruturais competem entre si pela ligação à proteína no mesmo local. Tais substâncias são chamadas moduladores competitivos(reguladores) das funções das proteínas. Muitos medicamentos atuam como inibidores de proteínas. Alguns deles são obtidos por modificação química de ligantes naturais. Os inibidores das funções das proteínas podem ser drogas e venenos.

A atropina é um inibidor competitivo dos receptores M-colinérgicos. A acetilcolina é um neurotransmissor para a transmissão de impulsos nervosos através de sinapses colinérgicas. Para realizar a excitação, a acetilcolina liberada na fenda sináptica deve interagir com a proteína receptora da membrana pós-sináptica. Dois tipos encontrados receptores colinérgicos:

Receptor M além da acetilcolina, interage seletivamente com a muscarina (toxina agárica de mosca). M - os receptores colinérgicos estão presentes na musculatura lisa e, ao interagirem com a acetilcolina, provocam sua contração;

receptor H ligando-se especificamente à nicotina. Os receptores N-colinérgicos são encontrados nas sinapses dos músculos estriados esqueléticos.

Inibidor específico Receptores M-colinérgicosé atropina. Pode ser encontrada em plantas de beladona e meimendro.

A atropina possui grupos funcionais semelhantes em estrutura à acetilcolina e seu arranjo espacial, portanto é um inibidor competitivo dos receptores M-colinérgicos. Considerando que a ligação da acetilcolina aos receptores colinérgicos M causa contração da musculatura lisa, a atropina é utilizada como medicamento que alivia seu espasmo (antiespasmódico). Assim, é conhecido o uso de atropina para relaxar os músculos oculares ao visualizar o fundo, bem como para aliviar espasmos durante cólicas gastrointestinais. Os receptores colinérgicos M também estão presentes no sistema nervoso central (SNC), portanto, grandes doses de atropina podem causar uma reação indesejável do sistema nervoso central: agitação motora e mental, alucinações, convulsões.

A ditilina é um agonista competitivo dos receptores H-colinérgicos, inibindo a função das sinapses neuromusculares.

As sinapses neuromusculares dos músculos esqueléticos contêm receptores H-colinérgicos. Sua interação com a acetilcolina leva a contrações musculares. Durante algumas operações cirúrgicas, bem como em estudos endoscópicos, são utilizados medicamentos que causam relaxamento dos músculos esqueléticos (relaxantes musculares). Estes incluem a ditilina, que é um análogo estrutural da acetilcolina. Ele se liga aos receptores H-colinérgicos, mas, diferentemente da acetilcolina, é destruído muito lentamente pela enzima acetilcolinesterase. Como resultado da abertura prolongada dos canais iônicos e da despolarização persistente da membrana, a condução dos impulsos nervosos é interrompida e ocorre o relaxamento muscular. Inicialmente, essas propriedades foram descobertas no veneno do curare, por isso tais medicamentos são chamados tipo curare.

TÓPICO 1.3. DESNATURAÇÃO DE PROTEÍNAS E POSSIBILIDADE DE SUA RENATIVAÇÃO ESPONTÂNEA

1. Como a conformação nativa das proteínas é mantida devido a interações fracas, mudanças na composição e propriedades do ambiente que cerca a proteína, a exposição a reagentes químicos e fatores físicos causam uma mudança em sua conformação (propriedade de labilidade conformacional). A quebra de um grande número de ligações leva à destruição da conformação nativa e à desnaturação das proteínas.

Desnaturação de proteínas- é a destruição de sua conformação nativa sob a influência de agentes desnaturantes, causada pela ruptura de ligações fracas que estabilizam a estrutura espacial da proteína. A desnaturação é acompanhada pela destruição da estrutura tridimensional única e do centro ativo da proteína e pela perda de sua atividade biológica (Fig. 1.16).

Todas as moléculas desnaturadas de uma proteína adquirem uma conformação aleatória que difere de outras moléculas da mesma proteína. Os radicais de aminoácidos que formam o centro ativo revelam-se espacialmente distantes uns dos outros, ou seja, o sítio de ligação específico da proteína com o ligante é destruído. Durante a desnaturação, a estrutura primária das proteínas permanece inalterada.

Aplicação de agentes desnaturantes em pesquisa biológica e medicina. Em estudos bioquímicos, antes de determinar compostos de baixo peso molecular em material biológico, as proteínas são geralmente primeiro removidas da solução. O ácido tricloroacético (TCA) é mais frequentemente usado para esse fim. Após a adição de TCA à solução, as proteínas desnaturadas precipitam e são facilmente removidas por filtração (Tabela 1.1.)

Na medicina, os agentes desnaturantes são frequentemente usados ​​para esterilizar instrumentos e materiais médicos em autoclaves (o agente desnaturante é de alta temperatura) e como anti-sépticos (álcool, fenol, cloramina) para tratar superfícies contaminadas contendo microflora patogênica.

2. Reativação espontânea de proteínas- prova do determinismo da estrutura primária, conformação e função das proteínas. Proteínas individuais são produtos de um gene que possuem uma sequência de aminoácidos idêntica e adquirem a mesma conformação na célula. A conclusão fundamental de que a estrutura primária de uma proteína já contém informações sobre sua conformação e função foi feita com base na capacidade de algumas proteínas (em particular, ribonuclease e mioglobina) de renativar espontaneamente - restaurar sua conformação nativa após a desnaturação.

A formação de estruturas espaciais de proteínas é realizada pelo método de automontagem - processo espontâneo em que uma cadeia polipeptídica, que possui uma estrutura primária única, tende a adotar uma conformação com menor energia livre em solução. A capacidade de renativar proteínas que retêm sua estrutura primária após a desnaturação foi descrita em um experimento com a enzima ribonuclease.

A ribonuclease é uma enzima que quebra as ligações entre nucleotídeos individuais em uma molécula de RNA. Esta proteína globular possui uma cadeia polipeptídica, cuja estrutura terciária é estabilizada por muitas ligações dissulfeto fracas e quatro.

O tratamento da ribonuclease com uréia, que quebra as ligações de hidrogênio na molécula, e um agente redutor, que quebra as ligações dissulfeto, leva à desnaturação da enzima e à perda de sua atividade.

A remoção de agentes desnaturantes por diálise leva à restauração da conformação e função da proteína, ou seja, para renascer. (Fig. 1.17).

Arroz. 1.17. Desnaturação e renativação da ribonuclease

A - conformação nativa da ribonuclease, em cuja estrutura terciária existem quatro ligações dissulfeto; B - molécula de ribonuclease desnaturada;

B - molécula de ribonuclease reativada com estrutura e função restauradas

1. Preencha a tabela 1.2.

Tabela 1.2. Classificação dos aminoácidos de acordo com a polaridade dos radicais

2. Escreva a fórmula do tetrapeptídeo:

Asp - Pro - Fen - Liz

a) destacar os grupos repetitivos no peptídeo que formam a estrutura peptídica e os grupos variáveis ​​representados pelos radicais de aminoácidos;

b) rotular os terminais N e C;

c) destacar as ligações peptídicas;

d) escrever outro peptídeo constituído pelos mesmos aminoácidos;

e) contar o número de variantes possíveis de um tetrapeptídeo com composição de aminoácidos semelhante.

3. Explique o papel da estrutura primária das proteínas usando o exemplo de uma análise comparativa de dois hormônios peptídicos estruturalmente semelhantes e evolutivamente próximos da neuro-hipófise de mamíferos - ocitocina e vasopressina (Tabela 1.3).

Tabela 1.3. Estrutura e funções da ocitocina e vasopressina

Por esta:

a) comparar a composição e sequência de aminoácidos de dois peptídeos;

b) encontrar a semelhança da estrutura primária dos dois peptídeos e a semelhança da sua ação biológica;

c) encontrar diferenças na estrutura de dois peptídeos e diferenças em suas funções;

d) tirar uma conclusão sobre a influência da estrutura primária dos peptídeos em suas funções.

4. Descrever as principais etapas da formação da conformação das proteínas globulares (estruturas secundárias, terciárias, conceito de estrutura supersecundária). Indique os tipos de ligações envolvidas na formação das estruturas proteicas. Quais radicais de aminoácidos podem participar na formação de interações hidrofóbicas, ligações iônicas e de hidrogênio.

Dar exemplos.

5. Definir o conceito de “labilidade conformacional das proteínas”, indicar as razões da sua existência e significado.

6. Amplie o significado da seguinte frase: “O funcionamento das proteínas é baseado em sua interação específica com o ligante”, utilizando os termos e explicando seu significado: conformação da proteína, centro ativo, ligante, complementaridade, função da proteína.

7. Usando um exemplo, explique o que são domínios e qual é o seu papel no funcionamento das proteínas.

TAREFAS DE AUTOCONTROLE

1. Corresponder.

Grupo funcional no radical de aminoácidos:

A. Grupo carboxila B. Grupo hidroxila C Grupo guanidina D. Grupo tiol E. Grupo amino

2. Escolha as respostas corretas.

Os aminoácidos com radicais polares sem carga são:

A. Cis B. Asn

B. Glu G. Três

3. Escolha as respostas corretas.

Radicais de aminoácidos:

A. Fornecer especificidade da estrutura primária B. Participar na formação da estrutura terciária

B. Localizados na superfície da proteína, influenciam sua solubilidade D. Formam o centro ativo

D. Participar na formação de ligações peptídicas

4. Escolha as respostas corretas.

Interações hidrofóbicas podem se formar entre radicais de aminoácidos:

A. Tre Lay B. Pro Três

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

5. Escolha as respostas corretas.

Ligações iônicas podem se formar entre radicais de aminoácidos:

A. Gln Asp B. abril Liz

B. Liz Glu G. Gis Asp D. Asn abril

6. Escolha as respostas corretas.

As ligações de hidrogênio podem se formar entre radicais de aminoácidos:

A. Sor Gln B. Cis Tre

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

7. Corresponder.

Tipo de ligação envolvida na formação da estrutura da proteína:

A. Estrutura primária B. Estrutura secundária

B. Estrutura terciária

D. Estrutura supersecundária E. Conformação.

1. Ligações de hidrogênio entre átomos da estrutura peptídica

2. Ligações fracas entre grupos funcionais de radicais de aminoácidos

3. Ligações entre grupos α-amino e α-carboxila de aminoácidos

8. Escolha as respostas corretas. Tripsina:

A. Enzima proteolítica B. Contém dois domínios

B. Hidrolisa o amido

D. O site ativo está localizado entre os domínios. D. Consiste em duas cadeias polipeptídicas.

9. Escolha as respostas corretas. Atropina:

A. Neurotransmissor

B. Análogo estrutural da acetilcolina

B. Interage com receptores H-colinérgicos

D. Fortalece a condução dos impulsos nervosos através das sinapses colinérgicas

D. Inibidor competitivo de receptores M-colinérgicos

10. Escolha as afirmações corretas. Em proteínas:

A. A estrutura primária contém informações sobre a estrutura de seu sítio ativo

B. O centro ativo é formado ao nível da estrutura primária

B. A conformação é rigidamente fixada por ligações covalentes

D. O sítio ativo pode interagir com um grupo de ligantes semelhantes

devido à labilidade conformacional das proteínas D. Mudanças no ambiente podem afetar a afinidade do ativo

centro para ligante

1. 1-B, 2-G, 3-B.

