Primárna štruktúra - sekvencia aminokyselín v polypeptidovom reťazci. V molekule proteínu pri striedaní pevných (peptidová väzba) a flexibilných (a-atóm uhlíka) úsekov vzniká kompaktné usporiadanie reťazca v priestore.

Akobori metóda je použiť fenylhydrazín. Fenylhydrazín štiepi peptidové väzby v proteíne a viaže sa na všetky aminokyseliny okrem C-koncovej. Následná chromatografická analýza umožňuje rozpoznať C-koncovú aminokyselinu v proteíne.

Štúdium primárnej štruktúry je dôležité všeobecný biologický a medicínsky význam:

1. primárna štruktúra určuje následné proteínové štruktúry.
2. znalosť primárnej štruktúry proteínu je nevyhnutná pre umelú syntézu proteínov.
3. primárna štruktúra určuje druhovú špecifickosť, napríklad v inzulínovom proteíne, zvyčajne v strede molekuly u rôznych živočíšnych druhov a ľudí, dochádza spravidla k náhrade 3 ekvivalentných aminokyselín.
4. zmeny v primárnej štruktúre môžu viesť k mnohým ochoreniam, napríklad k kosáčikovitej anémii, pri ktorej je v hemoglobíne v β reťazci v polohe 6 nahradená kyselina glutámová valínom. Toto nahradenie nerovnakou aminokyselinou vedie k narušeniu funkcie hemoglobínu a vzniku kosáčikovitých červených krviniek.

Sekundárna štruktúra - pravidelne sa opakujúci vzor usporiadania polypeptidového reťazca v priestore. Najčastejšie sa v proteínoch nachádzajú 2 typy sekundárnej štruktúry: α - helix a β - štruktúra.

α - špirála v roku 1951 ju študoval L. Pauling pomocou metódy röntgenovej difrakcie. Ide o pravotočivú špirálovitú štruktúru, do ktorej sa v jednom otočení zmestí 3,6 aminokyselín. Stúpanie špirály (vzdialenosť medzi susednými závitmi) je 0,54 n.m. α-helix je fixovaný vodíkovými väzbami, ktoré sú uzavreté medzi peptidovými väzbami tvorenými každou 4. aminokyselinou. Sekundárna α - štruktúra sa skladá spontánne a je určená primárnou štruktúrou proteínu. Podiel oblastí usporiadaných do špirálovej štruktúry sa v rôznych proteínoch líši. Napríklad v hemoglobíne a myoglobíne prevažuje α - štrukturálny záhyb, ktorý znižuje veľkosť molekuly proteínu 4-krát.

β-štruktúra má tvar „harmoniky“ a je stabilizovaný vodíkovými väzbami medzi vzdialenými úsekmi jedného polypeptidového reťazca alebo medzi viacerými proteínovými molekulami. Existujú paralelné β štruktúry, v ktorých si konce N a C navzájom zodpovedajú, a antiparalelné štruktúry. Príkladom proteínov, ktoré prevažne obsahujú β štruktúry, sú imunoglobulíny.

Sekundárna štruktúra sa študuje röntgenovou difrakčnou analýzou a štúdiom absorpcie ultrafialových lúčov proteínom (čím väčší je podiel α - štruktúr, tým väčšia je absorpcia).

Sekundárna štruktúra je zničená počas denaturácie.

Terciárna štruktúra – s forma priestorového usporiadania polypeptidového reťazca špecifického pre každý proteín. Táto štruktúra sa vytvára spontánne a je určená primárnou štruktúrou. Terciárna štruktúra výrazne zvyšuje kompaktnosť proteínu o desiatky. Na tvorbe terciárnej štruktúry sa podieľajú nekovalentné väzby (hydrofóbne, iónové) a kovalentné (disulfidové) väzby.

Terciárna štruktúra určuje biologickú aktivitu a fyzikálno-chemické vlastnosti proteínov. Ak je terciárna štruktúra narušená, proteín stráca svoju biologickú aktivitu.

Metódy na štúdium terciárnej štruktúry sú rôntgenová difrakčná analýza a stanovenie chemickej aktivity jednotlivých aminokyselinových radikálov v proteíne. Terciárnu štruktúru proteínu myoglobínu prvýkrát študoval J. Kendrew (1957). M. Perutz (1959) študoval štruktúru hemoglobínu.

Terciárna štruktúra proteínov zahŕňa α - helikálne, β - zložené štruktúry, β - slučky (v ktorých je polypeptidový reťazec ohnutý o 180 0) a takzvanú neusporiadanú cievku. Napríklad inzulínový proteín obsahuje 57 % α – špirálových oblastí, 6 % β – zložených štruktúr, 10 % molekuly je usporiadaných vo forme β – slučiek a 27 % molekuly tvorí neusporiadaná špirála.

Súhrn primárnych, sekundárnych, terciárnych je konformácia molekula proteínu. Celoživotná (pôvodná) konformácia vzniká spontánne a jej formovanie sa nazýva skladanie. Konformácia proteínov je veľmi nestabilná a vytvára sa za účasti špeciálnych proteínov - družiny(spoločníci). Chaperóny sú schopné viazať sa na čiastočne denaturované proteíny, ktoré sú v nestabilnom stave a obnoviť ich prirodzenú konformáciu. Chaperóny sú klasifikované podľa molekulovej hmotnosti (60 - 100 cd.). Najviac študované sú Sh-60, Sh-70 a Sh-90. Napríklad Sh-70 interaguje s proteínmi bohatými na hydrofóbne radikály a chráni ich pred vysokoteplotnou denaturáciou. Vo všeobecnosti chaperóny chránia hlavné bielkoviny tela, zabraňujú denaturácii a podporujú tvorbu konformácie, uľahčujú transport denaturovaných bielkovín do lyzozómov a podieľajú sa na procese syntézy bielkovín.

Podľa konformácie sú všetky proteíny rozdelené do troch skupín:

• fibrilárne proteíny: kolagén, elastín, fibroín.
• Globulárne proteíny: hemoglobín, albumín, globulín.
• Zmiešané proteíny: myozín.

Terciárna štruktúra je vlastná všetkým proteínom. Kvartérnu štruktúru majú iba oligomérne proteíny, ktoré obsahujú niekoľko podjednotiek, protomérov. Protomér sa považuje za samostatný polypeptidový reťazec, podjednotka je funkčne aktívna časť oligomérneho proteínu. Podjednotka môže obsahovať buď jeden protomér alebo niekoľko.

Kvartérna štruktúra - počet a relatívne usporiadanie podjednotiek v oligomérnych proteínoch. Kvartérnu štruktúru majú iba oligomérne proteíny, ktoré obsahujú niekoľko podjednotiek, protomérov. Protomér sa považuje za samostatný polypeptidový reťazec, podjednotka je funkčne aktívna časť oligomérneho proteínu. Podjednotka môže obsahovať jeden protomér alebo viacero protomérov.

Na tvorbe kvartérnej štruktúry sa podieľajú slabé nekovalentné väzby (hydrofóbne, iónové, vodíkové). Kvartérna štruktúra proteínov sa tvorí spontánne a pri denaturácii sa ľahko rozbije. Jednotlivé podjednotky v oligomérnom proteíne navzájom interagujú, čo vedie k zmenám v terciárnej štruktúre jednotlivých protomérov. Tento jav sa nazýva kooperatívne zmeny v konformácii protoméru a je zvyčajne sprevádzaný zvýšením aktivity proteínov.

Oligomérne proteíny majú v porovnaní s monomérnymi proteínmi množstvo vlastností.

• Majú veľmi kompaktné balenie a relatívne malý povrch rozhrania, preto, keďže sú umiestnené intracelulárne, viažu menej vody
• Ich činnosť je v organizme regulovaná. Protoméry sú zvyčajne neaktívne, ale oligomérne proteíny sú oveľa aktívnejšie.
• Ak sa na syntéze oligomérneho proteínu podieľa rovnaký typ protomérov, šetrí sa tým genetický materiál (niekoľko identických protomérov je „vyrazených“ na krátky úsek DNA)
• Funkčne sú viac prispôsobené podmienkam tela.

Funkčnosť oligomérnych proteínov je ilustrovaná porovnaním proteínov hemoglobínu a myoglobínu, ktoré sa podieľajú na transporte kyslíka do tkanív. Hemoglobín erytrocytov je oligomérny proteín, ktorý obsahuje 4 polypeptidové reťazce. Svalový myoglobín je monomérny proteín, ktorý obsahuje 1 polypeptidový reťazec. Krivka nasýtenia myoglobínu kyslíkom naznačuje jeho priamu závislosť od koncentrácie kyslíka. Pre hemoglobín má krivka saturácie kyslíkom tvar S. Je to spôsobené postupnou postupnou zmenou štruktúry (konformácie) každého zo 4 protomérov v zložení hemoglobínu, v dôsledku čoho sa afinita hemoglobínu ku kyslíku prudko zvyšuje. Tento charakter saturácie hemoglobínu kyslíkom prudko zvyšuje jeho kyslíkovú kapacitu v porovnaní s myoglobínom.

Osobitné postavenie medzi proteínmi zaujíma doménové proteíny .

Domény sú štrukturálne a funkčne oddelené časti jedného polypeptidového reťazca. Domény môžu byť zodpovedné za interakciu proteínu s rôznymi látkami - ligandmi (nízkomolekulárne látky, DNA, RNA, polysacharidy atď.) Príkladmi doménových proteínov sú sérový albumín, imunoglobulíny a niektoré enzýmy (pankreatický trypsín).

Vďaka vysokej selektivite proteínov sa môžu spájať do komplexov, ktoré sa najčastejšie nazývajú multienzýmové komplexy – ide o štruktúrne asociácie viacerých enzýmov, ktoré katalyzujú jednotlivé štádiá zložitého chemického procesu. Príklad: pyruvátdehydrogenázový komplex (PDC), komplex troch typov enzýmov, ktorý katalyzuje oxidáciu kyseliny pyrohroznovej (PVA).

Špecificky je možné kombinovať nielen jednotlivé proteíny, ale aj proteíny s lipidmi (tukami) pri tvorbe bunkových membrán a proteíny s nukleovými kyselinami pri tvorbe chromatínu.

Fyzikálno-chemické vlastnosti bielkovín.

Sú do značnej miery určené konformáciou molekuly proteínu (primárna - terciárna štruktúra proteínu). Fyzikálno-chemické vlastnosti proteínov sa objavujú v roztokoch.

Rozpustnosť proteíny sa líšia od proteínu k proteínu.

Vo všeobecnosti je rozpustnosť proteínov vysoká, ale líši sa medzi rôznymi typmi proteínov. Je ovplyvnená nasledujúcimi faktormi:

• tvar molekuly proteínu (globulárne proteíny sú rozpustnejšie ako fibrilárne proteíny)
• povaha proteínového aminokyselinového radikálu, pomer polárnych nepolárnych radikálov (čím viac polárnych hydrofilných radikálov v proteíne, tým lepšia je jeho rozpustnosť)
• vlastnosti rozpúšťadla, prítomnosť solí. Nízka koncentrácia solí (KCL, NaCl) niekedy zvyšuje rozpustnosť bielkovín. Napríklad albumíny sú lepšie rozpustné v čistej destilovanej vode, globulíny sa rozpúšťajú len v prítomnosti 10% solí (KCL, NaCl). Proteíny spojivového tkaniva kolagén a elastín sú nerozpustné vo vode alebo vo fyziologickom roztoku.

Molekulová hmotnosť proteínov je pomerne veľký, pohybuje sa od 6 000 do 1 000 000, napríklad molekulová hmotnosť hemoglobínu je 68 000, albumínu je 100 000, ribonukleázy je asi 14 000, myozínu je 500 000.

Metódy stanovenia molárnej hmotnosti bielkovín musí byť šetrný a neničiť molekuly bielkovín. Napríklad ebulioskopická metóda, založená na meraní teploty varu roztokov, nie je použiteľná pre proteíny. Najpresnejšie metódy na stanovenie molekulovej hmotnosti proteínov sú metóda ultracentrifugácie a metóda röntgenovej difrakcie.

Metóda ultracentrifugácie(sedimentácia) je založená na zmene rýchlosti sedimentácie proteínov rôznych molekulových hmotností pri rotácii proteínových roztokov vysokou rýchlosťou. Molekulová hmotnosť proteínov zistená touto metódou je označená Svedbergovou jednotkou (S = 10 -13 c.)

Röntgenová difrakčná metóda umožňuje vypočítať molekulovú hmotnosť analýzou viacerých röntgenových snímok molekuly proteínu.

Elektroforetická metóda je založená na závislosti rýchlosti pohybu proteínu v konštantnom elektrickom poli od molekulovej hmotnosti proteínu (elektroforetická mobilita je vyššia u proteínov s nižšou molekulovou hmotnosťou)

Chromatografická metóda je založená na rôznych rýchlostiach prechodu rôznych proteínov cez molekulárne gélové „sitá“.

Veľké molekuly väčšie ako veľkosť pórov gélu prechádzajú gélom rýchlejšie ako menšie proteínové molekuly, ktoré sú zadržané v gélových zrnách.

Metóda elektrónového mikroskopu uskutočnené porovnaním veľkosti molekuly proteínu s referenčnými vzorkami so známou hmotnosťou.

Chemické metódy spojené s charakteristikami chemického zloženia bielkovín

Tvar proteínových molekúl rôzne. Proteínové molekuly môžu mať fibrilárny alebo globulárny tvar. Fibrilárne proteíny majú vláknitý molekulárny tvar. Vo všeobecnosti sú nerozpustné vo vode a zriedených soľných roztokoch. Fibrilárne proteíny zahŕňajú hlavné štrukturálne proteíny spojivového tkaniva: kolagén, keratín, elastín. V globulárnych proteínoch sú polypeptidové reťazce pevne stočené do kompaktných sférických štruktúr. Väčšina globulárnych proteínov je vysoko rozpustná vo vode a slabých soľných roztokoch. Globulárne proteíny zahŕňajú enzýmy, protilátky, albumíny a hemoglobín. Niektoré proteíny majú stredný typ molekuly, ktorá obsahuje vláknité aj sférické oblasti. Príkladom takýchto proteínov je svalový proteín myozín, ktorý je rozpustný vo fyziologických roztokoch.

Veľkosti proteínových molekúl sú v rozsahu od 1 do 100 nm, blízke veľkosti koloidných častíc. Z tohto dôvodu majú proteínové roztoky vlastnosti skutočných roztokov aj koloidných roztokov.

Mnohé molekulárne kinetické vlastnosti proteínových roztokov sú podobné vlastnosti koloidných roztokov .