3. A, B, C, D.

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

8. A, B, C, D.

TERMOS E CONCEITOS BÁSICOS

1. Proteína, polipeptídeo, aminoácidos

2. Estruturas proteicas primárias, secundárias e terciárias

3. Conformação, conformação de proteína nativa

4. Ligações covalentes e fracas em proteínas

5. Labilidade conformacional

6. Sítio ativo da proteína

7. Ligantes

8. Dobramento de proteínas

9. Análogos estruturais de ligantes

10. Proteínas de domínio

11. Proteínas simples e complexas

12. Desnaturação de proteínas, agentes desnaturantes

13. Reativação de proteínas

Resolver problemas

“Organização estrutural das proteínas e a base do seu funcionamento”

1. A principal função da proteína - hemoglobina A (HbA) é o transporte de oxigênio aos tecidos. Na população humana, são conhecidas múltiplas formas desta proteína com propriedades e funções alteradas - as chamadas hemoglobinas anormais. Por exemplo, descobriu-se que a hemoglobina S, encontrada nos glóbulos vermelhos de pacientes com doença falciforme (HbS), tem baixa solubilidade sob condições de baixa pressão parcial de oxigênio (como é o caso do sangue venoso). Isto leva à formação de agregados desta proteína. A proteína perde sua função, precipita e os glóbulos vermelhos adquirem formato irregular (alguns deles em forma de foice) e são destruídos mais rapidamente do que o normal no baço. Como resultado, desenvolve-se anemia falciforme.

A única diferença na estrutura primária da HbA foi encontrada na região N-terminal da cadeia β da hemoglobina. Compare as regiões N-terminais da cadeia β e mostre como as mudanças na estrutura primária da proteína afetam suas propriedades e funções.

Por esta:

a) escreva as fórmulas dos aminoácidos pelas quais a HbA difere e compare as propriedades desses aminoácidos (polaridade, carga).

b) tirar uma conclusão sobre o motivo da diminuição da solubilidade e da interrupção do transporte de oxigênio para os tecidos.

2. A figura mostra um diagrama da estrutura de uma proteína que possui um centro de ligação com um ligante (centro ativo). Explique por que a proteína é seletiva na escolha do ligante. Por esta:

a) lembre-se qual é o centro ativo de uma proteína e considere a estrutura do centro ativo da proteína mostrada na figura;

b) escrever as fórmulas dos radicais de aminoácidos que compõem o centro ativo;

c) desenhar um ligante que possa interagir especificamente com o sítio ativo da proteína. Indique nele os grupos funcionais que podem formar ligações com os radicais de aminoácidos que compõem o centro ativo;

d) indicar os tipos de ligações que surgem entre o ligante e os radicais de aminoácidos do centro ativo;

e) explicar em que se baseia a especificidade da interação proteína-ligante.

3. A figura mostra o sítio ativo da proteína e vários ligantes.

Determine qual ligante tem maior probabilidade de interagir com o sítio ativo da proteína e por quê.

Que tipos de ligações surgem durante a formação de um complexo proteína-ligante?

4. Análogos estruturais de ligantes proteicos naturais podem ser usados ​​como medicamentos para modificar a atividade das proteínas.

A acetilcolina é um mediador da transmissão de excitação nas sinapses neuromusculares. Quando a acetilcolina interage com proteínas - receptores da membrana pós-sináptica dos músculos esqueléticos, os canais iônicos se abrem e ocorre a contração muscular. A ditilina é um medicamento utilizado em algumas operações para relaxar os músculos, pois interrompe a transmissão dos impulsos nervosos através das sinapses neuromusculares. Explique o mecanismo de ação da ditilina como medicamento relaxante muscular. Por esta:

a) escrever as fórmulas da acetilcolina e da ditilina e comparar suas estruturas;

b) descrever o mecanismo do efeito relaxante da ditilina.

5. Em algumas doenças, a temperatura corporal do paciente aumenta, o que é considerado uma reação protetora do organismo. No entanto, as altas temperaturas são prejudiciais às proteínas do corpo. Explique por que em temperaturas acima de 40 °C a função das proteínas é interrompida e surge uma ameaça à vida humana. Para fazer isso, lembre-se:

1) A estrutura das proteínas e as ligações que mantêm a sua estrutura na conformação nativa;

2) Como a estrutura e função das proteínas mudam com o aumento da temperatura?;

3) O que é homeostase e porque é importante para a manutenção da saúde humana.

Unidade modular 2 PROTEÍNAS OLIGOMERICK COMO ALVO DE INFLUÊNCIAS REGULATÓRIAS. DIVERSIDADE ESTRUTURAL E FUNCIONAL DAS PROTEÍNAS. MÉTODOS DE SEPARAÇÃO E PURIFICAÇÃO DE PROTEÍNAS

Objetivos de aprendizagem Ser capaz de:

1. Utilizar o conhecimento sobre as características da estrutura e funções das proteínas oligoméricas para compreender os mecanismos adaptativos de regulação das suas funções.

2. Explicar o papel das chaperonas na síntese e manutenção da conformação proteica em condições celulares.

3. Explique a variedade de manifestações da vida pela variedade de estruturas e funções das proteínas sintetizadas no corpo.

4. Analisar a relação entre a estrutura das proteínas e sua função utilizando exemplos de comparação de hemoproteínas relacionadas - mioglobina e hemoglobina, bem como representantes das cinco classes de proteínas da família das imunoglobulinas.

5. Aplicar conhecimentos sobre as peculiaridades das propriedades físicas e químicas das proteínas para selecionar métodos para a sua purificação de outras proteínas e impurezas.

6. Interpretar os resultados da composição quantitativa e qualitativa das proteínas do plasma sanguíneo para confirmar ou esclarecer o diagnóstico clínico.

Saber:

1. Características da estrutura das proteínas oligoméricas e mecanismos adaptativos para regular suas funções usando o exemplo da hemoglobina.

2. A estrutura e funções das chaperonas e a sua importância na manutenção da conformação nativa das proteínas em condições celulares.

3. Princípios de combinação de proteínas em famílias com base na semelhança de sua conformação e funções usando o exemplo das imunoglobulinas.

4. Métodos de separação de proteínas com base nas características das suas propriedades físico-químicas.

5. Eletroforese de plasma sanguíneo como método de avaliação da composição qualitativa e quantitativa de proteínas.

TÓPICO 1.4. CARACTERÍSTICAS DA ESTRUTURA E FUNCIONAMENTO DAS PROTEÍNAS OLIGOMÉRICAS USANDO O EXEMPLO DA HEMOGLOBINA

1. Muitas proteínas contêm várias cadeias polipeptídicas. Tais proteínas são chamadas oligomérico, e cadeias individuais - protômeros. Os protômeros em proteínas oligoméricas são conectados por muitas ligações não covalentes fracas (hidrofóbicas, iônicas, de hidrogênio). Interação

protômeros são realizados graças a complementaridade suas superfícies de contato.

O número de protômeros em proteínas oligoméricas pode variar muito: a hemoglobina contém 4 protômeros, a enzima aspartato aminotransferase possui 12 protômeros e a proteína do vírus do mosaico do tabaco contém 2.120 protômeros conectados por ligações não covalentes. Consequentemente, as proteínas oligoméricas podem ter pesos moleculares muito elevados.

A interação de um protômero com outros pode ser considerada um caso especial de interação proteína-ligante, uma vez que cada protômero serve como ligante para outros protômeros. O número e o método de união de protômeros em uma proteína são chamados estrutura quaternária da proteína.

As proteínas podem conter protômeros de estruturas iguais ou diferentes, por exemplo, homodímeros são proteínas que contêm dois protômeros idênticos e heterodímeros são proteínas que contêm dois protômeros diferentes.

Se as proteínas contiverem protômeros diferentes, então centros de ligação com diferentes ligantes que diferem em estrutura podem ser formados nelas. Quando um ligante se liga ao sítio ativo, a função dessa proteína se manifesta. Um centro localizado em um protômero diferente é denominado alostérico (diferente do ativo). Contato ligante ou efetor alostérico, desempenha uma função reguladora (Fig. 1.18). A interação do centro alostérico com o efetor causa mudanças conformacionais na estrutura de toda a proteína oligomérica devido à sua labilidade conformacional. Isso afeta a afinidade do sítio ativo para um ligante específico e regula a função dessa proteína. Uma mudança na conformação e função de todos os protômeros durante a interação de uma proteína oligomérica com pelo menos um ligante é chamada de mudanças conformacionais cooperativas. Os efetores que melhoram a função das proteínas são chamados ativadores, e efetores que inibem sua função - inibidores.

Assim, as proteínas oligoméricas, assim como as proteínas com estrutura de domínio, possuem uma nova propriedade em comparação com as proteínas monoméricas - a capacidade de regular funções alostericamente (regulação pela ligação de diferentes ligantes à proteína). Isto pode ser visto comparando as estruturas e funções de duas proteínas complexas intimamente relacionadas, a mioglobina e a hemoglobina.

Arroz. 1.18. Esquema da estrutura de uma proteína dimérica

2. Formação de estruturas espaciais e funcionamento da mioglobina.

A mioglobina (Mb) é uma proteína encontrada nos músculos vermelhos, cuja principal função é criar as reservas de O 2 necessárias ao trabalho muscular intenso. Mb é uma proteína complexa que contém uma parte proteica - apoMb e uma parte não proteica - heme. A estrutura primária da apoMB determina sua conformação globular compacta e a estrutura do centro ativo, ao qual está ligada a parte não proteica da mioglobina, o heme. O oxigênio que vem do sangue para os músculos liga-se ao Fe+ 2 hemes na mioglobina. Mb é uma proteína monomérica que possui altíssima afinidade pelo O 2, portanto a liberação de oxigênio pela mioglobina ocorre apenas durante o trabalho muscular intenso, quando a pressão parcial do O 2 diminui drasticamente.

Formação da conformação Mv. Nos músculos vermelhos, nos ribossomos durante a tradução, é sintetizada a estrutura primária do MB, representada por uma sequência específica de 153 resíduos de aminoácidos. A estrutura secundária de Mb contém oito hélices α, chamadas em letras latinas de A a H, entre as quais existem regiões não helicoidais. A estrutura terciária de Mb tem a forma de um glóbulo compacto, em cujo recesso o centro ativo está localizado entre as hélices α F e E (Fig. 1.19).

Arroz. 1.19. Estrutura da mioglobina

3. Características da estrutura e funcionamento do centro ativo do MV. O centro ativo do Mb é formado predominantemente por radicais de aminoácidos hidrofóbicos, amplamente espaçados entre si na estrutura primária (por exemplo, Tri 3 9 e Fen 138) Ligantes pouco solúveis em água - heme e O 2 - ligam-se ao centro ativo. Heme é um ligante específico de apoMB (Fig. 1.20), cuja base é composta por quatro anéis pirrol conectados por pontes metenil; no centro há um átomo de Fe+ 2 conectado aos átomos de nitrogênio dos anéis pirrólicos por quatro ligações de coordenação. No centro ativo do Mb, além dos radicais de aminoácidos hidrofóbicos, também existem resíduos de dois aminoácidos com radicais hidrofílicos - Gis E 7(Gis 64) e SIG F 8(Seu 93) (Fig. 1.21).

Arroz. 1.20. A estrutura do heme - a parte não proteica da mioglobina e da hemoglobina

Arroz. 1.21. Localização do heme e do O2 no sítio ativo da apomioglobina e dos protômeros da hemoglobina

Heme está covalentemente ligado a His F8 através de um átomo de ferro. O 2 se liga ao ferro do outro lado do plano do heme. Seu E 7 é necessário para a correta orientação do O 2 e facilita a adição de oxigênio ao Fe + 2 heme

SIG F 8 forma uma ligação de coordenação com Fe+ 2 e fixa firmemente o heme no centro ativo. Gis E 7 necessário para a correta orientação no centro ativo de outro ligante - O 2 durante sua interação com Fe + 2 heme. O microambiente do heme cria condições para uma ligação forte, mas reversível, do O 2 ao Fe + 2 e evita que a água entre no sítio ativo hidrofóbico, o que pode levar à sua oxidação em Fe + 3.

A estrutura monomérica do Mb e seu centro ativo determinam a alta afinidade da proteína pelo O 2.