• Pomalá rýchlosť difúzie bielkovín potrebná na ich výmenu.
• Neschopnosť proteínov prejsť cez semipermeabilné membrány. V kompartmentoch s vysokou koncentráciou bielkovín sa vytvára nadmerný hydrostatický tlak v dôsledku jednosmerného pohybu molekúl vody cez polopriepustnú membránu smerom k vysokej koncentrácii bielkovín. Pretlak vytvorený proteínmi sa nazýva onkotický tlak. Je to dôležitý faktor určujúci pohyb vody medzi tkanivami, krvou a črevami.
• Vysoká viskozita proteínov je spôsobená rôznymi intermolekulárnymi interakciami veľkých proteínových molekúl. Najmä zvýšená viskozita krvi zvyšuje zaťaženie srdcového svalu.
• Niektoré proteíny sú schopné vytvárať gély, čím sa zvyšuje pevnosť proteínov (napr. kolagén).

Optické vlastnosti proteínov určuje veľkosť proteínových molekúl, štruktúra aminokyselinových radikálov v proteínoch, prítomnosť peptidových väzieb a alfa-helikálnych oblastí v proteínoch.

• Proteínové roztoky majú účinok lomu svetla (refrakcie) a rozptylu svetla. Tieto vlastnosti sú spôsobené veľkou veľkosťou molekúl bielkovín, úmernou vlnovej dĺžke viditeľnej časti spektra. V tomto prípade sú krátke modré lúče rozptýlené vo väčšej miere ako červené lúče s dlhšími vlnovými dĺžkami. Stupeň lomu je úmerný koncentrácii proteínového roztoku.
• Proteínové roztoky absorbovať ultrafialové lúče v rozsahu 190-230 nm v dôsledku prítomnosti peptidových väzieb a v rozsahu 260-280 nm v dôsledku prítomnosti cyklických aminokyselín v proteínoch. Stupeň absorpcie UV žiarenia je úmerný koncentrácii proteínu v roztoku.
• Proteínové roztoky môžu otáčať rovinu polarizovaného svetla,čo je spôsobené optickou aktivitou aminokyselín obsiahnutých v proteíne a prítomnosťou alfa-helikálnych úsekov v ňom. Existuje priamy vzťah medzi polarizáciou svetla a koncentráciou proteínov v roztoku.

Proteíny, ktoré sú molekulárnymi roztokmi, majú vlastnosti skutočných riešení . Keďže ide o skutočné roztoky, proteínové roztoky sú vysoko stabilné.

MODUL 1 ŠTRUKTÚRA, VLASTNOSTI A FUNKCIE PROTEÍNOV

MODUL 1 ŠTRUKTÚRA, VLASTNOSTI A FUNKCIE PROTEÍNOV

Modulová štruktúra	Témy
Modulárna jednotka 1	1.1. Štrukturálna organizácia proteínov. Etapy tvorby natívnej proteínovej konformácie 1.2. Základy fungovania bielkovín. Lieky ako ligandy ovplyvňujúce funkciu proteínov 1.3. Denaturácia bielkovín a možnosť ich spontánnej renativácie
Modulárna jednotka 2	1.4. Vlastnosti štruktúry a fungovania oligomérnych proteínov na príklade hemoglobínu 1.5. Udržiavanie natívnej proteínovej konformácie v bunkových podmienkach 1.6. Rozmanitosť bielkovín. Proteínové rodiny na príklade imunoglobulínov 1.7. Fyzikálno-chemické vlastnosti proteínov a metódy ich separácie

Modulárna jednotka 1 ŠTRUKTURÁLNA ORGANIZÁCIA MONOMERICKÝCH PROTEÍNOV A ZÁKLADY ICH FUNGOVANIA

Ciele vzdelávania Byť schopný:

1. Využiť poznatky o štruktúrnych znakoch proteínov a závislosti funkcií proteínov od ich štruktúry na pochopenie mechanizmov vzniku dedičných a získaných proteinopatií.

2. Vysvetlite mechanizmy terapeutického účinku niektorých liečiv ako ligandov, ktoré interagujú s proteínmi a menia ich aktivitu.

3. Využiť poznatky o štruktúre a konformačnej labilite proteínov na pochopenie ich štruktúrnej a funkčnej nestability a sklonu k denaturácii v meniacich sa podmienkach.

4. Vysvetlite použitie denaturačných činidiel ako prostriedkov na sterilizáciu medicínskych materiálov a nástrojov, ako aj antiseptík.

Vedieť:

1. Úrovne štruktúrnej organizácie proteínov.

2. Význam primárnej štruktúry bielkovín, ktorá určuje ich štruktúrnu a funkčnú diverzitu.

3. Mechanizmus vzniku aktívneho centra v proteínoch a jeho špecifická interakcia s ligandom, ktorý je základom fungovania proteínov.

4. Príklady vplyvu exogénnych ligandov (lieky, toxíny, jedy) na konformáciu a funkčnú aktivitu proteínov.

5. Príčiny a dôsledky denaturácie bielkovín, faktory spôsobujúce denaturáciu.

6. Príklady použitia denaturačných faktorov v medicíne ako antiseptík a prostriedkov na sterilizáciu lekárskych nástrojov.

TÉMA 1.1. ŠTRUKTURÁLNA ORGANIZÁCIA PROTEÍNOV. ETAPA VZNIKU Native

PROTEÍNOVÉ KONFORMÁCIE

Proteíny sú polymérne molekuly, ktorých monoméry tvoria iba 20 α-aminokyselín. Súbor a poradie kombinácie aminokyselín v proteíne je určené štruktúrou génov v DNA jednotlivcov. Každý proteín v súlade so svojou špecifickou štruktúrou plní svoju vlastnú funkciu. Súbor proteínov daného organizmu určuje jeho fenotypové vlastnosti, ako aj prítomnosť dedičných chorôb alebo predispozíciu k ich rozvoju.

1. Aminokyseliny, ktoré tvoria bielkoviny. Peptidová väzba. Proteíny sú polyméry postavené z monomérov - 20 α-aminokyselín, ktorých všeobecný vzorec je

Aminokyseliny sa líšia štruktúrou, veľkosťou a fyzikálno-chemickými vlastnosťami radikálov pripojených k atómu uhlíka α. Funkčné skupiny aminokyselín určujú charakteristiky vlastností rôznych α-aminokyselín. Radikály nachádzajúce sa v α-aminokyselinách možno rozdeliť do niekoľkých skupín:

prolín, Na rozdiel od ostatných 19 proteínových monomérov nejde o aminokyselinu, ale o iminokyselinu, radikál v prolíne je spojený s atómom uhlíka a imínom

Aminokyseliny sa líšia v rozpustnosti vo vode. Je to spôsobené schopnosťou radikálov interagovať s vodou (hydrát).

TO hydrofilné Zahrňujú radikály obsahujúce aniónové, katiónové a polárne nenabité funkčné skupiny.

TO hydrofóbne Zahrňujú radikály obsahujúce metylové skupiny, alifatické reťazce alebo kruhy.

2. Peptidové väzby spájajú aminokyseliny za vzniku peptidov. Počas syntézy peptidu α-karboxylová skupina jednej aminokyseliny interaguje s α-aminoskupinou inej aminokyseliny za vzniku peptidová väzba:

Proteíny sú polypeptidy, t.j. lineárne polyméry α-aminokyselín spojené peptidovou väzbou (obr. 1.1.)

Ryža. 1.1. Termíny používané na opis štruktúry peptidov

Monoméry aminokyselín, ktoré tvoria polypeptidy, sa nazývajú aminokyselinové zvyšky. Reťaz opakujúcich sa skupín - NH-CH-CO- formuláre peptidová kostra. Aminokyselinový zvyšok, ktorý má voľnú a-aminoskupinu, sa nazýva N-koncový a zvyšok, ktorý má voľnú a-karboxylovú skupinu, sa nazýva C-koncový. Peptidy sa zapisujú a čítajú od N-konca po C-koniec.

Peptidová väzba tvorená iminoskupinou prolínu sa líši od iných peptidových väzieb: atóm dusíka peptidovej skupiny nemá vodík,

namiesto toho existuje väzba s radikálom, v dôsledku čoho je jedna strana kruhu zahrnutá do peptidovej kostry:

Peptidy sa líšia zložením aminokyselín, počtom aminokyselín a poradím aminokyselinových spojení, napríklad Ser-Ala-Glu-Gis a His-Glu-Ala-Ser sú dva rôzne peptidy.

Peptidové väzby sú veľmi silné a ich chemická neenzymatická hydrolýza vyžaduje drsné podmienky: analyzovaný proteín sa hydrolyzuje v koncentrovanej kyseline chlorovodíkovej pri teplote asi 110 °C počas 24 hodín. V živej bunke môžu byť peptidové väzby prerušené proteolytické enzýmy, volal proteázy alebo peptidové hydrolázy.

3. Primárna štruktúra bielkovín. Aminokyselinové zvyšky v peptidových reťazcoch rôznych proteínov sa nestriedajú náhodne, ale sú usporiadané v určitom poradí. Nazýva sa lineárna sekvencia alebo poradie striedania aminokyselinových zvyškov v polypeptidovom reťazci primárna štruktúra proteínu.

Primárna štruktúra každého jednotlivého proteínu je zakódovaná v molekule DNA (v oblasti nazývanej gén) a realizuje sa pri transkripcii (kopírovanie informácie na mRNA) a translácii (syntéze primárnej štruktúry proteínu). Primárnou štruktúrou bielkovín jednotlivca je teda informácia dedične prenášaná z rodičov na deti, ktorá určuje štrukturálne znaky bielkovín daného organizmu, od ktorých závisí funkcia existujúcich bielkovín (obr. 1.2.).

Ryža. 1.2. Vzťah medzi genotypom a konformáciou proteínov syntetizovaných v tele jednotlivca

Každý z približne 100 000 jednotlivých proteínov v ľudskom tele má jedinečný primárna štruktúra. Molekuly rovnakého typu proteínu (napríklad albumín) majú rovnaké striedanie aminokyselinových zvyškov, čo odlišuje albumín od akéhokoľvek iného jednotlivého proteínu.

Sekvenciu aminokyselinových zvyškov v peptidovom reťazci možno považovať za formu záznamu informácie. Táto informácia určuje priestorové usporiadanie lineárneho peptidového reťazca do kompaktnejšej trojrozmernej štruktúry tzv konformácia veverička. Proces tvorby funkčne aktívnej proteínovej konformácie sa nazýva tzv skladanie

4. Proteínová konformácia. Voľná ​​rotácia v hlavnom reťazci peptidu je možná medzi atómom dusíka peptidovej skupiny a susedným atómom a-uhlíka, ako aj medzi atómom a-uhlíka a uhlíkom karbonylovej skupiny. Vďaka interakcii funkčných skupín aminokyselinových zvyškov môže primárna štruktúra proteínov nadobudnúť zložitejšie priestorové štruktúry. V globulárnych proteínoch existujú dve hlavné úrovne skladania konformácie peptidových reťazcov: sekundárne A terciárna štruktúra.

Sekundárna štruktúra bielkovín je priestorová štruktúra vytvorená ako výsledok tvorby vodíkových väzieb medzi funkčnými skupinami -C=O a -NH- peptidového hlavného reťazca. V tomto prípade môže peptidový reťazec získať pravidelné štruktúry dvoch typov: a-helixy A β-štruktúry.

IN a-helixy vodíkové väzby vznikajú medzi atómom kyslíka karbonylovej skupiny a vodíkom amidového dusíka 4. aminokyseliny; bočné reťazce aminokyselinových zvyškov

sú umiestnené po obvode špirály, bez toho, aby sa podieľali na tvorbe sekundárnej štruktúry (obr. 1.3.).

Hromadné radikály alebo radikály s rovnakým nábojom zabraňujú vytvoreniu a-helixu. Prolínový zvyšok, ktorý má kruhovú štruktúru, prerušuje a-helix, pretože kvôli nedostatku vodíka na atóme dusíka v peptidovom reťazci nie je možné vytvoriť vodíkovú väzbu. Väzba medzi dusíkom a atómom uhlíka α je súčasťou prolínového kruhu, takže kostra peptidu sa v tomto bode ohýba.

β-štruktúra sa tvorí medzi lineárnymi oblasťami peptidového hlavného reťazca jedného polypeptidového reťazca, čím sa vytvárajú zložené štruktúry. Môžu sa tvoriť polypeptidové reťazce alebo ich časti paralelný alebo antiparalelné β-štruktúry. V prvom prípade sa N- a C-konce interagujúcich peptidových reťazcov zhodujú a v druhom majú opačný smer (obr. 1.4).

Ryža. 1.3. Sekundárna štruktúra proteínu - α-helix

Ryža. 1.4. Paralelné a antiparalelné štruktúry β-listu

β-štruktúry sú označené širokými šípkami: A - Antiparalelná β-štruktúra. B - Paralelné štruktúry β-listu

V niektorých proteínoch sa môžu vytvárať β-štruktúry v dôsledku tvorby vodíkových väzieb medzi atómami peptidového hlavného reťazca rôznych polypeptidových reťazcov.

Nachádza sa aj v bielkovinách oblasti s nepravidelným sekundárnymštruktúra, ktorá zahŕňa ohyby, slučky a zákruty polypeptidovej kostry. Často sa nachádzajú na miestach, kde sa mení smer peptidového reťazca, napríklad keď sa vytvorí paralelná štruktúra β-listu.

Na základe prítomnosti α-helixov a β-štruktúr možno globulárne proteíny rozdeliť do štyroch kategórií.

Ryža. 1.5. Sekundárna štruktúra myoglobínu (A) a β-reťazca hemoglobínu (B), ktorý obsahuje osem α-helixov

Ryža. 1.6. Sekundárna štruktúra triózafosfátizomerázovej a pyruvátkinázovej domény

Ryža. 1.7. Sekundárna štruktúra konštantnej domény imunoglobulínu (A) a enzýmu superoxiddismutázy (B)

IN štvrtej kategórie zahŕňali proteíny, ktoré obsahujú malé množstvo pravidelných sekundárnych štruktúr. Tieto proteíny zahŕňajú malé proteíny bohaté na cysteín alebo metaloproteíny.

Terciárna štruktúra proteínu- druh konformácie, ktorá vzniká v dôsledku interakcií medzi radikálmi aminokyselín, ktoré môžu byť v peptidovom reťazci umiestnené v značnej vzdialenosti od seba. Väčšina proteínov tvorí priestorovú štruktúru pripomínajúcu globulu (globulárne proteíny).

Keďže hydrofóbne aminokyselinové radikály majú tendenciu spájať sa prostredníctvom tzv hydrofóbne interakcie a intermolekulárnych van der Waalsových síl sa vo vnútri proteínovej globule vytvorí husté hydrofóbne jadro. Hydrofilné ionizované a neionizované radikály sa nachádzajú hlavne na povrchu proteínu a určujú jeho rozpustnosť vo vode.

Ryža. 1.8. Typy väzieb, ktoré vznikajú medzi aminokyselinovými radikálmi pri tvorbe terciárnej štruktúry proteínu

1 - iónová väzba- vyskytuje sa medzi kladne a záporne nabitými funkčnými skupinami;

2 - vodíková väzba- vyskytuje sa medzi hydrofilnou nenabitou skupinou a akoukoľvek inou hydrofilnou skupinou;

3 - hydrofóbne interakcie- vznikajú medzi hydrofóbnymi radikálmi;

4 - disulfidovú väzbu- vzniká v dôsledku oxidácie SH skupín cysteínových zvyškov a ich vzájomnej interakcie

Hydrofilné aminokyselinové zvyšky umiestnené vo vnútri hydrofóbneho jadra môžu navzájom interagovať pomocou iónový A vodíkové väzby(obr. 1.8).

Iónové a vodíkové väzby, ako aj hydrofóbne interakcie sú slabé: ich energia nie je oveľa vyššia ako energia tepelného pohybu molekúl pri izbovej teplote. Konformácia proteínu je udržiavaná tvorbou mnohých takýchto slabých väzieb. Keďže atómy tvoriace proteín sú v neustálom pohybe, je možné niektoré slabé väzby rozbiť a iné vytvoriť, čo vedie k miernym pohybom jednotlivých úsekov polypeptidového reťazca. Táto vlastnosť proteínov meniť konformáciu v dôsledku rozbitia niektorých a vytvorenia iných slabých väzieb sa nazýva konformačná labilita.

Ľudské telo má systémy, ktoré podporujú homeostázy- stálosť vnútorného prostredia v určitých prijateľných medziach pre zdravý organizmus. V podmienkach homeostázy malé zmeny v konformácii nenarúšajú celkovú štruktúru a funkciu proteínov. Funkčne aktívna konformácia proteínu sa nazýva natívna konformácia. Zmeny vnútorného prostredia (napríklad koncentrácia glukózy, Ca iónov, protónov a pod.) vedú k zmenám konformácie a narušeniu funkcií bielkovín.

Terciárna štruktúra niektorých proteínov je stabilizovaná disulfidové väzby, vzniknuté v dôsledku interakcie -SH skupín dvoch zvyškov

Ryža. 1.9. Tvorba disulfidovej väzby v molekule proteínu

cysteínu (obr. 1.9). Väčšina intracelulárnych proteínov nemá vo svojej terciárnej štruktúre kovalentné disulfidové väzby. Ich prítomnosť je charakteristická pre proteíny vylučované bunkou, čo zabezpečuje ich väčšiu stabilitu v extracelulárnych podmienkach. V molekulách inzulínu a imunoglobulínov sú teda prítomné disulfidové väzby.

inzulín- proteínový hormón syntetizovaný v β-bunkách pankreasu a vylučovaný do krvi ako odpoveď na zvýšenie koncentrácie glukózy v krvi. V štruktúre inzulínu sú dve disulfidové väzby spájajúce reťazce polypeptidu A a B a jedna disulfidová väzba v reťazci A (obr. 1.10).

Ryža. 1.10. Disulfidové väzby v štruktúre inzulínu

5. Supersekundárna štruktúra bielkovín. V proteínoch s odlišnou primárnou štruktúrou a funkciami sa niekedy zisťujú podobné kombinácie a vzájomné polohy sekundárnych štruktúr, ktoré sa nazývajú supersekundárna štruktúra. Zaberá medzipolohu medzi sekundárnymi a terciárnymi štruktúrami, keďže ide o špecifickú kombináciu prvkov sekundárnej štruktúry pri tvorbe terciárnej štruktúry proteínu. Supersekundárne štruktúry majú špecifické názvy, ako napríklad „α-helix-turn-a-helix“, „leucínový zips“, „zinkové prsty“ atď. Takéto supersekundárne štruktúry sú charakteristické pre proteíny viažuce DNA.

"Leucínový zips." Tento typ supersekundárnej štruktúry sa používa na spojenie dvoch proteínov dohromady. Na povrchu interagujúcich proteínov sú a-helikálne oblasti obsahujúce aspoň štyri leucínové zvyšky. Leucínové zvyšky v a-helixe sú umiestnené šesť aminokyselín od seba. Pretože každý závit α-helixu obsahuje 3,6 aminokyselinových zvyškov, leucínové radikály sa nachádzajú na povrchu každého druhého závitu. Leucínové zvyšky α-helixu jedného proteínu môžu interagovať s leucínovými zvyškami iného proteínu (hydrofóbne interakcie) a spájať ich (obr. 1.11.). Mnohé proteíny viažuce DNA fungujú v oligomérnych komplexoch, kde sú jednotlivé podjednotky navzájom spojené „leucínovými zipsami“.

Ryža. 1.11. "Leucínový zips" medzi a-helikálnymi oblasťami dvoch proteínov

Príkladom takýchto proteínov sú históny. Históny- jadrové proteíny, ktoré obsahujú veľké množstvo kladne nabitých aminokyselín - arginín a lyzín (až 80%). Molekuly histónu sa kombinujú do oligomérnych komplexov obsahujúcich osem monomérov pomocou „leucínových zipsov“, napriek významnému homonymnému náboju týchto molekúl.

"Zinkový prst"- variant supersekundárnej štruktúry, charakteristický pre proteíny viažuce DNA, má na povrchu proteínu formu predĺženého fragmentu a obsahuje asi 20 aminokyselinových zvyškov (obr. 1.12). Tvar „predĺženého prsta“ je podporený atómom zinku naviazaným na štyri aminokyselinové radikály - dva cysteínové zvyšky a dva histidínové zvyšky. V niektorých prípadoch sú namiesto histidínových zvyškov cysteínové zvyšky. Dva tesne ležiace cysteínové zvyšky sú oddelené od ďalších dvoch zvyškov Gisili pomocou Cys sekvencie pozostávajúcej z približne 12 aminokyselinových zvyškov. Táto oblasť proteínu tvorí a-helix, ktorého radikály sa môžu špecificky viazať na regulačné oblasti hlavnej drážky DNA. Individuálna väzbová špecifickosť

Ryža. 1.12. Primárna štruktúra oblasti proteínov viažucich DNA, ktoré tvoria štruktúru „zinkového prsta“ (písmená označujú aminokyseliny, ktoré tvoria túto štruktúru)

Regulačný proteín viažuci DNA závisí od sekvencie aminokyselinových zvyškov umiestnených v oblasti zinkového prsta. Takéto štruktúry obsahujú najmä receptory pre steroidné hormóny, ktoré sa podieľajú na regulácii transkripcie (čítanie informácií z DNA do RNA).

TÉMA 1.2. ZÁKLADY FUNGOVANIA PROTEÍNOV. DROGY AKO LIGANDY OVPLYVŇUJÚCE FUNKCIU PROTEÍNOV

1. Aktívne centrum proteínu a jeho interakcia s ligandom. Počas tvorby terciárnej štruktúry sa na povrchu funkčne aktívneho proteínu, zvyčajne v vybraní, vytvorí oblasť, ktorú tvoria radikály aminokyselín, ktoré sú v primárnej štruktúre od seba vzdialené. Táto oblasť, ktorá má jedinečnú štruktúru pre daný proteín a je schopná špecificky interagovať s konkrétnou molekulou alebo skupinou podobných molekúl, sa nazýva väzbové miesto proteín-ligand alebo aktívne miesto. Ligandy sú molekuly, ktoré interagujú s proteínmi.

Vysoká špecifickosť Interakcia proteínu s ligandom je zabezpečená komplementaritou štruktúry aktívneho centra so štruktúrou ligandu.

Komplementárnosť- toto je priestorová a chemická zhoda interagujúcich povrchov. Aktívne centrum musí nielen priestorovo zodpovedať ligandu, ktorý je v ňom obsiahnutý, ale aj väzby (iónové, vodíkové a hydrofóbne interakcie) musia byť vytvorené medzi funkčnými skupinami radikálov obsiahnutých v aktívnom centre a ligandom, ktorý ligand drží. v aktívnom centre (obr. 1.13).

Ryža. 1.13. Komplementárna interakcia proteínu s ligandom

Niektoré ligandy, keď sú pripojené k aktívnemu centru proteínu, hrajú pomocnú úlohu pri fungovaní proteínov. Takéto ligandy sa nazývajú kofaktory a proteíny obsahujúce neproteínovú časť komplexné bielkoviny(na rozdiel od jednoduchých bielkovín, pozostávajúcich len z bielkovinovej časti). Nebielkovinová časť, pevne spojená s bielkovinou, sa nazýva tzv protetická skupina. Napríklad myoglobín, hemoglobín a cytochrómy obsahujú prostetickú skupinu, hem, obsahujúcu železitý ión, pevne pripojenú k aktívnemu centru. Komplexné proteíny obsahujúce hém sa nazývajú hemoproteíny.

Keď sú na proteíny pripojené špecifické ligandy, prejaví sa funkcia týchto proteínov. Albumín, najdôležitejší proteín v krvnej plazme, teda prejavuje svoju transportnú funkciu naviazaním hydrofóbnych ligandov, ako sú mastné kyseliny, bilirubín, niektoré liečivá atď., na aktívne centrum (obr. 1.14).

Ligandy interagujúce s trojrozmernou štruktúrou peptidového reťazca môžu byť nielen nízkomolekulárne organické a anorganické molekuly, ale aj makromolekuly:

DNA (príklady s proteínmi viažucimi DNA diskutovanými vyššie);

polysacharidy;

Ryža. 1.14. Vzťah medzi genotypom a fenotypom

Jedinečná primárna štruktúra ľudských proteínov, zakódovaná v molekule DNA, je realizovaná v bunkách vo forme unikátnej konformácie, štruktúry aktívneho centra a proteínových funkcií.

V týchto prípadoch proteín rozpoznáva špecifickú oblasť ligandu, ktorá je primeraná a komplementárna k väzbovému miestu. Na povrchu hepatocytov sa teda nachádzajú receptorové proteíny pre hormón inzulín, ktorý má tiež proteínovú štruktúru. Interakcia inzulínu s receptorom spôsobuje zmenu jeho konformácie a aktiváciu signalizačných systémov, čo vedie k ukladaniu živín do hepatocytov po jedle.

teda Fungovanie proteínov je založené na špecifickej interakcii aktívneho centra proteínu s ligandom.

2. Štruktúra domény a jej úloha vo fungovaní proteínov. Dlhé polypeptidové reťazce globulárnych proteínov sa často skladajú do niekoľkých kompaktných, relatívne nezávislých oblastí. Majú nezávislú terciárnu štruktúru, ktorá pripomína globulárne bielkoviny a sú tzv domén. Vďaka doménovej štruktúre proteínov sa ľahšie tvorí ich terciárna štruktúra.

V doménových proteínoch sa miesta viažuce ligand často nachádzajú medzi doménami. Trypsín je teda proteolytický enzým, ktorý je produkovaný exokrinnou časťou pankreasu a je nevyhnutný na trávenie potravinových bielkovín. Má štruktúru dvoch domén a centrum väzby trypsínu s jeho ligandom - potravinovým proteínom - sa nachádza v drážke medzi týmito dvoma doménami. V aktívnom centre sa vytvárajú podmienky potrebné pre efektívnu väzbu konkrétneho miesta potravinového proteínu a hydrolýzu jeho peptidových väzieb.

Rôzne domény v proteíne sa môžu navzájom pohybovať, keď aktívne centrum interaguje s ligandom (obr. 1.15).

Hexokináza- enzým, ktorý katalyzuje fosforyláciu glukózy pomocou ATP. Aktívne miesto enzýmu sa nachádza v štrbine medzi týmito dvoma doménami. Keď sa hexokináza naviaže na glukózu, domény, ktoré ju obklopujú, sa uzavrú a substrát sa zachytí, kde dôjde k fosforylácii (pozri obr. 1.15).

Ryža. 1.15. Väzba hexokinázových domén na glukózu

V niektorých proteínoch domény vykonávajú nezávislé funkcie väzbou na rôzne ligandy. Takéto proteíny sa nazývajú multifunkčné.

3. Lieky sú ligandy, ktoré ovplyvňujú funkciu bielkovín. Interakcia proteínov s ligandami je špecifická. Vzhľadom na konformačnú labilitu proteínu a jeho aktívneho centra je však možné vybrať inú látku, ktorá by tiež mohla interagovať s proteínom v aktívnom centre alebo inej časti molekuly.

Látka podobná svojou štruktúrou prirodzenému ligandu sa nazýva štruktúrny analóg ligandu alebo neprirodzený ligand. Tiež interaguje s proteínom na aktívnom mieste. Štrukturálny analóg ligandu môže zosilňovať funkciu proteínu (agonista), a znížiť ho (antagonista). Ligand a jeho štruktúrne analógy navzájom súťažia o väzbu na proteín na rovnakom mieste. Takéto látky sú tzv konkurenčné modulátory(regulátory) funkcií proteínov. Mnohé lieky pôsobia ako proteínové inhibítory. Niektoré z nich sa získavajú chemickou modifikáciou prírodných ligandov. Inhibítory proteínových funkcií môžu byť lieky a jedy.

Atropín je kompetitívny inhibítor M-cholinergných receptorov. Acetylcholín je neurotransmiter na prenos nervových impulzov cez cholinergné synapsie. Na uskutočnenie excitácie musí acetylcholín uvoľnený do synaptickej štrbiny interagovať s receptorovým proteínom postsynaptickej membrány. Našli sa dva typy cholinergné receptory:

M receptor okrem acetylcholínu selektívne interaguje s muskarínom (toxín muchovníka). M - cholinergné receptory sú prítomné na hladkých svaloch a pri interakcii s acetylcholínom spôsobujú ich kontrakciu;

H receptoršpecificky sa viažu na nikotín. N-cholinergné receptory sa nachádzajú v synapsiách priečne pruhovaných kostrových svalov.

Špecifický inhibítor M-cholinergné receptory je atropín. Nachádza sa v rastlinách belladonna a henbane.

Atropín má funkčné skupiny podobné štruktúrou ako acetylcholín a ich priestorové usporiadanie, preto je kompetitívnym inhibítorom M-cholinergných receptorov. Vzhľadom na to, že väzba acetylcholínu na M-cholinergné receptory spôsobuje kontrakciu hladkých svalov, atropín sa používa ako liek, ktorý uvoľňuje ich kŕče. (proti kŕčom). Je teda známe, že atropín sa používa na uvoľnenie očných svalov pri pohľade na fundus, ako aj na zmiernenie kŕčov počas gastrointestinálnej koliky. M-cholinergné receptory sú prítomné aj v centrálnom nervovom systéme (CNS), takže veľké dávky atropínu môžu spôsobiť nežiaducu reakciu centrálneho nervového systému: motorické a duševné vzrušenie, halucinácie, kŕče.

Ditilín je kompetitívny agonista H-cholinergných receptorov, ktorý inhibuje funkciu neuromuskulárnych synapsií.

Neuromuskulárne synapsie kostrových svalov obsahujú H-cholinergné receptory. Ich interakcia s acetylcholínom vedie k svalovým kontrakciám. Pri niektorých chirurgických operáciách, ako aj pri endoskopických štúdiách sa používajú lieky, ktoré spôsobujú relaxáciu kostrových svalov (svalové relaxanciá). Patrí medzi ne ditilín, ktorý je štruktúrnym analógom acetylcholínu. Viaže sa na H-cholinergné receptory, ale na rozdiel od acetylcholínu ho veľmi pomaly ničí enzým acetylcholínesteráza. V dôsledku dlhšieho otvárania iónových kanálov a pretrvávajúcej depolarizácie membrány je narušené vedenie nervových vzruchov a dochádza k svalovej relaxácii. Spočiatku boli tieto vlastnosti objavené v jede kurare, preto sa takéto lieky nazývajú podobný kurare.