4. Estrutura oligomérica da Hb e regulação da afinidade da Hb pelos ligantes O 2. Hemoglobinas humanas- uma família de proteínas, como a mioglobina, relacionadas a proteínas complexas (hemoproteínas). Eles têm uma estrutura tetramérica e contêm duas cadeias α, mas diferem na estrutura das outras duas cadeias polipeptídicas (cadeias 2α, 2x). A estrutura da segunda cadeia polipeptídica determina as peculiaridades de funcionamento dessas formas de Hb. Cerca de 98% da hemoglobina nos glóbulos vermelhos de um adulto é hemoglobina A(cadeias 2α-, 2p).

Durante o desenvolvimento fetal, dois tipos principais de hemoglobinas funcionam: Hb embrionária(2α, 2ε), que é encontrado nos estágios iniciais do desenvolvimento fetal, e hemoglobina F (fetal)- (2α, 2γ), que substitui a hemoglobina fetal precoce no sexto mês de desenvolvimento intrauterino e somente após o nascimento é substituída pela Hb A.

HB A é uma proteína relacionada à mioglobina (MB) encontrada em glóbulos vermelhos humanos adultos. A estrutura de seus protômeros individuais é semelhante à da mioglobina. As estruturas secundárias e terciárias da mioglobina e dos protômeros da hemoglobina são muito semelhantes, apesar do fato de que na estrutura primária de suas cadeias polipeptídicas apenas 24 resíduos de aminoácidos são idênticos (a estrutura secundária dos protômeros da hemoglobina, como a mioglobina, contém oito hélices α, designado por letras latinas de A a H, e a estrutura terciária tem a forma de um glóbulo compacto). Mas, diferentemente da mioglobina, a hemoglobina tem uma estrutura oligomérica, que consiste em quatro cadeias polipeptídicas conectadas por ligações não covalentes (Figura 1.22).

Cada protômero de Hb está associado a uma parte não proteica - heme e protômeros vizinhos. A ligação da parte proteica da Hb com o heme é semelhante à da mioglobina: no centro ativo da proteína, as partes hidrofóbicas do heme são circundadas por radicais de aminoácidos hidrofóbicos, com exceção de His F 8 e His E 7, que estão localizados em ambos os lados do plano heme e desempenham um papel semelhante no funcionamento da proteína e na sua ligação ao oxigênio (ver estrutura da mioglobina).

Arroz. 1.22. Estrutura oligomérica da hemoglobina

Além do mais, Gis E 7 desempenha um importante função adicional no funcionamento do Nv. O heme livre tem afinidade 25.000 vezes maior pelo CO do que pelo O2. O CO é formado em pequenas quantidades no corpo e, dada a sua elevada afinidade pelo heme, pode perturbar o transporte de O 2 necessário à vida celular. Porém, na composição da hemoglobina, a afinidade do heme pelo monóxido de carbono excede a afinidade pelo O 2 em apenas 200 vezes devido à presença de His E 7 no centro ativo. O restante deste aminoácido cria condições ideais para a ligação do heme ao O 2 e enfraquece a interação do heme com o CO.

5. A principal função do HB é o transporte de O2 dos pulmões para os tecidos. Ao contrário da mioglobina monomérica, que tem altíssima afinidade pelo O2 e desempenha a função de armazenar oxigênio nos músculos vermelhos, a estrutura oligomérica da hemoglobina fornece:

1) rápida saturação do HB com oxigênio nos pulmões;

2) a capacidade do HB de liberar oxigênio nos tecidos a uma pressão parcial de O 2 relativamente alta (20-40 mm Hg);

3) a possibilidade de regular a afinidade da Hb pelo O 2.

6. Mudanças cooperativas na conformação dos protômeros da hemoglobina aceleram a ligação do O 2 nos pulmões e sua liberação nos tecidos. Nos pulmões, a alta pressão parcial do O 2 promove sua ligação à Hb no sítio ativo de quatro protômeros (2α e 2β). O centro ativo de cada protômero, como na mioglobina, está localizado entre duas hélices α (F e E) em uma bolsa hidrofóbica. Ele contém uma parte não proteica - heme, ligada à parte proteica por muitas interações hidrofóbicas fracas e uma ligação forte entre Fe 2 + heme e His F 8 (ver Fig. 1.21).

Na desoxihemoglobina, devido a esta ligação com His F 8, o átomo Fe 2 + se projeta do plano heme em direção à histidina. A ligação do O 2 ao Fe 2 + ocorre do outro lado do heme na região His E 7 usando uma única ligação de coordenação livre. Seu E 7 fornece condições ideais para a ligação do O 2 ao ferro heme.

A adição de O 2 ao átomo Fe + 2 de um protômero causa seu movimento para o plano heme, seguido pelo resíduo de histidina associado a ele

Arroz. 1.23. Mudança na conformação do protômero da hemoglobina quando combinado com O 2

Isto leva a uma mudança na conformação de todas as cadeias polipeptídicas devido à sua labilidade conformacional. A alteração da conformação de outras cadeias facilita sua interação com moléculas subsequentes de O 2.

A quarta molécula de O 2 se liga à hemoglobina 300 vezes mais fácil que a primeira (Fig. 1.24).

Arroz. 1.24. Mudanças cooperativas na conformação dos protômeros da hemoglobina durante sua interação com o O2

Nos tecidos, cada molécula subsequente de O 2 é clivada mais facilmente do que a anterior, também devido a mudanças cooperativas na conformação dos protômeros.

7. CO 2 e H+, formados durante o catabolismo de substâncias orgânicas, reduzem a afinidade da hemoglobina pelo O 2 na proporção de sua concentração. A energia necessária para o funcionamento celular é produzida principalmente nas mitocôndrias durante a oxidação de substâncias orgânicas usando O 2 fornecido pelos pulmões pela hemoglobina. Como resultado da oxidação das substâncias orgânicas, formam-se os produtos finais da sua decomposição: CO 2 e K 2 O, cuja quantidade é proporcional à intensidade dos processos de oxidação em curso.

O CO 2 se difunde das células para o sangue e penetra nas hemácias, onde, sob a ação da enzima carbanidrase, é convertido em ácido carbônico. Este ácido fraco se dissocia em um próton e um íon bicarbonato.

H+ são capazes de unir seus radicais 14 6 nas cadeias α e β da hemoglobina, ou seja, em áreas distantes do heme. A protonação da hemoglobina reduz sua afinidade pelo O 2, promove a remoção do O 2 do oxiHb, a formação de desoxiHb e aumenta o fornecimento de oxigênio aos tecidos em proporção ao número de prótons formados (Fig. 1.25).

Um aumento na quantidade de oxigênio liberado dependendo do aumento na concentração de H+ nos glóbulos vermelhos é chamado de efeito Bohr (em homenagem ao fisiologista dinamarquês Christian Bohr, que descobriu esse efeito).

Nos pulmões, uma alta pressão parcial de oxigênio promove sua ligação à desoxiHb, o que reduz a afinidade da proteína pelo H +. Os prótons liberados sob a ação do ácido carbônico reagem com bicarbonatos para formar CO 2 e H 2 O

Arroz. 1,25. Dependência da afinidade da Hb pelo O 2 da concentração de CO 2 e prótons (efeito Bohr):

A- influência da concentração de CO 2 e H+ na liberação de O 2 do complexo com HB (efeito Bohr); B- oxigenação da desoxihemoglobina nos pulmões, formação e liberação de CO 2.

O CO 2 resultante entra no espaço alveolar e é removido com o ar exalado. Assim, a quantidade de oxigênio liberada pela hemoglobina nos tecidos é regulada pelos produtos do catabolismo das substâncias orgânicas: quanto mais intensa a degradação das substâncias, por exemplo, durante o exercício físico, maior será a concentração de CO 2 e H + e mais oxigênio os tecidos recebem como resultado da diminuição da afinidade da Hb pelo O 2.

8. Regulação alostérica da afinidade da Hb pelo O2 pelo ligante - 2,3-bifosfoglicerato. Nos eritrócitos, o ligante alostérico da hemoglobina, 2,3-bifosfoglicerato (2,3-BPG), é sintetizado a partir do produto da oxidação da glicose - 1,3-bifosfoglicerato. Em condições normais, a concentração de 2,3-BPG é elevada e comparável à concentração de Hb. O 2,3-BPG tem uma forte carga negativa de -5.

O bifosfoglicerato nos capilares dos tecidos, ligando-se à desoxihemoglobina, aumenta a liberação de oxigênio nos tecidos, reduzindo a afinidade da Hb pelo O 2.

No centro da molécula de hemoglobina tetramérica há uma cavidade. É formado por resíduos de aminoácidos de todos os quatro protômeros (ver Fig. 1.22). Nos capilares dos tecidos, a protonação da Hb (efeito Bohr) leva à ruptura da ligação entre o ferro heme e o O2. Em uma molécula

desoxihemoglobina, em comparação com a oxihemoglobina, aparecem ligações iônicas adicionais que conectam os protômeros, como resultado das quais as dimensões da cavidade central aumentam em comparação com a oxiemoglobina. A cavidade central é o local de ligação do 2,3-BPG à hemoglobina. Devido à diferença no tamanho da cavidade central, o 2,3-BPG só pode se ligar à desoxihemoglobina.

O 2,3-BPG interage com a hemoglobina em um local remoto dos centros ativos da proteína e pertence a alostérico ligantes (reguladores), e a cavidade central da Hb é centro alostérico. O 2,3-BPG tem uma carga negativa forte e interage com cinco grupos carregados positivamente das duas cadeias β da Hb: o grupo α-amino N-terminal de Val e os radicais Lys 82 His 143 (Fig. 1.26).

Arroz. 1.26. BPG na cavidade central da desoxihemoglobina

O BPG liga-se a três grupos carregados positivamente em cada cadeia β.

Nos capilares dos tecidos, a desoxihemoglobina resultante interage com o 2,3-BPG e ligações iônicas são formadas entre os radicais carregados positivamente das cadeias β e o ligante carregado negativamente, que alteram a conformação da proteína e reduzem a afinidade da Hb pelo O2 . Uma diminuição na afinidade da Hb pelo O 2 contribui para uma liberação mais eficiente de O 2 no tecido.

Nos pulmões, em alta pressão parcial, o oxigênio interage com a Hb, unindo-se ao ferro heme; neste caso, a conformação da proteína muda, a cavidade central diminui e o 2,3-BPG é deslocado do centro alostérico

Assim, as proteínas oligoméricas possuem novas propriedades em comparação com as proteínas monoméricas. Fixação de ligantes em sites

espacialmente distantes uns dos outros (alostéricos), podem causar alterações conformacionais em toda a molécula da proteína. Devido à interação com ligantes reguladores, ocorre uma mudança na conformação e adaptação da função da molécula proteica às mudanças ambientais.

TÓPICO 1.5. MANUTENÇÃO DA CONFORMAÇÃO NATIVA DE PROTEÍNAS SOB CONDIÇÕES CELULARES

Nas células, durante a síntese das cadeias polipeptídicas, ocorre o seu transporte através das membranas para as partes correspondentes da célula, durante o processo de dobramento (formação da conformação nativa) e durante a montagem das proteínas oligoméricas, bem como durante o seu funcionamento, intermediário , conformações instáveis ​​e propensas à agregação surgem na estrutura da proteína. Os radicais hidrofóbicos, geralmente escondidos dentro da molécula de proteína na conformação nativa, aparecem na superfície em uma conformação instável e tendem a se combinar com grupos de outras proteínas pouco solúveis em água. Nas células de todos os organismos conhecidos, foram encontradas proteínas especiais que garantem o dobramento ideal das proteínas celulares, estabilizam sua conformação nativa durante o funcionamento e, o mais importante, mantêm a estrutura e as funções das proteínas intracelulares em caso de distúrbios na homeostase. Essas proteínas são chamadas "acompanhantes" que significa “babá” em francês.

1. Chaperonas moleculares e seu papel na prevenção da desnaturação proteica.

As acompanhantes (CH) são classificadas de acordo com a massa de suas subunidades. Acompanhantes de alto peso molecular têm massa de 60 a 110 kDa. Dentre elas, três classes têm sido mais estudadas: Sh-60, Sh-70 e Sh-90. Cada classe inclui uma família de proteínas relacionadas. Assim, Sh-70 contém proteínas com peso molecular de 66 a 78 kDa. As chaperonas de baixo peso molecular têm um peso molecular de 40 a 15 kDa.

Entre os acompanhantes estão constitutivo proteínas, cuja alta síntese basal não depende dos efeitos do estresse nas células do corpo, e induzível, cuja síntese em condições normais é fraca, mas aumenta acentuadamente sob estresse. As chaperonas induzíveis também são chamadas de “proteínas de choque térmico” porque foram descobertas pela primeira vez em células expostas a altas temperaturas. Nas células, devido à alta concentração de proteínas, é difícil a reativação espontânea de proteínas parcialmente desnaturadas. Sh-70 pode prevenir o início da desnaturação e ajudar a restaurar a conformação nativa das proteínas. Acompanhantes moleculares-70- uma classe altamente conservada de proteínas encontradas em todas as partes da célula: citoplasma, núcleo, retículo endoplasmático, mitocôndrias. Na extremidade carboxila da cadeia polipeptídica única Sh-70 existe uma região que é um sulco capaz de interagir com peptídeos de comprimento

de 7 a 9 resíduos de aminoácidos enriquecidos com radicais hidrofóbicos. Essas regiões nas proteínas globulares ocorrem aproximadamente a cada 16 aminoácidos. Sh-70 é capaz de proteger proteínas da inativação térmica e restaurar a conformação e atividade de proteínas parcialmente desnaturadas.

2. O papel das chaperonas no enovelamento de proteínas. Durante a síntese protéica no ribossomo, a região N-terminal do polipeptídeo é sintetizada antes da região C-terminal. Para formar a conformação nativa, é necessária a sequência completa de aminoácidos da proteína. No processo de síntese protéica, as chaperonas-70, devido à estrutura de seu centro ativo, são capazes de fechar áreas do polipeptídeo propensas à agregação, enriquecidas em radicais de aminoácidos hidrofóbicos até que a síntese seja completada (Figura 1.27, A ).

Arroz. 1.27. Participação de acompanhantes no enovelamento de proteínas

A - participação das chaperonas-70 na prevenção de interações hidrofóbicas entre seções do polipeptídeo sintetizado; B - formação da conformação nativa da proteína no complexo acompanhante

Muitas proteínas de alto peso molecular que possuem uma conformação complexa, como uma estrutura de domínio, dobram-se em um espaço especial formado por Sh-60. Sh-60 funcionam como um complexo oligomérico que consiste em 14 subunidades. Eles formam dois anéis ocos, cada um dos quais consiste em sete subunidades, esses anéis estão conectados entre si. Cada subunidade Sh-60 consiste em três domínios: apical (apical), enriquecido com radicais hidrofóbicos voltados para a cavidade do anel, intermediário e equatorial (Fig. 1.28).

Arroz. 1.28. Estrutura do complexo chaperonina composto por 14 Ш-60

A - vista lateral; B - vista superior

Proteínas sintetizadas, que possuem elementos na superfície característicos de moléculas desdobradas, em particular radicais hidrofóbicos, entram na cavidade dos anéis acompanhantes. No ambiente específico dessas cavidades, são pesquisadas possíveis conformações até que seja encontrada a única que seja energeticamente mais favorável (Fig. 1.27, B). A formação de conformações e liberação de proteínas é acompanhada pela hidrólise de ATP na região equatorial. Normalmente, essa dobragem dependente de acompanhante requer uma quantidade significativa de energia.

Além de participarem da formação da estrutura tridimensional das proteínas e da renativação de proteínas parcialmente desnaturadas, as chaperonas também são necessárias para a ocorrência de processos fundamentais como a montagem de proteínas oligoméricas, reconhecimento e transporte de proteínas desnaturadas para os lisossomos, transporte de proteínas através de membranas e participação na regulação da atividade de complexos proteicos.

TÓPICO 1.6. VARIEDADE DE PROTEÍNAS. FAMÍLIAS DE PROTEÍNAS: EXEMPLO DE IMUNOGLOBULINAS

1. As proteínas desempenham um papel decisivo na vida das células individuais e de todo o organismo multicelular, e suas funções são surpreendentemente diversas. Isto é determinado pelas características da estrutura primária e conformações das proteínas, pela estrutura única do centro ativo e pela capacidade de ligar ligantes específicos.

Apenas uma fração muito pequena de todas as variantes possíveis de cadeias peptídicas pode adotar uma estrutura espacial estável; maioria

deles podem assumir muitas conformações com aproximadamente a mesma energia de Gibbs, mas com propriedades diferentes. A estrutura primária da maioria das proteínas conhecidas selecionadas pela evolução biológica garante uma estabilidade excepcional de uma das conformações, o que determina as características de funcionamento desta proteína.

2. Famílias de proteínas. Dentro da mesma espécie biológica, as substituições de resíduos de aminoácidos podem levar ao surgimento de diferentes proteínas que desempenham funções relacionadas e possuem sequências de aminoácidos homólogas. Essas proteínas relacionadas têm conformações surpreendentemente semelhantes: o número e a posição relativa das hélices α e/ou estruturas β, a maioria das voltas e curvaturas das cadeias polipeptídicas são semelhantes ou idênticas. Proteínas com regiões homólogas da cadeia polipeptídica, conformação semelhante e funções relacionadas são classificadas em famílias de proteínas. Exemplos de famílias de proteínas: serina proteinases, família das imunoglobulinas, família das mioglobinas.

Serina proteinases- uma família de proteínas que desempenham a função de enzimas proteolíticas. Estes incluem enzimas digestivas - quimotripsina, tripsina, elastase e muitos fatores de coagulação sanguínea. Essas proteínas possuem aminoácidos idênticos em 40% de suas posições e uma conformação muito semelhante (Fig. 1.29).

Arroz. 1.29. Estruturas espaciais de elastase (A) e quimotripsina (B)

Algumas substituições de aminoácidos levaram a mudanças na especificidade do substrato dessas proteínas e ao surgimento de diversidade funcional dentro da família.

3. Família das imunoglobulinas. No funcionamento do sistema imunológico, as proteínas da superfamília das imunoglobulinas desempenham um papel importante, que inclui três famílias de proteínas:

Anticorpos (imunoglobulinas);

Receptores de linfócitos T;

Proteínas do complexo principal de histocompatibilidade - MHC classes 1 e 2 (Complexo Principal de Histocompatibilidade).

Todas essas proteínas têm uma estrutura de domínio, consistem em domínios homólogos semelhantes ao sistema imunológico e desempenham funções semelhantes: interagem com estruturas estranhas, sejam dissolvidas no sangue, linfa ou fluido intercelular (anticorpos), ou localizadas na superfície das células (próprias ou estrangeiro).

4. Anticorpos- proteínas específicas produzidas pelos linfócitos B em resposta à entrada de uma estrutura estranha no corpo, chamadas antígeno.

Características da estrutura dos anticorpos

As moléculas de anticorpos mais simples consistem em quatro cadeias polipeptídicas: duas leves idênticas - L, contendo cerca de 220 aminoácidos, e duas pesadas idênticas - H, compostas por 440-700 aminoácidos. Todas as quatro cadeias da molécula do anticorpo estão conectadas por muitas ligações não covalentes e quatro ligações dissulfeto (Fig. 1.30).

As cadeias leves de anticorpos consistem em dois domínios: um domínio variável (VL), localizado na região N-terminal da cadeia polipeptídica, e um domínio constante (CL), localizado no terminal C. As cadeias pesadas geralmente têm quatro domínios: um variável (VH), localizado no terminal N, e três domínios constantes (CH1, CH2, CH3) (ver Figura 1.30). Cada domínio de imunoglobulina possui uma superestrutura de folha β na qual dois resíduos de cisteína estão ligados por uma ligação dissulfeto.

Entre os dois domínios constantes CH1 e CH2 existe uma região contendo um grande número de resíduos de prolina, que impedem a formação de uma estrutura secundária e a interação de cadeias H vizinhas neste segmento. Esta região de dobradiça confere flexibilidade à molécula do anticorpo. Entre os domínios variáveis ​​das cadeias pesada e leve existem dois sítios idênticos de ligação ao antígeno (sítios ativos para ligação aos antígenos), portanto, tais anticorpos são frequentemente chamados bivalentes. Nem toda a sequência de aminoácidos das regiões variáveis ​​de ambas as cadeias está envolvida na ligação do antígeno ao anticorpo, mas apenas 20-30 aminoácidos localizados nas regiões hipervariáveis ​​de cada cadeia. São estas regiões que determinam a capacidade única de cada tipo de anticorpo interagir com o antígeno complementar correspondente.

Os anticorpos são uma das linhas de defesa do corpo contra organismos estranhos invasores. Seu funcionamento pode ser dividido em duas etapas: a primeira etapa é o reconhecimento e ligação do antígeno na superfície de organismos estranhos, o que é possível devido à presença de sítios de ligação ao antígeno na estrutura do anticorpo; a segunda etapa é o início do processo de inativação e destruição do antígeno. A especificidade do segundo estágio depende da classe de anticorpos. Existem cinco classes de cadeias pesadas que diferem entre si na estrutura de domínios constantes: α, δ, ε, γ e μ, segundo as quais se distinguem cinco classes de imunoglobulinas: A, D, E, G e M.

As características estruturais das cadeias pesadas dão às regiões de dobradiça e às regiões C-terminais das cadeias pesadas uma conformação característica de cada classe. Depois que o antígeno se liga a um anticorpo, mudanças conformacionais nos domínios constantes determinam o caminho para a remoção do antígeno.

Arroz. 1. 30. Estrutura de domínio de IgG

Imunoglobulinas M

As imunoglobulinas M têm duas formas.

Forma monomérica- 1ª classe de anticorpos produzidos pelos linfócitos B em desenvolvimento. Posteriormente, muitas células B passam a produzir outras classes de anticorpos, mas com o mesmo local de ligação ao antígeno. A IgM está incorporada na membrana e atua como um receptor de reconhecimento de antígeno. A integração da IgM na membrana celular é possível devido à presença de 25 resíduos de aminoácidos hidrofóbicos na cauda da região.

Forma secretora de IgM contém cinco subunidades monoméricas ligadas entre si por ligações dissulfeto e uma cadeia J polipeptídica adicional (Fig. 1.31). As cadeias pesadas de monômeros desta forma não contêm cauda hidrofóbica. O pentâmero possui 10 locais de ligação ao antígeno e, portanto, é eficaz no reconhecimento e remoção do antígeno que entra primeiro no corpo. A forma secretora de IgM é a principal classe de anticorpos secretados no sangue durante a resposta imune primária. A ligação da IgM a um antígeno altera a conformação da IgM e induz sua ligação ao primeiro componente proteico do sistema complemento (o sistema complemento é um conjunto de proteínas envolvidas na destruição do antígeno) e ativação deste sistema. Se o antígeno estiver localizado na superfície de um microrganismo, o sistema complemento causa a ruptura da integridade da membrana celular e a morte da célula bacteriana.

Imunoglobulinas G

Quantitativamente, esta classe de imunoglobulinas predomina no sangue (75% de todas as Igs). IgG - monômeros, a principal classe de anticorpos secretados no sangue durante uma resposta imune secundária. Após a interação da IgG com os antígenos de superfície dos microrganismos, o complexo antígeno-anticorpo é capaz de se ligar e ativar proteínas do sistema complemento ou pode interagir com receptores específicos de macrófagos e neutrófilos. A interação com fagócitos leva

Arroz. 1.31. Estrutura da forma secretora de IgM

à absorção de complexos antígeno-anticorpo e sua destruição nos fagossomas celulares. IgG é a única classe de anticorpos capaz de penetrar a barreira placentária e fornecer proteção intrauterina ao feto contra infecções.