TÉMA 1.3. DENATURÁCIA PROTEÍNOV A MOŽNOSŤ ICH SPONTÁNNEJ RENATIVÁCIE

1. Keďže prirodzená konformácia proteínov je zachovaná v dôsledku slabých interakcií, zmeny v zložení a vlastnostiach prostredia obklopujúceho proteín, vystavenie chemickým činidlám a fyzikálnym faktorom spôsobujú zmenu ich konformácie (vlastnosť konformačnej lability). Rozbitie veľkého počtu väzieb vedie k deštrukcii natívnej konformácie a denaturácii proteínov.

Denaturácia bielkovín- ide o deštrukciu ich natívnej konformácie pod vplyvom denaturačných činidiel, spôsobenú pretrhnutím slabých väzieb, ktoré stabilizujú priestorovú štruktúru proteínu. Denaturácia je sprevádzaná deštrukciou unikátnej trojrozmernej štruktúry a aktívneho centra proteínu a stratou jeho biologickej aktivity (obr. 1.16).

Všetky denaturované molekuly jedného proteínu získavajú náhodnú konformáciu, ktorá sa líši od iných molekúl toho istého proteínu. Ukazuje sa, že aminokyselinové radikály, ktoré tvoria aktívne centrum, sú od seba priestorovo vzdialené, t.j. špecifické väzbové miesto proteínu s ligandom je zničené. Počas denaturácie zostáva primárna štruktúra proteínov nezmenená.

Aplikácia denaturačných činidiel v biologickom výskume a medicíne. V biochemických štúdiách sa pred stanovením zlúčenín s nízkou molekulovou hmotnosťou v biologickom materiáli zvyčajne najskôr z roztoku odstránia proteíny. Na tento účel sa najčastejšie používa kyselina trichlóroctová (TCA). Po pridaní TCA do roztoku sa vyzrážajú denaturované proteíny a dajú sa ľahko odstrániť filtráciou (tabuľka 1.1.)

V medicíne sa denaturačné činidlá často používajú na sterilizáciu lekárskych nástrojov a materiálov v autoklávoch (denaturačným činidlom je vysoká teplota) a ako antiseptiká (alkohol, fenol, chlóramín) na ošetrenie kontaminovaných povrchov obsahujúcich patogénnu mikroflóru.

2. Spontánna reaktivácia proteínov- dôkaz determinizmu primárnej štruktúry, konformácie a funkcie bielkovín. Jednotlivé proteíny sú produkty jedného génu, ktoré majú identickú sekvenciu aminokyselín a v bunke nadobúdajú rovnakú konformáciu. Zásadný záver, že primárna štruktúra proteínu už obsahuje informácie o jeho konformácii a funkcii, bol urobený na základe schopnosti niektorých proteínov (najmä ribonukleázy a myoglobínu) spontánne renativovať – obnoviť svoju prirodzenú konformáciu po denaturácii.

Tvorba priestorových proteínových štruktúr sa uskutočňuje metódou samoskladania - spontánnym procesom, pri ktorom má polypeptidový reťazec, ktorý má jedinečnú primárnu štruktúru, tendenciu prijať konformáciu s najnižšou voľnou energiou v roztoku. Schopnosť renativácie proteínov, ktoré si po denaturácii zachovávajú svoju primárnu štruktúru, bola opísaná v experimente s enzýmom ribonukleázou.

Ribonukleáza je enzým, ktorý rozkladá väzby medzi jednotlivými nukleotidmi v molekule RNA. Tento globulárny proteín má jeden polypeptidový reťazec, ktorého terciárna štruktúra je stabilizovaná mnohými slabými a štyrmi disulfidovými väzbami.

Ošetrenie ribonukleázy močovinou, ktorá ruší vodíkové väzby v molekule, a redukčným činidlom, ktoré štiepi disulfidové väzby, vedie k denaturácii enzýmu a strate jeho aktivity.

Odstránenie denaturačných činidiel dialýzou vedie k obnoveniu konformácie a funkcie proteínu, t.j. k znovuzrodeniu. (obr. 1.17).

Ryža. 1.17. Denaturácia a renativácia ribonukleázy

A - natívna konformácia ribonukleázy, v terciárnej štruktúre ktorej sú štyri disulfidové väzby; B - denaturovaná molekula ribonukleázy;

B - reaktivovaná molekula ribonukleázy s obnovenou štruktúrou a funkciou

1. Vyplňte tabuľku 1.2.

Tabuľka 1.2. Klasifikácia aminokyselín podľa polarity radikálov

2. Napíšte vzorec tetrapeptidu:

Asp - Pro - Fen - Liz

a) zvýraznenie opakujúcich sa skupín v peptide, ktoré tvoria peptidový hlavný reťazec, a variabilné skupiny reprezentované aminokyselinovými radikálmi;

b) označte N- a C-konce;

c) zvýraznenie peptidových väzieb;

d) napíšte ďalší peptid pozostávajúci z rovnakých aminokyselín;

e) spočítajte počet možných variantov tetrapeptidu s podobným zložením aminokyselín.

3. Vysvetlite úlohu primárnej štruktúry proteínov na príklade komparatívnej analýzy dvoch štruktúrne podobných a evolučne blízkych peptidových hormónov neurohypofýzy cicavcov - oxytocínu a vazopresínu (tab. 1.3).

Tabuľka 1.3. Štruktúra a funkcie oxytocínu a vazopresínu

Pre to:

a) porovnať zloženie a sekvenciu aminokyselín dvoch peptidov;

b) nájsť podobnosť primárnej štruktúry týchto dvoch peptidov a podobnosť ich biologického účinku;

c) nájsť rozdiely v štruktúre dvoch peptidov a rozdiely v ich funkciách;

d) vyvodiť záver o vplyve primárnej štruktúry peptidov na ich funkcie.

4. Popíšte hlavné štádiá tvorby konformácie globulárnych proteínov (sekundárne, terciárne štruktúry, pojem supersekundárna štruktúra). Uveďte typy väzieb, ktoré sa podieľajú na tvorbe proteínových štruktúr. Ktoré aminokyselinové radikály sa môžu podieľať na tvorbe hydrofóbnych interakcií, iónových, vodíkových väzieb.

Uveďte príklady.

5. Definujte pojem „konformačná labilita proteínov“, uveďte dôvody jeho existencie a význam.

6. Rozšírte význam nasledujúceho slovného spojenia: „Fungovanie proteínov je založené na ich špecifickej interakcii s ligandom“ použitím pojmov a vysvetlením ich významu: proteínová konformácia, aktívne centrum, ligand, komplementarita, proteínová funkcia.

7. Na jednom príklade vysvetlite, čo sú domény a aká je ich úloha vo fungovaní proteínov.

SEBAOVLÁDACIE ÚLOHY

1. Zápas.

Funkčná skupina v aminokyselinovom radikále:

A. Karboxylová skupina B. Hydroxylová skupina C Guanidínová skupina D. Tiolová skupina E. Aminoskupina

2. Vyberte správne odpovede.

Aminokyseliny s polárnymi nenabitými radikálmi sú:

A. Cis B. Asn

B. Glu G. Tri

3. Vyberte správne odpovede.

Radikály aminokyselín:

A. Poskytnúť špecifickosť primárnej štruktúry B. Podieľať sa na tvorbe terciárnej štruktúry

B. Nachádzajú sa na povrchu proteínu a ovplyvňujú jeho rozpustnosť D. Tvoria aktívne centrum

D. Podieľať sa na tvorbe peptidových väzieb

4. Vyberte správne odpovede.

Medzi aminokyselinovými radikálmi sa môžu vytvárať hydrofóbne interakcie:

A. Tre Lay B. Pro Tri

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

5. Vyberte správne odpovede.

Medzi aminokyselinovými radikálmi sa môžu vytvárať iónové väzby:

A. Gln Asp B. Apr Liz

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

6. Vyberte správne odpovede.

Medzi aminokyselinovými radikálmi sa môžu vytvárať vodíkové väzby:

A. Ser Gln B. Cis Tre

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

7. Zápas.

Typ väzby zapojenej do tvorby proteínovej štruktúry:

A. Primárna štruktúra B. Sekundárna štruktúra

B. Terciárna štruktúra

D. Supersekundárna štruktúra E. Konformácia.

1. Vodíkové väzby medzi atómami hlavného reťazca peptidu

2. Slabé väzby medzi funkčnými skupinami aminokyselinových radikálov

3. Väzby medzi α-amino a α-karboxylovými skupinami aminokyselín

8. Vyberte správne odpovede. Trypsín:

A. Proteolytický enzým B. Obsahuje dve domény

B. Hydrolyzuje škrob

D. Aktívne miesto sa nachádza medzi doménami. D. Pozostáva z dvoch polypeptidových reťazcov.

9. Vyberte správne odpovede. Atropín:

A. Neurotransmiter

B. Štrukturálny analóg acetylcholínu

B. Interaguje s H-cholinergnými receptormi

D. Posilňuje vedenie nervových vzruchov cez cholinergné synapsie

D. Kompetitívny inhibítor M-cholinergných receptorov

10. Vyberte správne tvrdenia. V bielkovinách:

A. Primárna štruktúra obsahuje informácie o štruktúre jej aktívneho miesta

B. Aktívne centrum sa tvorí na úrovni primárnej štruktúry

B. Konformácia je pevne fixovaná kovalentnými väzbami

D. Aktívne miesto môže interagovať so skupinou podobných ligandov

v dôsledku konformačnej lability proteínov D. Zmeny v prostredí môžu ovplyvniť afinitu aktívnych

centrum k ligandu

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

3. A, B, C, D.

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

8. A, B, C, D.

ZÁKLADNÉ POJMY A POJMY

1. Proteín, polypeptid, aminokyseliny

2. Primárne, sekundárne, terciárne proteínové štruktúry

3. Konformácia, natívna bielkovinová konformácia

4. Kovalentné a slabé väzby v proteíne

5. Konformačná labilita

6. Aktívne miesto proteínu

7. Ligandy

8. Skladanie bielkovín

9. Štruktúrne analógy ligandov

10. Doménové proteíny

11. Jednoduché a zložité bielkoviny

12. Denaturácia bielkovín, denaturačné činidlá

13. Reaktivácia proteínov

Riešiť problémy

"Štrukturálna organizácia bielkovín a základ ich fungovania"

1. Hlavnou funkciou proteínu - hemoglobínu A (HbA) je transport kyslíka do tkanív. V ľudskej populácii sú známe viaceré formy tohto proteínu so zmenenými vlastnosťami a funkciou – takzvané abnormálne hemoglobíny. Napríklad sa zistilo, že hemoglobín S, ktorý sa nachádza v červených krvinkách pacientov s kosáčikovitou anémiou (HbS), má nízku rozpustnosť v podmienkach nízkeho parciálneho tlaku kyslíka (ako je to v prípade venóznej krvi). To vedie k tvorbe agregátov tohto proteínu. Proteín stráca svoju funkciu, vyzráža sa a červené krvinky majú nepravidelný tvar (niektoré z nich majú kosáčikovitý tvar) a v slezine sa ničia rýchlejšie ako zvyčajne. V dôsledku toho sa vyvíja kosáčikovitá anémia.

Jediný rozdiel v primárnej štruktúre HbA bol nájdený v N-terminálnej oblasti β-reťazca hemoglobínu. Porovnajte N-terminálne oblasti β-vlákna a ukážte, ako zmeny v primárnej štruktúre proteínu ovplyvňujú jeho vlastnosti a funkcie.

Pre to:

a) napíšte vzorce aminokyselín, ktorými sa HbA líšia a porovnajte vlastnosti týchto aminokyselín (polarita, náboj).

b) vyvodiť záver o dôvode zníženia rozpustnosti a narušenia transportu kyslíka do tkanív.

2. Na obrázku je znázornená schéma štruktúry proteínu, ktorý má väzbové centrum s ligandom (aktívne centrum). Vysvetlite, prečo je proteín selektívny pri výbere ligandu. Pre to:

a) zapamätajte si, čo je aktívne centrum proteínu a zvážte štruktúru aktívneho centra proteínu znázorneného na obrázku;

b) napíšte vzorce radikálov aminokyselín, ktoré tvoria aktívne centrum;

c) nakreslite ligand, ktorý by mohol špecificky interagovať s aktívnym miestom proteínu. Označte na ňom funkčné skupiny, ktoré môžu vytvárať väzby s aminokyselinovými radikálmi, ktoré tvoria aktívne centrum;

d) uveďte typy väzieb, ktoré vznikajú medzi radikálmi ligandu a aminokyseliny aktívneho centra;

e) vysvetliť, na čom je založená špecifickosť interakcie proteín-ligand.

3. Obrázok ukazuje aktívne miesto proteínu a niekoľko ligandov.

Určte, ktorý ligand s najväčšou pravdepodobnosťou interaguje s aktívnym miestom proteínu a prečo.

Aké typy väzieb vznikajú pri tvorbe komplexu proteín-ligand?

4. Štrukturálne analógy prirodzených proteínových ligandov môžu byť použité ako liečivá na modifikáciu aktivity proteínov.

Acetylcholín je mediátorom prenosu excitácie na neuromuskulárnych synapsiách. Keď acetylcholín interaguje s proteínmi - receptormi postsynaptickej membrány kostrových svalov, otvárajú sa iónové kanály a dochádza k svalovej kontrakcii. Ditilín je liek, ktorý sa používa pri niektorých operáciách na uvoľnenie svalov, pretože narúša prenos nervových vzruchov cez neuromuskulárne synapsie. Vysvetlite mechanizmus účinku ditilínu ako myorelaxancia. Pre to:

a) napíšte vzorce acetylcholínu a ditilínu a porovnajte ich štruktúru;

b) opíšte mechanizmus relaxačného účinku ditilínu.

5. Pri niektorých ochoreniach sa telesná teplota pacienta zvyšuje, čo sa považuje za ochrannú reakciu tela. Vysoké teploty však telovým bielkovinám škodia. Vysvetlite, prečo sa pri teplotách nad 40 °C narúša funkcia bielkovín a vzniká ohrozenie života človeka. Ak to chcete urobiť, nezabudnite:

1) Štruktúra proteínov a väzieb, ktoré držia ich štruktúru v natívnej konformácii;

2) Ako sa mení štruktúra a funkcia bielkovín so zvyšujúcou sa teplotou?;

3) Čo je homeostáza a prečo je dôležitá pre udržanie zdravia človeka.

Modulárna jednotka 2 OLIGOMERICKÉ PROTEÍNY AKO CIELE REGULAČNÝCH VPLYVOV. ŠTRUKTURÁLNA A FUNKČNÁ ROZMANITOSŤ PROTEÍNOV. METÓDY ODDELENIA A ČISTENIA PROTEÍNOV

Ciele vzdelávania Byť schopný:

1. Využite poznatky o vlastnostiach štruktúry a funkcií oligomérnych proteínov na pochopenie adaptívnych mechanizmov regulácie ich funkcií.