Imunoglobulinas A

A principal classe de anticorpos presentes nas secreções (leite, saliva, secreções do trato respiratório e do trato intestinal). A IgA é secretada principalmente na forma dimérica, onde os monômeros estão ligados entre si por meio de uma cadeia J adicional (Fig. 1.32).

A IgA não interage com o sistema complemento e com as células fagocíticas, mas ao se ligar aos microrganismos, os anticorpos impedem a sua ligação às células epiteliais e a penetração no corpo.

Imunoglobulinas E

As imunoglobulinas E são representadas por monômeros nos quais as cadeias ε pesadas contêm, como as cadeias μ das imunoglobulinas M, um domínio variável e quatro domínios constantes. Após a secreção, a IgE liga-se ao seu

Arroz. 1.32. Estrutura da IgA

Regiões C-terminais com receptores correspondentes na superfície de mastócitos e basófilos. Como resultado, tornam-se receptores de antígenos na superfície dessas células (Fig. 1.33).

Arroz. 1.33. Interação de IgE com antígeno na superfície de um mastócito

Depois que o antígeno se liga aos locais de ligação ao antígeno correspondentes da IgE, as células recebem um sinal para secretar substâncias biologicamente ativas (histamina, serotonina), que são em grande parte responsáveis ​​pelo desenvolvimento da reação inflamatória e pela manifestação de reações alérgicas, como asma, urticária, febre dos fenos.

Imunoglobulinas D

As imunoglobulinas D são encontradas em quantidades muito pequenas no soro; Cadeias δ ​​pesadas têm um domínio variável e três domínios constantes. As IgDs atuam como receptores para linfócitos B; outras funções ainda são desconhecidas. A interação de antígenos específicos com receptores na superfície dos linfócitos B (IgD) leva à transmissão desses sinais para o interior da célula e à ativação de mecanismos que garantem a proliferação de um determinado clone de linfócitos.

TÓPICO 1.7. PROPRIEDADES FÍSICAS E QUÍMICAS DAS PROTEÍNAS E MÉTODOS PARA SUA SEPARAÇÃO

1. As proteínas individuais diferem em propriedades físicas e químicas:

Forma das moléculas;

Peso molecular;

A carga total, cujo valor depende da proporção de grupos aniônicos e catiônicos de aminoácidos;

A proporção de radicais de aminoácidos polares e não polares na superfície das moléculas;

Graus de resistência a vários agentes desnaturantes.

2. A solubilidade da proteína depende nas propriedades das proteínas listadas acima, bem como na composição do meio em que a proteína está dissolvida (valores de pH, composição salina, temperatura, presença de outras substâncias orgânicas que podem interagir com a proteína). A quantidade de carga das moléculas de proteína é um dos fatores que afetam sua solubilidade. Quando a carga no ponto isoelétrico é perdida, as proteínas agregam-se e precipitam mais facilmente. Isto é especialmente típico para proteínas desnaturadas, nas quais radicais de aminoácidos hidrofóbicos aparecem na superfície.

Na superfície de uma molécula de proteína existem radicais de aminoácidos carregados positiva e negativamente. O número desses grupos e, portanto, a carga total das proteínas, depende do pH do meio, ou seja, relação das concentrações dos grupos H+ - e OH -. Em um ambiente ácido Um aumento na concentração de H+ leva à supressão da dissociação dos grupos carboxila -COO - + H+ > - COOH e à diminuição da carga negativa das proteínas. Em ambiente alcalino, a ligação do excesso de OH - pelos prótons formados durante a dissociação dos grupos amino -NH 3 + + OH - - NH 2 + H 2 O com formação de água, leva à diminuição da carga positiva das proteínas . O valor de pH no qual uma proteína tem carga líquida zero é chamado ponto isoelétrico (IEP). No IET, o número de grupos com carga positiva e negativa é o mesmo, ou seja, a proteína está em um estado isoelétrico.

3. Separação de proteínas individuais. As características da estrutura e funcionamento do corpo dependem do conjunto de proteínas nele sintetizadas. Estudar a estrutura e as propriedades das proteínas é impossível sem isolá-las da célula e purificá-las de outras proteínas e moléculas orgânicas. Estágios de isolamento e purificação de proteínas individuais:

Destruição celular o tecido que está sendo estudado e obtendo um homogeneizado.

Separação do homogeneizado em frações por centrifugação, obtendo-se uma fração nuclear, mitocondrial, citosólica ou outra contendo a proteína desejada.

Desnaturação térmica seletiva- aquecimento de curto prazo de uma solução proteica, durante o qual algumas das impurezas proteicas desnaturadas podem ser removidas (se a proteína for relativamente estável ao calor).

Salgando. Diferentes proteínas precipitam em diferentes concentrações de sal em solução. Aumentando gradativamente a concentração de sal, é possível obter uma série de frações separadas com teor predominante de proteína isolada em uma delas. O sulfato de amônio é mais frequentemente usado para fracionamento de proteínas. Proteínas com menor solubilidade precipitam em baixas concentrações de sal.

Filtração em gel- um método de peneirar moléculas através de grânulos inchados de Sephadex (cadeias tridimensionais de polissacarídeos de dextrano com poros). A velocidade com que as proteínas passam através de uma coluna cheia de Sephadex dependerá do seu peso molecular: quanto menor a massa das moléculas de proteína, mais facilmente elas penetram nos grânulos e permanecem lá por mais tempo. Quanto maior a massa, mais rapidamente elas eluem do; coluna.

Ultracentrifugação- um método que envolve a colocação de proteínas em um tubo de centrífuga no rotor de uma ultracentrífuga. Quando o rotor gira, a taxa de sedimentação das proteínas é proporcional ao seu peso molecular: as frações das proteínas mais pesadas ficam localizadas mais próximas do fundo do tubo de ensaio, as mais leves - mais próximas da superfície.

Eletroforese- um método baseado nas diferenças na velocidade de movimento das proteínas em um campo elétrico. Este valor é proporcional à carga das proteínas. A eletroforese de proteínas é realizada em papel (neste caso, a velocidade de movimentação das proteínas é proporcional apenas à sua carga) ou em gel de poliacrilamida com determinado tamanho de poro (a velocidade de movimentação das proteínas é proporcional à sua carga e peso molecular) .

Cromatografia de troca iônica- um método de fracionamento baseado na ligação de grupos ionizados de proteínas com grupos de resinas de troca iônica com carga oposta (materiais poliméricos insolúveis). A força de ligação da proteína à resina é proporcional à carga da proteína. As proteínas adsorvidas ao polímero de troca iônica podem ser eliminadas com concentrações crescentes de soluções de NaCl; quanto menor a carga da proteína, menor a concentração de NaCl necessária para remover a proteína ligada aos grupos iônicos da resina.

Cromatografia de afinidade- o método mais específico para isolar proteínas individuais. Um ligante de uma proteína é ligado covalentemente a um polímero inerte. Quando uma solução proteica passa por uma coluna com um polímero, apenas a proteína específica para um determinado ligante é adsorvida na coluna devido à ligação complementar da proteína ao ligante.

Diálise- um método utilizado para remover compostos de baixo peso molecular de uma solução de proteína isolada. O método baseia-se na incapacidade das proteínas de passar através de uma membrana semipermeável, ao contrário das substâncias de baixo peso molecular. É usado para purificar proteínas de impurezas de baixo peso molecular, por exemplo, sais após salga.

TAREFAS PARA TRABALHOS EXTRACURRICULARES

1. Preencha a tabela. 1.4.

Tabela 1.4. Análise comparativa da estrutura e funções de proteínas relacionadas - mioglobina e hemoglobina

a) lembre-se da estrutura do centro ativo de Mb e Hb. Qual o papel dos radicais de aminoácidos hidrofóbicos na formação dos centros ativos dessas proteínas? Descreva a estrutura do centro ativo de Mb e Hb e os mecanismos de ligação de ligantes a ele. Qual o papel dos resíduos His F 8 e His E 7 no funcionamento do centro ativo de Mv iHv?

b) quais novas propriedades em comparação com a mioglobina monomérica tem a proteína oligomérica intimamente relacionada, a hemoglobina? Explique o papel das mudanças cooperativas na conformação dos protômeros na molécula de hemoglobina, o efeito das concentrações de CO 2 e prótons na afinidade da hemoglobina pelo oxigênio, bem como o papel do 2,3-BPG na regulação alostérica da função da Hb .

2. Caracterizar acompanhantes moleculares, prestando atenção à relação entre sua estrutura e função.

3. Quais proteínas são agrupadas em famílias? Usando o exemplo da família das imunoglobulinas, identifique características estruturais semelhantes e funções relacionadas das proteínas desta família.

4. Proteínas individuais purificadas são frequentemente necessárias para fins bioquímicos e medicinais. Explicar em que propriedades físico-químicas das proteínas se baseiam os métodos utilizados para a sua separação e purificação.

TAREFAS DE AUTOCONTROLE

1. Escolha as respostas corretas.

Funções da hemoglobina:

A. Transporte de O 2 dos pulmões para os tecidos B. Transporte de H + dos tecidos para os pulmões

B. Manutenção de um pH sanguíneo constante D. Transporte de CO 2 dos pulmões para os tecidos

D. Transporte de CO 2 dos tecidos para os pulmões

2. Escolha as respostas corretas. Ligandoα -protômero Hb é: A. Heme

B. Oxigênio

B. CO G. 2,3-BPG

D. β-Protômero

3. Escolha as respostas corretas.

Hemoglobina em oposição à mioglobina:

A. Tem uma estrutura quaternária

B. A estrutura secundária é representada apenas por hélices α

B. Pertence a proteínas complexas

D. Interage com um ligante alostérico D. Ligado covalentemente ao heme

4. Escolha as respostas corretas.

A afinidade da Hb pelo O2 diminui:

A. Quando uma molécula de O 2 é adicionada B. Quando uma molécula de O 2 é removida

B. Ao interagir com 2,3-BPG

D. Quando ligado aos protômeros H + D. Quando a concentração de 2,3-BPG diminui

5. Corresponder.

Os tipos HB são caracterizados por:

A. Na forma desoxi forma agregados fibrilares B. Contém duas cadeias α e duas cadeias δ

B. A forma predominante de Hb em eritrócitos adultos D. Contém heme com Fe+ 3 no centro ativo

D. Contém duas cadeias α e duas γ 1. HbA 2.

6. Corresponder.

Ligantes de Hb:

A. Liga-se à Hb no centro alostérico

B. Tem uma afinidade muito alta pelo sítio ativo da Hb

B. Ao se juntar, aumenta a afinidade da Hb pelo O 2 G. Oxida Fe+ 2 a Fe+ 3

D. Forma uma ligação covalente com hisF8

7. Escolha as respostas corretas.

Acompanhantes:

A. Proteínas presentes em todas as partes da célula

B. A síntese aumenta sob estresse

B. Participar na hidrólise de proteínas desnaturadas

D. Participar na manutenção da conformação nativa das proteínas

D. Eles criam organelas nas quais se forma a conformação das proteínas.

8. Combine. Imunoglobulinas:

A. A forma secretora é pentamérica.

B. Classe Ig que penetra a barreira placentária

B. Ig - receptor de mastócitos

D. A principal classe de Ig presente nas secreções das células epiteliais. D. Receptor de linfócitos B, cuja ativação garante a proliferação celular

9. Escolha as respostas corretas.

Imunoglobulinas E:

A. Produzidos por macrófagos B. Eles possuem cadeias ε pesadas.

B. Incorporado na membrana dos linfócitos T

D. Atuam como receptores de antígenos de membrana em mastócitos e basófilos

D. Responsável por reações alérgicas

10. Escolha as respostas corretas.

O método de separação de proteínas é baseado nas diferenças de peso molecular:

A. Filtração em gel

B. Ultracentrifugação

B. Eletroforese em gel de poliacrilamida D. Cromatografia de troca iônica

D. Cromatografia de afinidade

11. Escolha a resposta correta.

O método de separação de proteínas é baseado nas diferenças na sua solubilidade em água:

A. Filtração em gel B. Salga

B. Cromatografia de troca iônica D. Cromatografia de afinidade

D. Eletroforese em gel de poliacrilamida

PADRÕES DE RESPOSTAS PARA “TAREFAS DE AUTOCONTROLE”

1. A, B, C, D

2. A, B, C, D

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

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

7. A, B, D, D

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

TERMOS E CONCEITOS BÁSICOS

1. Proteínas oligoméricas, protômero, estrutura quaternária de proteínas

2. Mudanças cooperativas na conformação do protômero

3. Efeito Bohr

4. Regulação alostérica das funções proteicas, centro alostérico e efetor alostérico

5. Acompanhantes moleculares, proteínas de choque térmico

6. Famílias de proteínas (serina proteases, imunoglobulinas)

7. Relação IgM-, G-, E-, A-estrutura-função

8. Carga total de proteínas, ponto isoelétrico de proteínas

9. Eletroforese

10. Salgando

11. Filtração em gel

12. Cromatografia de troca iônica

13. Ultracentrifugação

14. Cromatografia de afinidade

15. Eletroforese de proteínas do plasma sanguíneo

TAREFAS PARA TRABALHO EM SALA DE AULA

1. Compare as dependências dos graus de saturação da hemoglobina (Hb) e da mioglobina (Mb) com o oxigênio em sua pressão parcial nos tecidos

Arroz. 1,34. Dependência da saturação Mv eNHoxigênio de sua pressão parcial

Observe que o formato das curvas de saturação de oxigênio protéico é diferente: para a mioglobina - uma hipérbole, para a hemoglobina - uma forma sigmóide.

1. compare os valores da pressão parcial de oxigênio na qual Mb e Hb estão saturados de O 2 em 50%. Qual dessas proteínas tem maior afinidade pelo O 2?

2. Quais características estruturais do Mb determinam sua alta afinidade pelo O 2?

3. Quais características estruturais do HB permitem liberar O2 nos capilares dos tecidos em repouso (a uma pressão parcial de O2 relativamente alta) e aumentar drasticamente essa liberação nos músculos em atividade? Que propriedade das proteínas oligoméricas proporciona esse efeito?

4. Calcule que quantidade de O 2 (em%) de hemoglobina oxigenada fornece aos músculos em repouso e em atividade?

5. tirar conclusões sobre a relação entre a estrutura de uma proteína e a sua função.

2. A quantidade de oxigênio liberada pela hemoglobina nos capilares depende da intensidade dos processos catabólicos nos tecidos (efeito Bohr). Como as mudanças no metabolismo tecidual regulam a afinidade da Hb pelo O2? Efeito do CO 2 e H+ na afinidade da Hb pelo O 2

1. descreva o efeito Bohr.

2. em que direção ocorre o processo mostrado no diagrama:

a) nos capilares dos pulmões;

b) nos capilares dos tecidos?

3. Qual é o significado fisiológico do efeito Bohr?

4. Por que a interação da Hb com o H+ em locais distantes do heme altera a afinidade da proteína pelo O 2?

3. A afinidade da Hb pelo O2 depende da concentração de seu ligante - 2,3-bifosfoglicerato, que é um regulador alostérico da afinidade da Hb pelo O2. Por que a interação do ligante em um sítio distante do sítio ativo afeta a função da proteína? Como o 2,3-BPG regula a afinidade da Hb pelo O2? Para resolver o problema, responda às seguintes perguntas:

1. onde e de que é sintetizado o 2,3-bifosfoglicerato (2,3-BPG)? Escreva sua fórmula, indique a carga desta molécula.

2. Com qual forma de hemoglobina (oxi ou desoxi) o BPG interage e por quê? Em que parte da molécula de Hb ocorre a interação?

3. em que direção ocorre o processo mostrado no diagrama?

a) nos capilares dos tecidos;

b) nos capilares dos pulmões?

4. onde a concentração do complexo deveria ser maior

Nv-2,3-BFG:

a) nos capilares dos músculos em repouso,

b) nos capilares dos músculos em atividade (desde que a mesma concentração de BPG nos eritrócitos)?

5. Como mudará a afinidade do HB pelo oxigênio quando uma pessoa se adaptar às condições de grande altitude, se a concentração de BPG nos eritrócitos aumentar? Qual é o significado fisiológico deste fenômeno?

4. A destruição do 2,3-BPG durante o armazenamento do sangue preservado prejudica as funções do HB. Como mudará a afinidade do HB pelo O 2 no sangue preservado se a concentração de 2,3-BPG nos eritrócitos puder diminuir de 8 para 0,5 mmol/l. É possível transfundir esse sangue para pacientes gravemente enfermos se a concentração de 2,3-BPG for restaurada não antes de três dias? É possível restaurar as funções dos glóbulos vermelhos adicionando 2,3-BPG ao sangue?

5. Lembre-se da estrutura das moléculas de imunoglobulina mais simples. Qual o papel das imunoglobulinas no sistema imunológico? Por que os Igs são frequentemente chamados de bivalentes? Como a estrutura das Igs se relaciona com sua função? (Descreva usando um exemplo de uma classe de imunoglobulinas.)

Propriedades físico-químicas das proteínas e métodos para a sua separação.

6. Como a carga líquida de uma proteína afeta sua solubilidade?

a) determinar a carga total do peptídeo em pH 7

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

b) como a carga deste peptídeo mudará em pH> 7, pH<7, рН <<7?

c) qual é o ponto isoelétrico de uma proteína (IEP) e em que ambiente ela se encontra?

IET deste peptídeo?

d) em que valor de pH será observada a menor solubilidade deste peptídeo.

7. Por que o leite azedo, ao contrário do leite fresco, “coalha” quando fervido (isto é, a proteína do leite, caseína, precipita)? No leite fresco, as moléculas de caseína têm carga negativa.

8. A filtração em gel é usada para separar proteínas individuais. Uma mistura contendo proteínas A, B, C com pesos moleculares iguais a 160.000, 80.000 e 60.000, respectivamente, foi analisada por filtração em gel (Fig. 1.35). Os grânulos de gel inchados são permeáveis ​​a proteínas com peso molecular inferior a 70.000. Qual princípio está subjacente a este método de separação? Qual gráfico reflete corretamente os resultados do fracionamento? Indique a ordem em que as proteínas A, B e C são liberadas da coluna.

Arroz. 1,35. Usando Filtração em Gel para Separação de Proteínas

9. Na Fig. 1.36, A mostra um diagrama de eletroforese em papel de proteínas do soro sanguíneo de uma pessoa saudável. As quantidades relativas de frações proteicas obtidas por este método são: albuminas 54-58%, α 1 -globulinas 6-7%, α 2 -globulinas 8-9%, β-globulinas 13%, γ-globulinas 11-12%.

Arroz. 1.36 Eletroforese em papel de proteínas do plasma sanguíneo de uma pessoa saudável (A) e de um paciente (B)

I - γ-globulinas; II - β-globulinas; III -α 2 -globulina; 4 -α 2 -globulina; V - albuminas

Muitas doenças são acompanhadas por alterações quantitativas na composição das proteínas séricas (disproteinemia). A natureza dessas alterações é levada em consideração no diagnóstico e na avaliação da gravidade e do estágio da doença.

Usando os dados fornecidos na tabela. 1.5, adivinhe a doença, que se caracteriza pelo perfil eletroforético apresentado na Fig. 1,36.

Tabela 1.5. Mudanças na concentração de proteínas séricas na patologia

Esquilos- compostos orgânicos de alto peso molecular constituídos por resíduos de α-aminoácidos.

EM composição proteica inclui carbono, hidrogênio, nitrogênio, oxigênio, enxofre. Algumas proteínas formam complexos com outras moléculas contendo fósforo, ferro, zinco e cobre.

As proteínas têm um grande peso molecular: albumina do ovo - 36.000, hemoglobina - 152.000, miosina - 500.000. Para comparação: o peso molecular do álcool é 46, ácido acético - 60, benzeno - 78.

Composição de aminoácidos de proteínas

Esquilos- polímeros não periódicos, cujos monômeros são α-aminoácidos. Normalmente, 20 tipos de α-aminoácidos são chamados de monômeros proteicos, embora mais de 170 deles sejam encontrados em células e tecidos.

Dependendo se os aminoácidos podem ser sintetizados no corpo humano e de outros animais, eles são diferenciados: aminoácidos não essenciais- pode ser sintetizado; Aminoácidos essenciais- não pode ser sintetizado. Os aminoácidos essenciais devem ser fornecidos ao corpo através dos alimentos. As plantas sintetizam todos os tipos de aminoácidos.

Dependendo da composição de aminoácidos, proteínas são: completas- contém todo o conjunto de aminoácidos; defeituoso- faltam alguns aminoácidos em sua composição. Se as proteínas consistem apenas em aminoácidos, elas são chamadas simples. Se as proteínas contêm, além dos aminoácidos, um componente não aminoácido (grupo protético), elas são chamadas complexo. O grupo protético pode ser representado por metais (metaloproteínas), carboidratos (glicoproteínas), lipídios (lipoproteínas), ácidos nucléicos (nucleoproteínas).

Todos aminoácidos contêm: 1) grupo carboxila (-COOH), 2) grupo amino (-NH 2), 3) radical ou grupo R (o resto da molécula). A estrutura do radical é diferente para diferentes tipos de aminoácidos. Dependendo do número de grupos amino e grupos carboxila incluídos na composição dos aminoácidos, eles são diferenciados: aminoácidos neutros tendo um grupo carboxila e um grupo amino; aminoácidos básicos tendo mais de um grupo amino; aminoácidos ácidos tendo mais de um grupo carboxila.

Os aminoácidos são compostos anfotéricos, pois em solução podem atuar tanto como ácidos quanto como bases. Em soluções aquosas, os aminoácidos existem em diferentes formas iônicas.

Ligação peptídica

Peptídeos- substâncias orgânicas constituídas por resíduos de aminoácidos ligados por ligações peptídicas.

A formação de peptídeos ocorre como resultado da reação de condensação de aminoácidos. Quando o grupo amino de um aminoácido interage com o grupo carboxila de outro, ocorre uma ligação covalente nitrogênio-carbono entre eles, que é chamada peptídeo. Dependendo do número de resíduos de aminoácidos incluídos no peptídeo, existem dipeptídeos, tripéptidos, tetrapeptídeos etc. A formação de uma ligação peptídica pode ser repetida muitas vezes. Isto leva à formação polipeptídeos. Em uma extremidade do peptídeo existe um grupo amino livre (chamado de terminal N) e na outra extremidade há um grupo carboxila livre (chamado de terminal C).

Organização espacial de moléculas de proteínas

O desempenho de determinadas funções específicas pelas proteínas depende da configuração espacial de suas moléculas, além disso, é energeticamente desfavorável para a célula manter as proteínas na forma desdobrada, em forma de cadeia, portanto as cadeias polipeptídicas sofrem enovelamento, adquirindo uma forma desdobrada; certa estrutura tridimensional ou conformação. Existem 4 níveis organização espacial de proteínas.

Estrutura primária da proteína- a sequência de disposição dos resíduos de aminoácidos na cadeia polipeptídica que constitui a molécula de proteína. A ligação entre aminoácidos é uma ligação peptídica.