2. Vysvetlite úlohu chaperónov pri syntéze a udržiavaní konformácie proteínov v bunkových podmienkach.

3. Vysvetlite rozmanitosť prejavov života podľa rozmanitosti štruktúr a funkcií bielkovín syntetizovaných v tele.

4. Analyzujte vzťah medzi štruktúrou proteínov a ich funkciou na príkladoch porovnania príbuzných hemoproteínov – myoglobínu a hemoglobínu, ako aj zástupcov piatich tried proteínov z rodiny imunoglobulínov.

5. Aplikovať poznatky o zvláštnostiach fyzikálno-chemických vlastností bielkovín na výber metód ich čistenia od iných bielkovín a nečistôt.

6. Interpretujte výsledky kvantitatívneho a kvalitatívneho zloženia bielkovín krvnej plazmy na potvrdenie alebo objasnenie klinickej diagnózy.

Vedieť:

1. Vlastnosti štruktúry oligomérnych proteínov a adaptívne mechanizmy regulácie ich funkcií na príklade hemoglobínu.

2. Štruktúra a funkcie chaperónov a ich význam pre udržanie prirodzenej konformácie proteínov v bunkových podmienkach.

3. Princípy spájania proteínov do rodín na základe podobnosti ich konformácie a funkcií na príklade imunoglobulínov.

4. Metódy separácie proteínov na základe charakteristík ich fyzikálno-chemických vlastností.

5. Elektroforéza krvnej plazmy ako metóda hodnotenia kvalitatívneho a kvantitatívneho zloženia bielkovín.

TÉMA 1.4. VLASTNOSTI ŠTRUKTÚRY A FUNGOVANIA OLIGOMERICKÝCH PROTEÍNOV NA PRÍKLADE HEMOGLOBÍNU

1. Mnohé proteíny obsahujú niekoľko polypeptidových reťazcov. Takéto bielkoviny sa nazývajú oligomérny, a jednotlivé reťazce - protoméry. Protoméry v oligomérnych proteínoch sú spojené mnohými slabými nekovalentnými väzbami (hydrofóbne, iónové, vodíkové). Interakcia

protoméry sa uskutočňujú vďaka komplementárnosť ich kontaktné povrchy.

Počet protomérov v oligomérnych proteínoch sa môže značne líšiť: hemoglobín obsahuje 4 protoméry, enzým aspartátaminotransferáza má 12 protomérov a proteín vírusu tabakovej mozaiky obsahuje 2120 protomérov spojených nekovalentnými väzbami. V dôsledku toho môžu mať oligomérne proteíny veľmi vysoké molekulové hmotnosti.

Interakciu jedného protoméru s inými možno považovať za špeciálny prípad interakcie proteín-ligand, pretože každý protomér slúži ako ligand pre iné protoméry. Počet a spôsob spájania protomérov v proteíne je tzv kvartérna proteínová štruktúra.

Proteíny môžu obsahovať protoméry rovnakej alebo rôznej štruktúry, napríklad homodiméry sú proteíny obsahujúce dva identické protoméry a heterodiméry sú proteíny obsahujúce dva rôzne protoméry.

Ak proteíny obsahujú rôzne protoméry, potom na nich môžu vzniknúť väzbové centrá s rôznymi ligandami, ktoré sa líšia štruktúrou. Keď sa ligand naviaže na aktívne miesto, prejaví sa funkcia tohto proteínu. Centrum nachádzajúce sa na inom protoméri sa nazýva alosterické (odlišné od aktívneho). Kontaktovanie alosterický ligand alebo efektor, plní regulačnú funkciu (obr. 1.18). Interakcia alosterického centra s efektorom spôsobuje konformačné zmeny v štruktúre celého oligomérneho proteínu v dôsledku jeho konformačnej lability. To ovplyvňuje afinitu aktívneho miesta pre špecifický ligand a reguluje funkciu tohto proteínu. Zmena v konformácii a funkcii všetkých protomérov počas interakcie oligomérneho proteínu s aspoň jedným ligandom sa nazýva kooperatívne konformačné zmeny. Efektory, ktoré zlepšujú funkciu proteínov, sa nazývajú aktivátory, a efektory, ktoré inhibujú jeho funkciu inhibítory.

Oligomérne proteíny, ako aj proteíny s doménovou štruktúrou teda majú v porovnaní s monomérnymi proteínmi novú vlastnosť – schopnosť alostericky regulovať funkcie (regulácia naviazaním rôznych ligandov na proteín). To možno vidieť porovnaním štruktúr a funkcií dvoch blízko súvisiacich komplexných proteínov, myoglobínu a hemoglobínu.

Ryža. 1.18. Schéma štruktúry dimérneho proteínu

2. Tvorba priestorových štruktúr a fungovanie myoglobínu.

Myoglobín (Mb) je proteín nachádzajúci sa v červených svaloch, ktorého hlavnou funkciou je vytváranie zásob O 2 potrebných pre intenzívnu svalovú prácu. Mb je komplexný proteín obsahujúci bielkovinovú časť – apoMb a nebielkovinovú časť – hem. Primárna štruktúra apoMB určuje jeho kompaktnú globulárnu konformáciu a štruktúru aktívneho centra, ku ktorému je pripojená neproteínová časť myoglobínu, hem. Kyslík prichádzajúci z krvi do svalov sa viaže na Fe+ 2 hemy v myoglobíne. Mb je monomérny proteín, ktorý má veľmi vysokú afinitu k O 2, preto k uvoľňovaniu kyslíka myoglobínom dochádza len pri intenzívnej svalovej práci, kedy parciálny tlak O 2 prudko klesá.

Tvorba konformácie Mv. V červených svaloch sa na ribozómoch počas translácie syntetizuje primárna štruktúra MB, ktorú predstavuje špecifická sekvencia 153 aminokyselinových zvyškov. Sekundárna štruktúra Mb obsahuje osem α-helixov, nazývaných latinskými písmenami od A do H, medzi ktorými sú nehelikálne oblasti. Terciárna štruktúra Mb má podobu kompaktnej globule, v ktorej vybraní sa nachádza aktívne centrum medzi F a E α-helixami (obr. 1.19).

Ryža. 1.19. Štruktúra myoglobínu

3. Vlastnosti štruktúry a fungovania aktívneho centra MV. Aktívne centrum Mb je tvorené prevažne hydrofóbnymi aminokyselinovými radikálmi, ktoré sú od seba v primárnej štruktúre značne vzdialené (napríklad tri 3 9 a Fen 138) Vo vode zle rozpustné ligandy - hem a O 2 - sa viažu na aktívne centrum. Hem je špecifický ligand apoMB (obr. 1.20), ktorého základ tvoria štyri pyrolové kruhy spojené metenylovými mostíkmi; v strede je atóm Fe+ 2 spojený s atómami dusíka pyrolových kruhov štyrmi koordinačnými väzbami. V aktívnom centre Mb sa okrem hydrofóbnych aminokyselinových radikálov nachádzajú aj zvyšky dvoch aminokyselín s hydrofilnými radikálmi - Gis E 7(Gis 64) a GIS F 8(Jeho 93) (obr. 1.21).

Ryža. 1.20. Štruktúra hemu - neproteínová časť myoglobínu a hemoglobínu

Ryža. 1.21. Umiestnenie hemu a O2 v aktívnom mieste apomyoglobínu a protomérov hemoglobínu

Hém je kovalentne viazaný na His F8 cez atóm železa. O 2 sa pripája k žehličke na druhej strane roviny hemu. Jeho E 7 je nevyhnutný pre správnu orientáciu O 2 a uľahčuje pridávanie kyslíka do Fe + 2 hemu

GIS F 8 vytvára koordinačnú väzbu s Fe+ 2 a pevne fixuje hém v aktívnom centre. Gis E 7 nevyhnutné pre správnu orientáciu v aktívnom centre iného ligandu - O 2 pri jeho interakcii s Fe + 2 hem. Mikroprostredie hemu vytvára podmienky pre silnú, ale reverzibilnú väzbu O 2 na Fe + 2 a zabraňuje vstupu vody do hydrofóbneho aktívneho miesta, čo môže viesť k jeho oxidácii na Fe + 3.

Monomérna štruktúra Mb a jeho aktívne centrum určuje vysokú afinitu proteínu k O2.

4. Oligomérna štruktúra Hb a regulácia afinity Hb k O 2 ligandom. Ľudské hemoglobíny- rodina proteínov, ako je myoglobín, príbuzných komplexným proteínom (hemoproteínom). Majú tetramérnu štruktúru a obsahujú dva α-reťazce, líšia sa však štruktúrou ďalších dvoch polypeptidových reťazcov (2α-, 2x-reťazce). Štruktúra druhého polypeptidového reťazca určuje vlastnosti fungovania týchto foriem Hb. Asi 98 % hemoglobínu v červených krvinkách dospelého človeka je hemoglobín A(2a-, 2p-reťazce).

Počas vývoja plodu fungujú dva hlavné typy hemoglobínov: embryonálny Hb(2α, 2ε), ktorý sa nachádza v skorých štádiách vývoja plodu, a hemoglobín F (fetálny)- (2α, 2γ), ktorý nahrádza skorý fetálny hemoglobín v šiestom mesiaci vnútromaternicového vývoja a až po narodení je nahradený Hb A.

HB A je proteín súvisiaci s myoglobínom (MB), ktorý sa nachádza v červených krvinkách dospelých ľudí. Štruktúra jeho jednotlivých protomérov je podobná štruktúre myoglobínu. Sekundárne a terciárne štruktúry myoglobínu a protomérov hemoglobínu sú veľmi podobné, napriek tomu, že v primárnej štruktúre ich polypeptidových reťazcov je identických iba 24 aminokyselinových zvyškov (sekundárna štruktúra protomérov hemoglobínu, podobne ako myoglobín, obsahuje osem α-helixov, označené latinskými písmenami od A do H a terciárna štruktúra má formu kompaktnej globule). Ale na rozdiel od myoglobínu má hemoglobín oligomérnu štruktúru pozostávajúcu zo štyroch polypeptidových reťazcov spojených nekovalentnými väzbami (obrázok 1.22).

Každý protomér Hb je spojený s neproteínovou časťou – hemom a susednými protomérmi. Spojenie proteínovej časti Hb s hémom je podobné ako u myoglobínu: v aktívnom centre proteínu sú hydrofóbne časti hému obklopené hydrofóbnymi aminokyselinovými radikálmi s výnimkou His F 8 a His E 7, ktoré sa nachádzajú na oboch stranách hemovej roviny a hrajú podobnú úlohu vo fungovaní proteínu a jeho väzbe s kyslíkom (pozri štruktúru myoglobínu).

Ryža. 1.22. Oligomérna štruktúra hemoglobínu

okrem toho Gis E 7 vykonáva dôležitú dodatočnú úlohu vo fungovaní Nv. Voľný hem má 25 000-krát vyššiu afinitu k CO ako k O2. CO sa v tele tvorí v malom množstve a vzhľadom na svoju vysokú afinitu k hému by mohol narušiť transport O 2 potrebný pre život buniek. V zložení hemoglobínu však afinita hemu k oxidu uhoľnatému prevyšuje afinitu k O 2 len 200-krát v dôsledku prítomnosti His E 7 v aktívnom centre. Zvyšok tejto aminokyseliny vytvára optimálne podmienky pre väzbu hemu na O 2 a oslabuje interakciu hemu s CO.

5. Hlavnou funkciou HB je transport O2 z pľúc do tkanív. Na rozdiel od monomérneho myoglobínu, ktorý má veľmi vysokú afinitu k O2 a plní funkciu ukladania kyslíka v červených svaloch, oligomérna štruktúra hemoglobínu poskytuje:

1) rýchle nasýtenie HB kyslíkom v pľúcach;

2) schopnosť HB uvoľňovať kyslík v tkanivách pri relatívne vysokom parciálnom tlaku O2 (20-40 mm Hg);

3) možnosť regulácie afinity Hb k O2.

6. Kooperatívne zmeny v konformácii protomérov hemoglobínu urýchľujú väzbu O 2 v pľúcach a jeho uvoľňovanie do tkanív. V pľúcach vysoký parciálny tlak O 2 podporuje jeho väzbu na Hb v aktívnom mieste štyroch protomérov (2α a 2β). Aktívne centrum každého protoméru, ako v myoglobíne, sa nachádza medzi dvoma a-helixami (F a E) v hydrofóbnom vrecku. Obsahuje neproteínovú časť - hem, naviazanú na bielkovinovú časť mnohými slabými hydrofóbnymi interakciami a jednu silnú väzbu medzi Fe 2 + hem a His F 8 (pozri obr. 1.21).

V deoxyhemoglobíne vďaka tejto väzbe s His F 8 atóm Fe 2 + vyčnieva z hémovej roviny smerom k histidínu. K väzbe O 2 na Fe 2 + dochádza na druhej strane hému v oblasti His E 7 pomocou jedinej voľnej koordinačnej väzby. Jeho E 7 poskytuje optimálne podmienky pre väzbu O 2 na hemové železo.

Pridanie O 2 k atómu Fe + 2 jedného protoméru spôsobí jeho pohyb do hémovej roviny, po ktorom nasleduje histidínový zvyšok s ním spojený

Ryža. 1.23. Zmena konformácie protoméru hemoglobínu pri kombinácii s O2

To vedie k zmene konformácie všetkých polypeptidových reťazcov v dôsledku ich konformačnej lability. Zmena konformácie iných reťazcov uľahčuje ich interakciu s nasledujúcimi molekulami O2.

Štvrtá molekula O 2 sa viaže na hemoglobín 300-krát ľahšie ako prvá (obr. 1.24).

Ryža. 1.24. Kooperatívne zmeny v konformácii protomérov hemoglobínu počas jeho interakcie s O2

V tkanivách sa každá nasledujúca molekula O 2 odštiepi ľahšie ako predchádzajúca, a to aj v dôsledku kooperatívnych zmien v konformácii protomérov.

7. CO 2 a H+, vznikajúce pri katabolizme organických látok, znižujú afinitu hemoglobínu k O 2 úmerne ich koncentrácii. Energia potrebná na fungovanie buniek sa vyrába predovšetkým v mitochondriách počas oxidácie organických látok pomocou O 2 dodávaného z pľúc hemoglobínom. V dôsledku oxidácie organických látok vznikajú konečné produkty ich rozkladu: CO 2 a K 2 O, ktorých množstvo je úmerné intenzite prebiehajúcich oxidačných procesov.

CO 2 difunduje z buniek do krvi a preniká do červených krviniek, kde sa pôsobením enzýmu karbanhydrázy mení na kyselinu uhličitú. Táto slabá kyselina disociuje na protónový a hydrogénuhličitanový ión.

H+ sú schopní pripojiť sa k Jeho radikálom 14 6 v α- a β-reťazcoch hemoglobínu, t.j. v oblastiach vzdialených od hemu. Protonizácia hemoglobínu znižuje jeho afinitu k O 2, podporuje odstraňovanie O 2 z oxyHb, tvorbu deoxyHb a zvyšuje prísun kyslíka do tkanív úmerne k počtu vytvorených protónov (obr. 1.25).

Zvýšenie množstva uvoľneného kyslíka v závislosti od zvýšenia koncentrácie H+ v červených krvinkách sa nazýva Bohrov efekt (pomenovaný podľa dánskeho fyziológa Christiana Bohra, ktorý tento efekt objavil ako prvý).

V pľúcach vysoký parciálny tlak kyslíka podporuje jeho väzbu na deoxyHb, čo znižuje afinitu proteínu k H+. Uvoľnené protóny pôsobením kyseliny uhličitej reagujú s hydrogénuhličitanmi za vzniku CO 2 a H 2 O

Ryža. 1.25. Závislosť afinity Hb k O 2 od koncentrácie CO 2 a protónov (Bohrov efekt):

A- vplyv koncentrácie CO 2 a H+ na uvoľňovanie O 2 z komplexu s HB (Bohrov efekt); B- okysličenie deoxyhemoglobínu v pľúcach, tvorba a uvoľňovanie CO2.

Vzniknutý CO 2 vstupuje do alveolárneho priestoru a je odstraňovaný vydychovaným vzduchom. Množstvo kyslíka uvoľneného hemoglobínom v tkanivách je teda regulované produktmi katabolizmu organických látok: čím intenzívnejší je rozklad látok, napríklad pri fyzickom výkone, tým vyššia je koncentrácia CO 2 a H + a tým viac kyslíka tkanivá dostávajú v dôsledku zníženia afinity Hb k O2.

8. Allosterická regulácia afinity Hb k O2 ligandom - 2,3-bisfosfoglycerátom. V erytrocytoch sa alosterický ligand hemoglobínu, 2,3-bisfosfoglycerát (2,3-BPG), syntetizuje z produktu oxidácie glukózy – 1,3-bisfosfoglycerátu. Za normálnych podmienok je koncentrácia 2,3-BPG vysoká a porovnateľná s koncentráciou Hb. 2,3-BPG má silný záporný náboj -5.

Bisfosfoglycerát v tkanivových kapilárach, ktorý sa viaže na deoxyhemoglobín, zvyšuje uvoľňovanie kyslíka do tkanív a znižuje afinitu Hb k O2.

V strede molekuly tetramérneho hemoglobínu je dutina. Tvoria ho aminokyselinové zvyšky všetkých štyroch protomérov (pozri obr. 1.22). V tkanivových kapilárach vedie protonácia Hb (Bohrov efekt) k pretrhnutiu väzby medzi hemovým železom a O2. V molekule

deoxyhemoglobínu sa v porovnaní s oxyhemoglobínom objavujú ďalšie iónové väzby, ktoré spájajú protoméry, v dôsledku čoho sa v porovnaní s oxyhemoglobínom zväčšujú rozmery centrálnej dutiny. Centrálna dutina je miestom pripojenia 2,3-BPG k hemoglobínu. V dôsledku rozdielu vo veľkosti centrálnej dutiny sa 2,3-BPG môže pripojiť iba k deoxyhemoglobínu.

2,3-BPG interaguje s hemoglobínom v mieste vzdialenom od aktívnych centier proteínu a patrí do alosterický(regulačné) ligandy a centrálna dutina Hb je alosterické centrum. 2,3-BPG má silný negatívny náboj a interaguje s piatimi kladne nabitými skupinami dvoch β-reťazcov Hb: N-koncovou a-aminoskupinou Val a radikálmi Lys 82 His 143 (obr. 1.26).

Ryža. 1.26. BPG v centrálnej dutine deoxyhemoglobínu

BPG sa viaže na tri pozitívne nabité skupiny na každom p-vlákne.

V tkanivových kapilárach výsledný deoxyhemoglobín interaguje s 2,3-BPG a medzi kladne nabitými radikálmi β-reťazcov a záporne nabitým ligandom vznikajú iónové väzby, ktoré menia konformáciu proteínu a znižujú afinitu Hb k O2. . Zníženie afinity Hb k O2 podporuje účinnejšie uvoľňovanie O2 do tkaniva.

V pľúcach pri vysokom parciálnom tlaku kyslík interaguje s Hb a spája hémové železo; v tomto prípade sa mení konformácia proteínu, centrálna dutina sa zmenšuje a 2,3-BPG je vytesnený z alosterického centra

Oligomérne proteíny teda majú nové vlastnosti v porovnaní s monomérnymi proteínmi. Pripojenie ligandov na miestach

priestorovo vzdialené od seba (alosterické), môžu spôsobiť konformačné zmeny v celej molekule proteínu. V dôsledku interakcie s regulačnými ligandami nastáva zmena konformácie a prispôsobenie funkcie molekuly proteínu zmenám prostredia.

TÉMA 1.5. UDRŽOVANIE NATÍVNEJ KONFORMÁCIE PROTEÍNOV V PODMIENKACH BUNIEK

V bunkách pri syntéze polypeptidových reťazcov, ich transporte cez membrány do zodpovedajúcich častí bunky, pri procese skladania (tvorba natívnej konformácie) a pri zostavovaní oligomérnych proteínov, ako aj pri ich fungovaní, intermediárne V proteínovej štruktúre vznikajú nestabilné konformácie náchylné na agregáciu. Hydrofóbne radikály, zvyčajne skryté vo vnútri molekuly proteínu v natívnej konformácii, sa objavujú na povrchu v nestabilnej konformácii a majú tendenciu spájať sa so skupinami iných proteínov, ktoré sú zle rozpustné vo vode. V bunkách všetkých známych organizmov boli nájdené špeciálne proteíny, ktoré zabezpečujú optimálne skladanie bunkových proteínov, stabilizujú ich natívnu konformáciu počas fungovania a hlavne udržujú štruktúru a funkcie intracelulárnych proteínov pri narušenej homeostáze. Tieto proteíny sa nazývajú "služobníci"čo vo francúzštine znamená „chůva“.

1. Molekulové chaperóny a ich úloha v prevencii denaturácie bielkovín.

Chaperóny (CH) sú klasifikované podľa hmotnosti ich podjednotiek. Chaperóny s vysokou molekulovou hmotnosťou majú hmotnosť od 60 do 110 kDa. Spomedzi nich boli najviac študované tri triedy: Sh-60, Sh-70 a Sh-90. Každá trieda zahŕňa rodinu príbuzných proteínov. Sh-70 teda zahŕňa proteíny s molekulovou hmotnosťou od 66 do 78 kDa. Chaperóny s nízkou molekulovou hmotnosťou majú molekulovú hmotnosť od 40 do 15 kDa.

Medzi sprievodcami sú konštitutívny proteíny, ktorých vysoká bazálna syntéza nezávisí od stresových účinkov na bunky tela, a indukovateľný, ktorých syntéza je za normálnych podmienok slabá, ale pri strese sa prudko zvyšuje. Indukovateľné chaperóny sa tiež nazývajú „proteíny tepelného šoku“, pretože boli prvýkrát objavené v bunkách vystavených vysokým teplotám. V bunkách je v dôsledku vysokej koncentrácie proteínov ťažká spontánna reaktivácia čiastočne denaturovaných proteínov. Sh-70 môže zabrániť nástupu denaturácie a pomôcť obnoviť prirodzenú konformáciu proteínov. Molekulárne chaperóny-70- vysoko konzervovaná trieda proteínov, ktorá sa nachádza vo všetkých častiach bunky: cytoplazma, jadro, endoplazmatické retikulum, mitochondrie. Na karboxylovom konci jediného polypeptidového reťazca Ř-70 je oblasť, ktorá je drážkou schopnou interagovať s peptidmi dĺžky

od 7 do 9 aminokyselinových zvyškov obohatených o hydrofóbne radikály. Takéto oblasti v globulárnych proteínoch sa vyskytujú približne každých 16 aminokyselín. Sh-70 je schopný chrániť proteíny pred tepelnou inaktiváciou a obnoviť konformáciu a aktivitu čiastočne denaturovaných proteínov.

2. Úloha chaperónov pri skladaní proteínov. Počas syntézy proteínov na ribozóme sa N-koncová oblasť polypeptidu syntetizuje pred C-koncovou oblasťou. Na vytvorenie natívnej konformácie je potrebná úplná sekvencia aminokyselín proteínu. V procese syntézy proteínov sú chaperóny-70 vďaka štruktúre svojho aktívneho centra schopné uzavrieť oblasti polypeptidu, ktoré sú náchylné na agregáciu, obohatené o hydrofóbne aminokyselinové radikály až do dokončenia syntézy (obrázok 1.27, A ).

Ryža. 1.27. Účasť chaperónov na skladaní proteínov

A - účasť chaperónov-70 pri prevencii hydrofóbnych interakcií medzi sekciami syntetizovaného polypeptidu; B - tvorba natívnej konformácie proteínu v chaperónovom komplexe

Mnoho vysokomolekulárnych proteínov, ktoré majú zložitú konformáciu, ako je doménová štruktúra, sa skladá v špeciálnom priestore tvorenom Sh-60. Ш-60 funguje ako oligomérny komplex pozostávajúci zo 14 podjednotiek. Tvoria dva duté krúžky, z ktorých každý pozostáva zo siedmich podjednotiek, tieto krúžky sú navzájom spojené. Každá podjednotka Sh-60 pozostáva z troch domén: apikálnej (apikálnej), obohatenej o hydrofóbne radikály smerujúce do dutiny kruhu, intermediárnej a ekvatoriálnej (obr. 1.28).

Ryža. 1.28. Štruktúra chaperonínového komplexu pozostávajúceho z 14 Ш-60

A - bočný pohľad; B - pohľad zhora

Do dutiny chaperónových kruhov vstupujú syntetizované proteíny, ktoré majú na povrchu prvky charakteristické pre nezložené molekuly, najmä hydrofóbne radikály. V špecifickom prostredí týchto dutín sa hľadajú možné konformácie, kým sa nenájde jediná energeticky najpriaznivejšia (obr. 1.27, B). Tvorba konformácií a uvoľňovanie proteínov je sprevádzané hydrolýzou ATP v rovníkovej oblasti. Typicky takéto skladanie závislé od chaperónu vyžaduje značné množstvo energie.

Okrem toho, že sa chaperóny podieľajú na tvorbe trojrozmernej štruktúry proteínov a renativácii čiastočne denaturovaných proteínov, sú nevyhnutné aj pre vznik takých základných procesov, ako je zostavovanie oligomérnych proteínov, rozpoznávanie a transport denaturovaných proteínov do lyzozómov, transport proteínov cez membrány a účasť na regulácii aktivity proteínových komplexov.

TÉMA 1.6. RÔZNOSŤ PROTEÍNOV. PROTEÍNOVÉ RODINY: PRÍKLAD IMUNOGLOBULÍNOV

1. Proteíny hrajú rozhodujúcu úlohu v živote jednotlivých buniek i celého mnohobunkového organizmu a ich funkcie sú prekvapivo rôznorodé. To je určené charakteristikami primárnej štruktúry a konformácií proteínov, jedinečnou štruktúrou aktívneho centra a schopnosťou viazať špecifické ligandy.

Len veľmi malá časť všetkých možných variantov peptidových reťazcov môže prijať stabilnú priestorovú štruktúru; väčšina

z nich môže mať mnoho konformácií s približne rovnakou Gibbsovou energiou, ale s rôznymi vlastnosťami. Primárna štruktúra väčšiny známych proteínov vybraných biologickou evolúciou zaisťuje výnimočnú stabilitu jednej z konformácií, ktorá určuje charakteristiky fungovania tohto proteínu.

2. Proteínové rodiny. V rámci rovnakého biologického druhu môžu substitúcie aminokyselinových zvyškov viesť k vzniku rôznych proteínov, ktoré vykonávajú súvisiace funkcie a majú homológne aminokyselinové sekvencie. Takéto príbuzné proteíny majú nápadne podobné konformácie: počet a relatívna poloha a-helixov a/alebo p-štruktúr, väčšina závitov a ohybov polypeptidových reťazcov je podobná alebo identická. Proteíny s homológnymi oblasťami polypeptidového reťazca, podobnou konformáciou a súvisiacimi funkciami sú klasifikované do proteínových rodín. Príklady rodín proteínov: serínové proteinázy, rodina imunoglobulínov, rodina myoglobínov.

Serínové proteinázy- rodina bielkovín, ktoré plnia funkciu proteolytických enzýmov. Patria sem tráviace enzýmy – chymotrypsín, trypsín, elastáza a mnohé faktory zrážania krvi. Tieto proteíny majú identické aminokyseliny v 40 % svojich pozícií a veľmi podobnú konformáciu (obr. 1.29).

Ryža. 1.29. Priestorové štruktúry elastázy (A) a chymotrypsínu (B)

Niektoré substitúcie aminokyselín viedli k zmenám v substrátovej špecifickosti týchto proteínov a k vzniku funkčnej diverzity v rámci rodiny.

3. Imunoglobulínová rodina. Pri fungovaní imunitného systému zohrávajú obrovskú úlohu proteíny nadrodiny imunoglobulínov, ktorá zahŕňa tri rodiny proteínov:

Protilátky (imunoglobulíny);

receptory T-lymfocytov;

Proteíny hlavného histokompatibilného komplexu - MHC triedy 1 a 2 (Major Histocompatibility Complex).

Všetky tieto proteíny majú doménovú štruktúru, pozostávajú z homológnych domén podobných imunite a vykonávajú podobné funkcie: interagujú s cudzími štruktúrami, buď rozpustenými v krvi, lymfe alebo medzibunkovej tekutine (protilátky), alebo umiestnenými na povrchu buniek (vlastné resp. zahraničné).

4. Protilátky- špecifické bielkoviny produkované B lymfocytmi ako odpoveď na vstup cudzej štruktúry do organizmu, tzv antigén.

Vlastnosti štruktúry protilátok

Najjednoduchšie molekuly protilátky pozostávajú zo štyroch polypeptidových reťazcov: dvoch identických ľahkých reťazcov - L, obsahujúcich približne 220 aminokyselín, a dvoch identických ťažkých reťazcov - H, ktoré pozostávajú zo 440-700 aminokyselín. Všetky štyri reťazce v molekule protilátky sú spojené mnohými nekovalentnými väzbami a štyrmi disulfidovými väzbami (obr. 1.30).

Protilátkové ľahké reťazce pozostávajú z dvoch domén: variabilnej domény (VL), umiestnenej v N-koncovej oblasti polypeptidového reťazca, a konštantnej domény (CL), umiestnenej na C-konci. Ťažké reťazce majú zvyčajne štyri domény: jednu variabilnú (VH), umiestnenú na N-konci, a tri konštantné domény (CH1, CH2, CH3) (pozri obr. 1.30). Každá imunoglobulínová doména má β-list superštruktúru, v ktorej sú dva cysteínové zvyšky spojené disulfidovou väzbou.