Se uma molécula de proteína consiste em apenas 10 resíduos de aminoácidos, então o número de variantes teoricamente possíveis de moléculas de proteína que diferem na ordem de alternância de aminoácidos é 10 20. Tendo 20 aminoácidos, você pode fazer combinações ainda mais diversas com eles. Cerca de dez mil proteínas diferentes foram encontradas no corpo humano, que diferem entre si e das proteínas de outros organismos.

É a estrutura primária da molécula de proteína que determina as propriedades das moléculas de proteína e sua configuração espacial. A substituição de apenas um aminoácido por outro em uma cadeia polipeptídica leva a uma alteração nas propriedades e funções da proteína. Por exemplo, a substituição do sexto aminoácido glutâmico por valina na subunidade β da hemoglobina leva ao fato de que a molécula de hemoglobina como um todo não consegue cumprir sua função principal - transporte de oxigênio; Nesses casos, a pessoa desenvolve uma doença chamada anemia falciforme.

Estrutura secundária- dobramento ordenado da cadeia polipeptídica em uma espiral (parece uma mola estendida). As voltas da hélice são reforçadas por ligações de hidrogênio que surgem entre grupos carboxila e grupos amino. Quase todos os grupos CO e NH participam da formação de ligações de hidrogênio. Eles são mais fracos que os peptídicos, mas, repetidos muitas vezes, conferem estabilidade e rigidez a essa configuração. Ao nível da estrutura secundária, encontram-se as proteínas: fibroína (seda, teia de aranha), queratina (cabelos, unhas), colagénio (tendões).

Estrutura terciária- empacotamento de cadeias polipeptídicas em glóbulos, resultante da formação de ligações químicas (hidrogênio, iônica, dissulfeto) e do estabelecimento de interações hidrofóbicas entre os radicais dos resíduos de aminoácidos. O papel principal na formação da estrutura terciária é desempenhado pelas interações hidrofílicas-hidrofóbicas. Em soluções aquosas, os radicais hidrofóbicos tendem a se esconder da água, agrupando-se dentro do glóbulo, enquanto os radicais hidrofílicos, como resultado da hidratação (interação com dipolos de água), tendem a aparecer na superfície da molécula. Em algumas proteínas, a estrutura terciária é estabilizada por ligações covalentes dissulfeto formadas entre os átomos de enxofre de dois resíduos de cisteína. No nível da estrutura terciária existem enzimas, anticorpos e alguns hormônios.

Estrutura quaternária característica de proteínas complexas cujas moléculas são formadas por dois ou mais glóbulos. As subunidades são mantidas na molécula por interações iônicas, hidrofóbicas e eletrostáticas. Às vezes, durante a formação de uma estrutura quaternária, ocorrem ligações dissulfeto entre as subunidades. A proteína com estrutura quaternária mais estudada é hemoglobina. É formado por duas subunidades α (141 resíduos de aminoácidos) e duas subunidades β (146 resíduos de aminoácidos). Associada a cada subunidade está uma molécula heme contendo ferro.

Se por algum motivo a conformação espacial das proteínas se desviar do normal, a proteína não poderá desempenhar suas funções. Por exemplo, a causa da “doença da vaca louca” (encefalopatia espongiforme) é a conformação anormal dos príons, as proteínas de superfície das células nervosas.

Propriedades das proteínas

A composição de aminoácidos e a estrutura da molécula de proteína determinam isso propriedades. As proteínas combinam propriedades básicas e ácidas, determinadas pelos radicais de aminoácidos: quanto mais aminoácidos ácidos houver em uma proteína, mais pronunciadas serão suas propriedades ácidas. A capacidade de doar e adicionar H + é determinada propriedades tampão de proteínas; Um dos tampões mais poderosos é a hemoglobina nos glóbulos vermelhos, que mantém o pH do sangue num nível constante. Existem proteínas solúveis (fibrinogênio) e existem proteínas insolúveis que desempenham funções mecânicas (fibroína, queratina, colágeno). Existem proteínas que são quimicamente ativas (enzimas), existem proteínas quimicamente inativas que são resistentes a diversas condições ambientais e aquelas que são extremamente instáveis.

Fatores externos (calor, radiação ultravioleta, metais pesados ​​e seus sais, alterações de pH, radiação, desidratação)

pode causar perturbação da organização estrutural da molécula de proteína. O processo de perda da conformação tridimensional inerente a uma determinada molécula de proteína é denominado desnaturação. A causa da desnaturação é a quebra de ligações que estabilizam uma determinada estrutura proteica. Inicialmente, os laços mais fracos são rompidos e, à medida que as condições se tornam mais rigorosas, os laços ainda mais fortes são rompidos. Portanto, primeiro se perdem as estruturas quaternárias, depois as terciárias e secundárias. Uma mudança na configuração espacial leva a uma mudança nas propriedades da proteína e, como resultado, torna impossível que a proteína desempenhe as suas funções biológicas inerentes. Se a desnaturação não for acompanhada pela destruição da estrutura primária, então pode ser reversível, neste caso ocorre a autorrecuperação da conformação característica da proteína. Por exemplo, as proteínas receptoras de membrana sofrem tal desnaturação. O processo de restauração da estrutura da proteína após a desnaturação é denominado renaturação. Se a restauração da configuração espacial da proteína for impossível, então a desnaturação é chamada irreversível.

Funções das proteínas

Função	Exemplos e explicações
Construção	As proteínas estão envolvidas na formação de estruturas celulares e extracelulares: fazem parte das membranas celulares (lipoproteínas, glicoproteínas), cabelos (queratina), tendões (colágeno), etc.
Transporte	A proteína hemoglobina do sangue liga oxigênio e o transporta dos pulmões para todos os tecidos e órgãos, e deles transfere dióxido de carbono para os pulmões; A composição das membranas celulares inclui proteínas especiais que garantem a transferência ativa e estritamente seletiva de certas substâncias e íons da célula para o ambiente externo e vice-versa.
Regulatório	Os hormônios proteicos participam da regulação dos processos metabólicos. Por exemplo, o hormônio insulina regula os níveis de glicose no sangue, promove a síntese de glicogênio e aumenta a formação de gorduras a partir de carboidratos.
Protetor	Em resposta à penetração de proteínas ou microrganismos estranhos (antígenos) no corpo, são formadas proteínas especiais - anticorpos que podem ligá-los e neutralizá-los. A fibrina, formada a partir do fibrinogênio, ajuda a estancar o sangramento.
Motor	As proteínas contráteis actina e miosina proporcionam contração muscular em animais multicelulares.
Sinal	Construídas na membrana superficial da célula estão moléculas de proteína que são capazes de alterar sua estrutura terciária em resposta a fatores ambientais, recebendo assim sinais do ambiente externo e transmitindo comandos para a célula.
Armazenar	No corpo dos animais, as proteínas, via de regra, não são armazenadas, com exceção da albumina do ovo e da caseína do leite. Mas graças às proteínas, algumas substâncias podem ser armazenadas no corpo, por exemplo, durante a quebra da hemoglobina, o ferro não é removido do corpo, mas é armazenado, formando um complexo com a proteína ferritina;
Energia	Quando 1 g de proteína se decompõe em produtos finais, 17,6 kJ são liberados. Primeiro, as proteínas se decompõem em aminoácidos e depois nos produtos finais - água, dióxido de carbono e amônia. No entanto, as proteínas são utilizadas como fonte de energia apenas quando outras fontes (carboidratos e gorduras) se esgotam.
Catalítico	Uma das funções mais importantes das proteínas. Fornecido por proteínas - enzimas que aceleram as reações bioquímicas que ocorrem nas células. Por exemplo, a ribulose bifosfato carboxilase catalisa a fixação de CO 2 durante a fotossíntese.

Enzimas

Enzimas, ou enzimas, são uma classe especial de proteínas que são catalisadores biológicos. Graças às enzimas, as reações bioquímicas ocorrem a uma velocidade tremenda. A velocidade das reações enzimáticas é dezenas de milhares de vezes (e às vezes milhões) maior que a velocidade das reações que ocorrem com a participação de catalisadores inorgânicos. A substância sobre a qual a enzima atua é chamada substrato.

As enzimas são proteínas globulares, características estruturais as enzimas podem ser divididas em dois grupos: simples e complexas. Enzimas simples são proteínas simples, ou seja, consistem apenas em aminoácidos. Enzimas complexas são proteínas complexas, ou seja, Além da parte proteica, contêm um grupo de natureza não proteica - cofator. Algumas enzimas usam vitaminas como cofatores. A molécula da enzima contém uma parte especial chamada centro ativo. Centro ativo- uma pequena seção da enzima (de três a doze resíduos de aminoácidos), onde ocorre a ligação do substrato ou substratos para formar um complexo enzima-substrato. Após a conclusão da reação, o complexo enzima-substrato se decompõe na enzima e no(s) produto(s) da reação. Algumas enzimas possuem (exceto as ativas) centros alostéricos- áreas às quais os reguladores de velocidade das enzimas estão ligados ( enzimas alostéricas).

As reações de catálise enzimática são caracterizadas por: 1) alta eficiência, 2) seletividade e direção de ação rigorosas, 3) especificidade do substrato, 4) regulação fina e precisa. A especificidade do substrato e da reação das reações de catálise enzimática são explicadas pelas hipóteses de E. Fischer (1890) e D. Koshland (1959).

E. Fisher (hipótese da fechadura) sugeriram que as configurações espaciais do centro ativo da enzima e do substrato devem corresponder exatamente entre si. O substrato é comparado à “chave”, a enzima à “fechadura”.

D. Koshland (hipótese da luva) sugeriram que a correspondência espacial entre a estrutura do substrato e o centro ativo da enzima é criada apenas no momento de sua interação entre si. Essa hipótese também é chamada hipótese de correspondência induzida.

A taxa de reações enzimáticas depende de: 1) temperatura, 2) concentração da enzima, 3) concentração do substrato, 4) pH. Deve-se enfatizar que, como as enzimas são proteínas, a sua atividade é mais elevada em condições fisiologicamente normais.

A maioria das enzimas só pode funcionar em temperaturas entre 0 e 40°C. Dentro destes limites, a taxa de reação aumenta aproximadamente 2 vezes a cada aumento de 10 °C na temperatura. Em temperaturas acima de 40 °C, a proteína sofre desnaturação e a atividade enzimática diminui. Em temperaturas próximas ao congelamento, as enzimas são inativadas.

À medida que a quantidade de substrato aumenta, a taxa da reação enzimática aumenta até que o número de moléculas de substrato seja igual ao número de moléculas de enzima. Com um aumento adicional na quantidade de substrato, a velocidade não aumentará, pois os centros ativos da enzima ficam saturados. Um aumento na concentração da enzima leva ao aumento da atividade catalítica, uma vez que um maior número de moléculas de substrato sofre transformações por unidade de tempo.

Para cada enzima existe um valor de pH ideal no qual ela exibe atividade máxima (pepsina - 2,0, amilase salivar - 6,8, lipase pancreática - 9,0). Em valores de pH mais altos ou mais baixos, a atividade enzimática diminui. Com mudanças repentinas no pH, a enzima desnatura.

A velocidade das enzimas alostéricas é regulada por substâncias que se ligam aos centros alostéricos. Se essas substâncias aceleram uma reação, elas são chamadas ativadores, se eles desacelerarem - inibidores.

Classificação de enzimas

De acordo com o tipo de transformações químicas que catalisam, as enzimas são divididas em 6 classes:

1. oxiredutases(transferência de átomos de hidrogênio, oxigênio ou elétrons de uma substância para outra - desidrogenase),
2. transferases(transferência de grupo metil, acil, fosfato ou amino de uma substância para outra - transaminase),
3. hidrolases(reações de hidrólise nas quais dois produtos são formados a partir do substrato - amilase, lipase),
4. liases(adição não hidrolítica ao substrato ou separação de um grupo de átomos dele, caso em que as ligações CC, C-N, C-O, C-S podem ser quebradas - descarboxilase),
5. isomerases(rearranjo intramolecular - isomerase),
6. ligases(a ligação de duas moléculas como resultado da formação de ligações C-C, C-N, C-O, C-S - sintetase).