Medzi dvoma konštantnými doménami CH1 a CH2 je oblasť obsahujúca veľké množstvo prolínových zvyškov, ktoré bránia vytvoreniu sekundárnej štruktúry a interakcii susedných H-reťazcov v tomto segmente. Táto pántová oblasť poskytuje molekule protilátky flexibilitu. Medzi variabilnými doménami ťažkého a ľahkého reťazca sú dve identické miesta viažuce antigén (aktívne miesta pre väzbu antigénov), preto sa takéto protilátky často nazývajú bivalenty. Na väzbe antigénu na protilátku sa nezúčastňuje celá aminokyselinová sekvencia variabilných oblastí oboch reťazcov, ale iba 20-30 aminokyselín umiestnených v hypervariabilných oblastiach každého reťazca. Práve tieto oblasti určujú jedinečnú schopnosť každého typu protilátky interagovať so zodpovedajúcim komplementárnym antigénom.

Protilátky sú jednou z obranných línií tela proti invázii cudzích organizmov. Ich fungovanie možno rozdeliť do dvoch etáp: prvým stupňom je rozpoznanie a naviazanie antigénu na povrch cudzích organizmov, čo je možné vďaka prítomnosti miest viažucich antigén v štruktúre protilátky; druhým stupňom je spustenie procesu inaktivácie a deštrukcie antigénu. Špecifickosť druhého štádia závisí od triedy protilátok. Existuje päť tried ťažkých reťazcov, ktoré sa navzájom líšia štruktúrou konštantných domén: α, δ, ε, γ a μ, podľa ktorých sa rozlišuje päť tried imunoglobulínov: A, D, E, G a M.

Štrukturálne znaky ťažkých reťazcov dávajú pántovým oblastiam a C-koncovým oblastiam ťažkých reťazcov konformáciu charakteristickú pre každú triedu. Potom, čo sa antigén naviaže na protilátku, konformačné zmeny v konštantných doménach určujú cestu na odstránenie antigénu.

Ryža. 1. 30. Štruktúra domény IgG

Imunoglobulíny M

Imunoglobulíny M majú dve formy.

Monomérna forma- 1. trieda protilátok produkovaných vývojom B lymfocytov. Následne mnohé B bunky prejdú na produkciu iných tried protilátok, ale s rovnakým väzbovým miestom pre antigén. IgM je zabudovaný v membráne a pôsobí ako receptor rozpoznávajúci antigén. Integrácia IgM do bunkovej membrány je možná vďaka prítomnosti 25 hydrofóbnych aminokyselinových zvyškov v chvostovej časti oblasti.

Sekrečná forma IgM obsahuje päť monomérnych podjednotiek spojených navzájom disulfidovými väzbami a ďalší polypeptidový J reťazec (obr. 1.31). Ťažké reťazce monomérov tejto formy neobsahujú hydrofóbny koniec. Pentamér má 10 väzbových miest pre antigén, a preto je účinný pri rozpoznávaní a odstraňovaní antigénu, ktorý ako prvý vstupuje do tela. Sekrečná forma IgM je hlavnou triedou protilátok vylučovaných do krvi počas primárnej imunitnej odpovede. Väzba IgM na antigén mení konformáciu IgM a vyvoláva jeho väzbu na prvú proteínovú zložku systému komplementu (systém komplementu je súbor proteínov podieľajúcich sa na deštrukcii antigénu) a aktiváciu tohto systému. Ak sa antigén nachádza na povrchu mikroorganizmu, komplementový systém spôsobí narušenie integrity bunkovej membrány a smrť bakteriálnej bunky.

Imunoglobulíny G

Kvantitatívne táto trieda imunoglobulínov prevláda v krvi (75 % všetkých Ig). IgG - monoméry, hlavná trieda protilátok vylučovaných do krvi počas sekundárnej imunitnej odpovede. Po interakcii IgG s povrchovými antigénmi mikroorganizmov je komplex antigén-protilátka schopný viazať a aktivovať proteíny komplementového systému alebo môže interagovať so špecifickými receptormi makrofágov a neutrofilov. Interakcia s fagocytmi vedie

Ryža. 1.31. Štruktúra sekrečnej formy IgM

k absorpcii komplexov antigén-protilátka a ich deštrukcii v bunkových fagozómoch. IgG je jediná trieda protilátok, ktoré sú schopné preniknúť cez placentárnu bariéru a poskytnúť vnútromaternicovú ochranu plodu pred infekciami.

Imunoglobulíny A

Hlavná trieda protilátok prítomných v sekrétoch (mlieko, sliny, sekréty dýchacích ciest a črevného traktu). IgA sa vylučuje primárne v dimérnej forme, kde sú monoméry navzájom spojené prostredníctvom ďalšieho J reťazca (obr. 1.32).

IgA neinteraguje so systémom komplementu a fagocytárnymi bunkami, ale väzbou na mikroorganizmy protilátky bránia ich prichyteniu na epitelové bunky a prieniku do organizmu.

Imunoglobulíny E

Imunoglobulíny E sú reprezentované monomérmi, v ktorých ťažké ε-reťazce obsahujú, podobne ako μ-reťazce imunoglobulínov M, jednu variabilnú a štyri konštantné domény. Po sekrécii sa IgE viaže s jeho

Ryža. 1.32. Štruktúra IgA

C-koncové oblasti so zodpovedajúcimi receptormi na povrchu žírnych buniek a bazofilov. Tým sa stávajú receptormi pre antigény na povrchu týchto buniek (obr. 1.33).

Ryža. 1.33. Interakcia IgE s antigénom na povrchu žírnej bunky

Po naviazaní antigénu na zodpovedajúce miesta viažuce antigén IgE bunky dostanú signál na vylučovanie biologicky aktívnych látok (histamín, serotonín), ktoré sú z veľkej časti zodpovedné za rozvoj zápalovej reakcie a za prejav alergických reakcií ako napr. astma, žihľavka, senná nádcha.

Imunoglobulíny D

Imunoglobulíny D sa nachádzajú vo veľmi malých množstvách v sére, sú to monoméry. Ťažké 5 reťazce majú jednu variabilnú a tri konštantné domény. IgD pôsobia ako receptory pre B lymfocyty, ďalšie funkcie sú stále neznáme. Interakcia špecifických antigénov s receptormi na povrchu B-lymfocytov (IgD) vedie k prenosu týchto signálov do bunky a aktivácii mechanizmov, ktoré zabezpečujú proliferáciu daného klonu lymfocytov.

TÉMA 1.7. FYZIKÁLNE A CHEMICKÉ VLASTNOSTI PROTEÍNOV A METÓDY ICH ODDELENIA

1. Jednotlivé proteíny sa líšia fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami:

Tvar molekúl;

Molekulová hmotnosť;

Celkový náboj, ktorého veľkosť závisí od pomeru aniónových a katiónových skupín aminokyselín;

Pomer polárnych a nepolárnych aminokyselinových radikálov na povrchu molekúl;

Stupne odolnosti voči rôznym denaturačným činidlám.

2. Rozpustnosť bielkovín závisí na vlastnostiach proteínov uvedených vyššie, ako aj na zložení média, v ktorom je proteín rozpustený (hodnoty pH, zloženie solí, teplota, prítomnosť iných organických látok, ktoré môžu interagovať s proteínom). Množstvo náboja proteínových molekúl je jedným z faktorov ovplyvňujúcich ich rozpustnosť. Keď sa náboj v izoelektrickom bode stratí, proteíny ľahšie agregujú a vyzrážajú sa. To je typické najmä pre denaturované proteíny, v ktorých sa na povrchu objavujú hydrofóbne aminokyselinové radikály.

Na povrchu molekuly proteínu sú pozitívne aj negatívne nabité aminokyselinové radikály. Počet týchto skupín a teda aj celkový náboj bielkovín závisí od pH média, t.j. pomer koncentrácií H+ - a OH - skupín. V kyslom prostredí Zvýšenie koncentrácie H+ vedie k potlačeniu disociácie karboxylových skupín -COO - + H+ > - COOH a zníženiu negatívneho náboja bielkovín. V alkalickom prostredí vedie väzba prebytku OH - protónmi vzniknutými pri disociácii aminoskupín -NH 3 + + OH - - NH 2 + H 2 O za vzniku vody k zníženiu kladného náboja bielkovín. . Hodnota pH, pri ktorej má proteín čistý nulový náboj, sa nazýva izoelektrický bod (IEP). V IET je počet kladne a záporne nabitých skupín rovnaký, t.j. proteín je v izoelektrickom stave.

3. Separácia jednotlivých bielkovín. Vlastnosti štruktúry a fungovania tela závisia od súboru proteínov syntetizovaných v ňom. Štúdium štruktúry a vlastností proteínov je nemožné bez ich izolácie z bunky a ich čistenia od iných proteínov a organických molekúl. Etapy izolácie a purifikácie jednotlivých proteínov:

Deštrukcia buniek skúmané tkanivo a získanie homogenátu.

Rozdelenie homogenátu na frakcie centrifugáciou, získaním jadrovej, mitochondriálnej, cytosolickej alebo inej frakcie obsahujúcej požadovaný proteín.

Selektívna tepelná denaturácia- krátkodobé zahrievanie bielkovinového roztoku, pri ktorom je možné odstrániť časť denaturovaných bielkovinových nečistôt (ak je bielkovina relatívne tepelne stabilná).

Vysolenie. Rôzne proteíny sa zrážajú pri rôznych koncentráciách solí v roztoku. Postupným zvyšovaním koncentrácie soli je možné získať množstvo oddelených frakcií s prevažujúcim obsahom izolovaného proteínu v jednej z nich. Na frakcionáciu proteínov sa najčastejšie používa síran amónny. Proteíny s najmenšou rozpustnosťou sa zrážajú pri nízkych koncentráciách solí.

Gélová filtrácia- spôsob preosievania molekúl cez napučané granule Sephadexu (trojrozmerné polysacharidové reťazce dextránu s pórmi). Rýchlosť, ktorou proteíny prechádzajú kolónou naplnenou Sephadexom, bude závisieť od ich molekulovej hmotnosti: čím menšia je hmotnosť molekúl proteínu, tým ľahšie preniknú do granúl a zostanú tam dlhšie, čím väčšia je hmotnosť, tým rýchlejšie sa z granúl uvoľnia; stĺpec.

Ultracentrifugácia- spôsob, ktorý zahŕňa umiestnenie proteínov v centrifugačnej skúmavke do rotora ultracentrifúgy. Keď sa rotor otáča, rýchlosť sedimentácie proteínov je úmerná ich molekulovej hmotnosti: frakcie ťažších proteínov sú umiestnené bližšie k dnu skúmavky, ľahšie - bližšie k povrchu.

Elektroforéza- metóda založená na rozdieloch v rýchlosti pohybu bielkovín v elektrickom poli. Táto hodnota je úmerná náboju proteínov. Elektroforéza proteínov sa vykonáva na papieri (v tomto prípade je rýchlosť pohybu proteínov úmerná iba ich náboju) alebo v polyakrylamidovom géli s určitou veľkosťou pórov (rýchlosť pohybu proteínov je úmerná ich náboju a molekulovej hmotnosti) .

Chromatografia na iónovej výmene- frakcionačná metóda založená na väzbe ionizovaných skupín bielkovín s opačne nabitými skupinami iónomeničových živíc (nerozpustné polymérne materiály). Sila väzby proteínu na živicu je úmerná náboju proteínu. Proteíny adsorbované na iónomeničovom polyméri môžu byť vymyté so zvyšujúcimi sa koncentráciami roztokov NaCl; čím nižší je náboj proteínu, tým nižšia je koncentrácia NaCl potrebná na vymytie proteínu naviazaného na iónové skupiny živice.

Afinitná chromatografia- najšpecifickejšia metóda izolácie jednotlivých proteínov Ligand proteínu je kovalentne pripojený k inertnému polyméru. Keď proteínový roztok prechádza cez kolónu s polymérom, na kolóne sa adsorbuje iba proteín špecifický pre daný ligand v dôsledku komplementárnej väzby proteínu na ligand.

Dialýza- metóda používaná na odstránenie zlúčenín s nízkou molekulovou hmotnosťou z roztoku izolovaného proteínu. Metóda je založená na neschopnosti proteínov prejsť cez polopriepustnú membránu, na rozdiel od látok s nízkou molekulovou hmotnosťou. Používa sa na čistenie bielkovín od nízkomolekulárnych nečistôt, napríklad solí po vysolení.

ÚLOHY NA MIMO ŠKOLSTVO

1. Vyplňte tabuľku. 1.4.

Tabuľka 1.4. Porovnávacia analýza štruktúry a funkcií príbuzných proteínov - myoglobínu a hemoglobínu

a) zapamätať si štruktúru aktívneho centra Mb a Hb. Akú úlohu zohrávajú hydrofóbne aminokyselinové radikály pri tvorbe aktívnych centier týchto proteínov? Popíšte štruktúru aktívneho centra Mb a Hb a mechanizmy pripojenia ligandov k nemu. Akú úlohu hrajú zvyšky His F 8 a His E 7 vo fungovaní aktívneho centra Mv iHv?

b) aké nové vlastnosti v porovnaní s monomérnym myoglobínom má blízko príbuzný oligomérny proteín hemoglobín? Vysvetlite úlohu kooperatívnych zmien v konformácii protomérov v molekule hemoglobínu, vplyv koncentrácií CO 2 a protónov na afinitu hemoglobínu ku kyslíku, ako aj úlohu 2,3-BPG v alosterickej regulácii funkcie Hb .

2. Charakterizujte molekulárne chaperóny, venujte pozornosť vzťahu medzi ich štruktúrou a funkciou.

3. Aké proteíny sú zoskupené do rodín? Pomocou príkladu rodiny imunoglobulínov identifikujte podobné štruktúrne znaky a súvisiace funkcie proteínov tejto rodiny.

4. Na biochemické a medicínske účely sú často potrebné purifikované jednotlivé proteíny. Vysvetlite, na akých fyzikálno-chemických vlastnostiach bielkovín sú založené metódy používané na ich separáciu a čistenie.