As classes, por sua vez, são subdivididas em subclasses e subsubclasses. Na classificação internacional atual, cada enzima possui um código específico, composto por quatro números separados por pontos. O primeiro número é a classe, o segundo é a subclasse, o terceiro é a subsubclasse, o quarto é o número de série da enzima nesta subclasse, por exemplo, o código da arginase é 3.5.3.1.

Vá para palestras nº 2“Estrutura e funções dos carboidratos e lipídios”

Vá para palestras nº 4"Estrutura e funções dos ácidos nucléicos ATP"

Proteínas (proteínas) são compostos poliméricos de alto peso molecular de natureza peptídica (poli-heteroaminoácidos).

A estrutura primária das proteínas é a sequência de resíduos de aminoácidos alternados na cadeia polipeptídica (PPC).

A estrutura primária das proteínas é covalente estrutura, uma vez que é baseada em peptídeo conexão entre grupos a-amino e a-carboxila de aminoácidos. Como resultado, as cadeias polipeptídicas não são ramificadas.

O esqueleto (espinha dorsal, esqueleto) de uma cadeia polipeptídica consiste em elementos estruturais repetidos regularmente

A cadeia polipeptídica tem vetorialidade, a direção da cadeia é do terminal N (início da cadeia) ao terminal C (final da cadeia), o terminal N é o final no qual o grupo a-amino livre está localizado. O terminal C é a extremidade que contém o grupo a-carboxila livre. A sequência de aminoácidos das proteínas é designada a partir do terminal N, usando nomes de aminoácidos abreviados de três letras, por exemplo: gly-ala-cis-pro. Também pode ser usada uma designação de uma letra para resíduos de aminoácidos em uma proteína.

Os terminais N e C das proteínas podem ser modificados. O grupo amino no terminal N pode ser acetilado, formilado ou metilado. Em várias proteínas, o resíduo N-terminal é um carbonato de pirrolidona (piroglutamato), que não contém um grupo amino livre. O terminal C pode ser amidado. As modificações do terminal C são mais raras em comparação com as modificações do terminal N.

O coeficiente de policondensação de proteínas varia na faixa de 50 a 2.500. Normalmente, uma proteína contém 100-300 resíduos de aminoácidos. Como o peso molecular médio de um único resíduo de aminoácido é de cerca de 110 Da, o peso molecular das proteínas varia de 6.000 a milhões de Da.

Cada proteína individual possui uma estrutura primária única. A primeira proteína cuja estrutura primária foi estabelecida foi a insulina. Sanger conseguiu fazer isso. Sua estratégia foi a seguinte. Ele primeiro separou as duas cadeias polipeptídicas e depois realizou sua clivagem enzimática específica em pequenos peptídeos contendo sequências sobrepostas. Os resíduos N-terminais foram então identificados utilizando 1-fluoro-2,4-dinitrobenzeno. Além disso, ele determinou a composição de aminoácidos dos peptídeos e acabou conseguindo determinar sua estrutura comparando as sequências de peptídeos sobrepostos. Em termos gerais, a estratégia de Sanger manteve o seu significado até hoje. No entanto, outras abordagens também foram propostas. Edman desenvolveu um método para um procedimento automático para clivagem sequencial e identificação de resíduos de aminoácidos N-terminais. A análise de difração de raios X pode ser usada para decifrar a estrutura primária. A sequência de resíduos de aminoácidos pode ser determinada a partir da sequência de nucleotídeos do RNA mensageiro.

Atualmente, a estrutura primária de mais de 2.000 proteínas foi estabelecida. Teoricamente, o número de diferentes variantes da estrutura primária das proteínas é ilimitado. Mesmo para um polipeptídeo de 20 aminoácidos diferentes, o número de sequências possíveis é 20´10 18 . Na natureza viva, apenas uma pequena fração de sequências possíveis é realizada, cujo número total em todos os tipos de organismos vivos é estimado em 10 10 -10 12.

A estrutura primária das proteínas é determinada geneticamente, ou seja, a sequência de aminoácidos em uma proteína é determinada pela sequência de nucleotídeos em ADN. Distorções na sequência de nucleotídeos do DNA levam ao surgimento de proteínas anormais com propriedades biológicas alteradas, o que é a causa da patologia molecular. Em particular, a anemia falciforme é causada por uma mutação pontual no gene que controla a cadeia b da hemoglobina. A consequência disso é a substituição do resíduo de glutamato na 6ª posição da cadeia b por valina. Essa substituição resulta na perda de uma carga negativa em cada uma das duas cadeias b, o que leva a uma alteração na conformação da hemoglobina e à perda de sua função biológica.

Proteínas homólogas são proteínas que desempenham as mesmas funções em espécies diferentes. Um exemplo é a hemoglobina: em todos os vertebrados ela desempenha a mesma função relacionada ao transporte de oxigênio. As proteínas homólogas são caracterizadas pela presença dos mesmos aminoácidos em muitas posições. Acontece que o número de resíduos de aminoácidos nos quais as proteínas homólogas diferem é proporcional à diferença filogenética entre essas espécies. Por exemplo, as moléculas de citocromo C de cavalo e levedura diferem em 48 resíduos de aminoácidos, enquanto as mesmas moléculas de frango e pato diferem em apenas 2 resíduos. Quanto aos citocromos C de frango e peru, eles possuem sequências de aminoácidos idênticas. Informações sobre o número de diferenças nas sequências de aminoácidos de proteínas homólogas de diferentes espécies são usadas para construir mapas evolutivos que refletem os sucessivos estágios de surgimento e desenvolvimento de várias espécies de animais e plantas no processo de evolução.

Aula 3. Estrutura proteica

Definição:

As proteínas são polímeros irregulares cujos monômeros são eu- aminoácidos.

Aminoácidos

Existem duas formas de estereoisômeros na natureza: eu (canhoto) e D (dextrógiro). Além do mais eu -aminoácidos que compõem as proteínas estão presentes no corpo D -aminoácidos que não estão incluídos nas proteínas.

A fórmula geral de um aminoácido é mostrada na figura.

É verdade para 19 dos 20 aminoácidos encontrados nas proteínas. Além desses 19 aminoácidos, as proteínas contêm um iminoácido - prolina

Todos os aminoácidos contêm α -grupo amino. Daí o nome – “α-aminoácidos”. Na prolina – α- imino grupo.

Classificação dos aminoácidos que compõem as proteínas de acordo com o princípio da polaridade (não polaridade) do radical.

1. Radicais não polares ou hidrofóbicos.

Alifático - alanina, valina, leucina, isoleucina. Contendo enxofre metionina Aromático - fenilalanina, triptofano. Iminoácido prolina

2. Radicais polares, mas sem carga. Glicina.

Hidroxiaminoácidos - serina, treonina, tirosina. Contendo um grupo sulfidrila cisteína. Contendo um grupo amida: asparagina, glutamina.

3. Radicais com carga negativa. Ácido aspártico, ácido glutâmico.

4. Radicais carregados positivamente. Lisina, arginina, histidina.

Estrutura primária da proteína

Definição:

A estrutura primária de uma proteína é a sequência de resíduos de aminoácidos na cadeia polipeptídica.

Os aminoácidos são unidos para formar um polipeptídeo usando ligações covalentes (amida).

Um tripéptido composto por três aminoácidos diferentes tem 3 possíveis! = 6 estruturas primárias diferentes.

Um oligopeptídeo constituído por vinte aminoácidos diferentes possui uma diversidade de estruturas primárias de 20!, o que significa 2x10 18.

A diversidade de estruturas primárias de uma proteína de tamanho médio (aproximadamente 500 aminoácidos) já é de cerca de 20.500 variantes (se todos os aminoácidos forem apresentados em proporções equimolares).

SobreNão existiram, não existem e não existirão duas pessoas na Terra com exatamente o mesmo conjunto de proteínas.

Estrutura secundária da proteína

Definição:

A estrutura secundária de uma proteína é a estrutura ordenada de cadeias polipeptídicas, causada por ligações de hidrogênio entre C = O e N- Hdiferentes aminoácidos.

A estrutura secundária pode ser regular (hélice α) ou irregular (estrutura de folha β). Em α-hélice Grupo NHn O décimo resíduo de aminoácido interage com o grupo C = O do (n-4) décimo resíduo de aminoácido. Existem 3,6 resíduos de aminoácidos por volta de uma hélice β com diâmetro de 10,1 Å. O período de identidade de uma hélice α regular é de 18 aminoácidos (5 voltas). O disruptor de uma hélice α regular é principalmente prolina. O segundo efeito mais importante é exercido por radicais igualmente carregados localizados nas proximidades.

As dobras β podem ser formadas não apenas por polipeptídeos únicos, mas também por polipeptídeos adjacentes que fazem parte de uma proteína.

Alfa ou beta natural puro - proteínas não existem.

Estrutura terciária da proteína

Definição

A estrutura terciária de uma proteína é a conformação espacial de um polipeptídeo que possui uma estrutura secundária e é determinada por interações entre radicais.

Existem quatro tipos de interações entre radicais.

Tipos de interações entre radicais

1 . Covalente Comunicação entre sobras dois cisteínas (dissulfeto pontes).

2. Interações iônicas (eletrostáticas) entre resíduos de aminoácidos com carga oposta (três radicais com sinal “+” e dois com sinal “-”).

Por exemplo, o grupo ε-amino carregado positivamente da lisina (- NH3 +) é atraído pelo grupo carboxila carregado negativamente – (COO-) ácido glutâmico ou aspártico.

3. Ligações de hidrogênio.

Todos os aminoácidos com grupos hidroxila, amida ou carboxila estão envolvidos.

4. Interações hidrofóbicas . Formado entre radicais apolares em ambiente aquoso. Estão envolvidos 8 aminoácidos (primeira classe).

A estrutura terciária de uma proteína é completamente determinada pela sua estrutura primária, ou seja, sequência de aminoácidos, que por sua vez é determinada pelo código genético.

As interações hidrofóbicas são decisivas devido à sua não seletividade (não especificidade) e multiplicidade.

A maioria das proteínas tem um núcleo hidrofóbico.

Estrutura quaternária da proteína

Definição: A estrutura quaternária de uma proteína é a agregação de duas ou mais cadeias polipeptídicas com uma estrutura terciária numa composição oligomérica funcionalmente significativa.

As ligações que formam e mantêm a estrutura quaternária são as mesmas que formam a estrutura terciária, exceto as hidrofóbicas.

N A extremidade - da cadeia beta contém ácido glutâmico polar (carregado "-"). Em pacientes com anemia falciforme, utiliza-se valina apolar.

Dos 574 aminoácidos, 2 foram substituídos.

Essa hemoglobina perde solubilidade e forma-se um precipitado fibroso, deformando os glóbulos vermelhos.

A anemia falciforme é uma doença genética. O motivo é a substituição de apenas um nucleotídeo no gene que codifica a cadeia B da hemoglobina. As crianças que são homozigotas recessivas para esse alelo não vivem até os dois anos de idade. Os heterozigotos têm 85% de glóbulos vermelhos normais e 15% defeituosos. Os homozigotos dominantes sofrem de malária, os heterozigotos não sofrem de malária.

Proteínas globulares e fibrilares

95% das proteínas possuem um núcleo hidrofóbico. 5% de proteínas fibrilares.

A grande maioria das proteínas globulares são solúveis. A maioria dos fibrilares são insolúveis (α-queratinas - representam quase todo o peso seco do cabelo, lã, chifres, cascos, unhas, escamas, penas; colágeno - a proteína dos tendões, cartilagem; fibroína - proteína da seda).

As proteínas fibrilares contêm uma proporção maior de aminoácidos carregados do que as globulares - as cadeias individuais são solúveis e seus complexos são apolares e insolúveis.