SEBAOVLÁDACIE ÚLOHY

1. Vyberte správne odpovede.

Funkcie hemoglobínu:

A. Transport O 2 z pľúc do tkaniva B. Transport H + z tkanív do pľúc

B. Udržiavanie konštantného pH krvi D. Transport CO 2 z pľúc do tkanív

D. Transport CO 2 z tkanív do pľúc

2. Vyberte správne odpovede. Ligandα -protomer Hb je: A. Heme

B. Kyslík

B. CO G. 2,3-BPG

D. P-Protomér

3. Vyberte správne odpovede.

Hemoglobín na rozdiel od myoglobínu:

A. Má kvartérnu štruktúru

B. Sekundárnu štruktúru predstavujú len α-helixy

B. Patrí medzi komplexné bielkoviny

D. Interaguje s alosterickým ligandom D. Kovalentne viazaný na hem

4. Vyberte správne odpovede.

Afinita Hb k O2 klesá:

A. Keď sa pridá jedna molekula O2 B. Keď sa odstráni jedna molekula O2

B. Pri interakcii s 2,3-BPG

D. Keď je pripojený k protomérom H + D. Keď koncentrácia 2,3-BPG klesá

5. Zápas.

Typy HB sa vyznačujú:

A. V deoxy forme tvorí fibrilárne agregáty B. Obsahuje dva α- a dva δ-reťazce

B. Prevládajúca forma Hb v dospelých erytrocytoch D. Obsahuje hém s Fe+ 3 v aktívnom centre

D. Obsahuje dva α- a dva γ-reťazce 1. HbA 2.

6. Zápas.

Hb ligandy:

A. Viaže sa na Hb v alosterickom centre

B. Má veľmi vysokú afinitu k aktívnemu miestu Hb

B. Spojením zvyšuje afinitu Hb k O 2 G. Oxiduje Fe+ 2 na Fe+ 3

D. Vytvára kovalentnú väzbu s hisF8

7. Vyberte správne odpovede.

Sprievodcovia:

A. Proteíny prítomné vo všetkých častiach bunky

B. Syntéza sa zvyšuje pod stresom

B. Podieľať sa na hydrolýze denaturovaných bielkovín

D. Podieľať sa na udržiavaní prirodzenej konformácie proteínov

D. Vytvárajú organely, v ktorých sa tvorí konformácia bielkovín.

8. Zápas. Imunoglobulíny:

A. Sekrečná forma je pentamérna.

B. Trieda Ig, ktorá preniká placentárnou bariérou

B. Ig - receptor mastocytov

D. Hlavná trieda Ig prítomná v sekrétoch epitelových buniek. D. B-lymfocytový receptor, ktorého aktivácia zabezpečuje bunkovú proliferáciu

9. Vyberte správne odpovede.

Imunoglobulíny E:

A. Produkované makrofágmi B. Majú ťažké ε reťazce.

B. Vložené do membrány T-lymfocytov

D. Pôsobia ako membránové antigénne receptory na žírnych bunkách a bazofiloch

D. Zodpovedný za alergické reakcie

10. Vyberte správne odpovede.

Metóda separácie proteínov je založená na rozdieloch v ich molekulovej hmotnosti:

A. Gélová filtrácia

B. Ultracentrifugácia

B. Elektroforéza na polyakrylamidovom géli D. Chromatografia na výmene iónov

D. Afinitná chromatografia

11. Vyber správnu odpoveď.

Metóda separácie proteínov je založená na rozdieloch v ich rozpustnosti vo vode:

A. Gélová filtrácia B. Vysolenie

B. Ionexová chromatografia D. Afinitná chromatografia

D. Elektroforéza v polyakrylamidovom géli

ŠTANDARDY ODPOVEDÍ NA „SEBAOVLÁDACIE ÚLOHY“

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

ZÁKLADNÉ POJMY A POJMY

1. Oligomérne proteíny, protomér, kvartérna štruktúra proteínov

2. Kooperatívne zmeny v konformácii protoméru

3. Bohrov efekt

4. Alosterická regulácia funkcií proteínov, alosterické centrum a alosterický efektor

5. Molekulové chaperóny, proteíny tepelného šoku

6. Proteínové rodiny (serínové proteázy, imunoglobulíny)

7. Vzťah IgM-, G-, E-, A-štruktúra-funkcia

8. Celkový náboj bielkovín, izoelektrický bod bielkovín

9. Elektroforéza

10. Vysolenie

11. Gélová filtrácia

12. Ionexová chromatografia

13. Ultracentrifugácia

14. Afinitná chromatografia

15. Elektroforéza proteínov krvnej plazmy

ÚLOHY NA PRÁCU V TRIEDE

1. Porovnajte závislosti stupňov nasýtenia hemoglobínu (Hb) a myoglobínu (Mb) kyslíkom od jeho parciálneho tlaku v tkanivách

Ryža. 1.34. Závislosť nasýtenia Mv aNHkyslíka z jeho parciálneho tlaku

Upozorňujeme, že tvar kriviek nasýtenia proteínu kyslíkom je odlišný: pre myoglobín - hyperbola, pre hemoglobín - sigmoidný tvar.

1. porovnajte hodnoty parciálneho tlaku kyslíka, pri ktorom sú Mb a Hb nasýtené O 2 na 50%. Ktorý z týchto proteínov má vyššiu afinitu k O2?

2. Aké štrukturálne vlastnosti Mb určujú jeho vysokú afinitu k O 2?

3. Aké štrukturálne vlastnosti HB umožňujú uvoľňovať O2 v kapilárach pokojových tkanív (pri relatívne vysokom parciálnom tlaku O2) a prudko zvyšovať toto uvoľňovanie v pracujúcich svaloch? Aká vlastnosť oligomérnych proteínov poskytuje tento účinok?

4. Vypočítajte, aké množstvo O 2 (v %) okysličeného hemoglobínu dáva kľudovým a pracujúcim svalom?

5. vyvodiť závery o vzťahu medzi štruktúrou proteínu a jeho funkciou.

2. Množstvo kyslíka uvoľneného hemoglobínom v kapilárach závisí od intenzity katabolických procesov v tkanivách (Bohrov efekt). Ako zmeny v tkanivovom metabolizme regulujú afinitu Hb k O2? Vplyv CO 2 a H+ na afinitu Hb k O 2

1. popíšte Bohrov efekt.

2. akým smerom prebieha proces znázornený na diagrame:

a) v kapilárach pľúc;

b) v tkanivových kapilárach?

3. Aký je fyziologický význam Bohrovho efektu?

4. Prečo interakcia Hb s H+ na miestach vzdialených od hemu mení afinitu proteínu k O 2?

3. Afinita Hb k O2 závisí od koncentrácie jeho ligandu – 2,3-bisfosfoglycerátu, ktorý je alosterickým regulátorom afinity Hb k O2. Prečo interakcia ligandu v mieste vzdialenom od aktívneho miesta ovplyvňuje funkciu proteínu? Ako 2,3-BPG reguluje afinitu Hb k O2? Ak chcete problém vyriešiť, odpovedzte na nasledujúce otázky:

1. kde a z čoho sa syntetizuje 2,3-bisfosfoglycerát (2,3-BPG)? Napíšte jej vzorec, uveďte náboj tejto molekuly.

2. S ktorou formou hemoglobínu (oxy alebo deoxy) interaguje BPG a prečo? V ktorej časti molekuly Hb dochádza k interakcii?

3. akým smerom prebieha proces znázornený na diagrame?

a) v tkanivových kapilárach;

b) v kapilárach pľúc?

4. kde by koncentrácia komplexu mala byť vyššia

Nv-2,3-BFG:

a) v kľudových kapilárach svalov,

b) v kapilárach pracujúcich svalov (za predpokladu rovnakej koncentrácie BPG v erytrocytoch)?

5. Ako sa zmení afinita HB ku kyslíku, keď sa človek adaptuje na vysokohorské podmienky, ak sa zvýši koncentrácia BPG v erytrocytoch? Aký je fyziologický význam tohto javu?

4. Deštrukcia 2,3-BPG počas skladovania konzervovanej krvi zhoršuje funkcie HB. Ako sa zmení afinita HB k O 2 v konzervovanej krvi, ak koncentrácia 2,3-BPG v erytrocytoch môže klesnúť z 8 na 0,5 mmol/l. Je možné podať takúto krv ťažko chorým pacientom, ak sa koncentrácia 2,3-BPG obnoví najskôr po troch dňoch? Je možné obnoviť funkcie červených krviniek pridaním 2,3-BPG do krvi?

5. Pamätajte na štruktúru najjednoduchších molekúl imunoglobulínu. Akú úlohu zohrávajú imunoglobulíny v imunitnom systéme? Prečo sa Ig často nazývajú bivalentné? Ako súvisí štruktúra Ig s ich funkciou? (Opíšte pomocou príkladu triedy imunoglobulínov.)

Fyzikálno-chemické vlastnosti proteínov a metódy ich separácie.

6. Ako čistý náboj proteínu ovplyvňuje jeho rozpustnosť?

a) Stanovte celkový náboj peptidu pri pH 7

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

b) ako sa zmení náboj tohto peptidu pri pH >7, pH<7, рН <<7?

c) aký je izoelektrický bod proteínu (IEP) a v akom prostredí leží?

IET tohto peptidu?

d) pri akej hodnote pH bude pozorovaná najmenšia rozpustnosť tohto peptidu.

7. Prečo sa kyslé mlieko na rozdiel od čerstvého mlieka pri varení „zráža“ (t. j. mliečna bielkovina kazeín sa vyzráža)? V čerstvom mlieku majú molekuly kazeínu záporný náboj.

8. Na oddelenie jednotlivých bielkovín sa používa gélová filtrácia. Zmes obsahujúca proteíny A, B, C s molekulovými hmotnosťami 160 000, 80 000 a 60 000 sa analyzovala gélovou filtráciou (obr. 1.35). Napučané gélové granule sú priepustné pre proteíny s molekulovou hmotnosťou menšou ako 70 000. Aký princíp je základom tejto separačnej metódy? Ktorý graf správne odráža výsledky frakcionácie? Uveďte poradie, v ktorom sa proteíny A, B a C uvoľňujú z kolóny.

Ryža. 1.35. Použitie gélovej filtrácie na separáciu proteínov

9. Na obr. 1.36, A ukazuje diagram elektroforézy na papieri proteínov krvného séra od zdravého človeka. Relatívne množstvá proteínových frakcií získaných touto metódou sú: albumíny 54-58 %, ai-globulíny 6-7 %, a2-globulíny 8-9 %, β-globulíny 13 %, y-globulíny 11-12 %.

Ryža. 1.36 Elektroforéza na papieri bielkovín krvnej plazmy zdravého človeka (A) a pacienta (B)

I - y-globulíny; II - β-globulíny; III -α 2-globulín; IV -α 2-globulín; V - albumíny

Mnohé ochorenia sú sprevádzané kvantitatívnymi zmenami v zložení sérových bielkovín (dysproteinémia). Povaha týchto zmien sa berie do úvahy pri stanovení diagnózy a hodnotení závažnosti a štádia ochorenia.

Pomocou údajov uvedených v tabuľke. 1.5, hádajte o chorobe, ktorá je charakterizovaná elektroforetickým profilom uvedeným na obr. 1.36.

Tabuľka 1.5. Zmeny v koncentrácii sérových proteínov v patológii

Proteíny sú organické látky. Tieto vysokomolekulárne zlúčeniny sa vyznačujú určitým zložením a pri hydrolýze sa rozkladajú na aminokyseliny. Proteínové molekuly môžu mať mnoho rôznych foriem, mnohé z nich pozostávajú z niekoľkých polypeptidových reťazcov. Informácie o štruktúre proteínu sú zakódované v DNA a proces syntézy proteínových molekúl sa nazýva translácia.

Chemické zloženie bielkovín

Priemerný proteín obsahuje:

• 52 % uhlíka;
• 7 % vodíka;
• 12 % dusíka;
• 21 % kyslíka;
• 3 % síry.

Proteínové molekuly sú polyméry. Aby sme pochopili ich štruktúru, je potrebné vedieť, aké sú ich monoméry – aminokyseliny.

Aminokyseliny

Zvyčajne sú rozdelené do dvoch kategórií: neustále sa vyskytujúce a príležitostne sa vyskytujúce. Prvý obsahuje 18 a 2 ďalšie amidy: kyselinu asparágovú a kyselinu glutámovú. Niekedy sa nájdu len tri kyseliny.

Tieto kyseliny možno klasifikovať rôznymi spôsobmi: podľa povahy bočných reťazcov alebo náboja ich radikálov ich možno deliť aj podľa počtu skupín CN a COOH.

Primárna proteínová štruktúra

Poradie striedania aminokyselín v proteínovom reťazci určuje jeho následné úrovne organizácie, vlastností a funkcií. Hlavným medzi monomérmi je peptid. Vzniká abstrakciou vodíka z jednej aminokyseliny a OH skupiny z druhej.

Prvou úrovňou organizácie proteínovej molekuly je sekvencia aminokyselín v nej, jednoducho reťazec, ktorý určuje štruktúru proteínových molekúl. Skladá sa z „kostra“, ktorá má pravidelnú štruktúru. Toto je opakujúca sa sekvencia -NH-CH-CO-. Jednotlivé bočné reťazce sú reprezentované aminokyselinovými radikálmi (R), ich vlastnosti určujú zloženie proteínovej štruktúry.

Aj keď je štruktúra molekúl proteínov rovnaká, môžu sa líšiť vlastnosťami len preto, že ich monoméry majú v reťazci inú sekvenciu. Poradie aminokyselín v proteíne je určené génmi a určuje určité biologické funkcie proteínu. Sekvencia monomérov v molekulách zodpovedných za rovnakú funkciu je často podobná u rôznych druhov. Takéto molekuly sú identické alebo podobné v organizácii a vykonávajú rovnaké funkcie v rôznych typoch organizmov - homológnych proteínov. Štruktúra, vlastnosti a funkcie budúcich molekúl sú stanovené už v štádiu syntézy reťazca aminokyselín.

Niektoré spoločné črty

Štruktúra proteínov bola študovaná už dlho a analýza ich primárnej štruktúry umožnila urobiť určité zovšeobecnenia. Väčšie množstvo bielkovín sa vyznačuje prítomnosťou všetkých dvadsiatich aminokyselín, z ktorých je najmä veľa glycínu, alanínu, glutamínu a málo tryptofánu, arginínu, metionínu a histidínu. Jedinou výnimkou sú niektoré skupiny proteínov, napríklad históny. Sú potrebné na balenie DNA a obsahujú veľa histidínu.

Akýkoľvek druh pohybu organizmov (svalová práca, pohyb protoplazmy v bunke, blikanie mihalníc u prvokov atď.) je vykonávaný proteínmi. Štruktúra bielkovín im umožňuje pohybovať sa, vytvárať vlákna a prstence.

Transportná funkcia spočíva v tom, že mnohé látky sú transportované cez bunkovú membránu špeciálnymi nosnými proteínmi.

Hormonálna úloha týchto polymérov je okamžite jasná: rad hormónov má štruktúru proteínov, napríklad inzulín, oxytocín.

Rezervná funkcia je určená tým, že proteíny sú schopné vytvárať usadeniny. Napríklad vaječný valgumín, mliečny kazeín, bielkoviny zo semien rastlín – uchovávajú veľké množstvo živín.

Všetky šľachy, kĺbové kĺby, kostrové kosti, kopytá sú tvorené bielkovinami, čím sa dostávame k ich ďalšej funkcii – podpore.

Proteínové molekuly sú receptory, ktoré vykonávajú selektívne rozpoznávanie určitých látok. Pre túto úlohu sú známe najmä glykoproteíny a lektíny.

Najdôležitejším faktorom imunity sú protilátky a pôvodom sú proteíny. Napríklad proces zrážania krvi je založený na zmenách proteínu fibrinogénu. Vnútorné steny pažeráka a žalúdka sú vystlané ochrannou vrstvou slizničných bielkovín – lycínov. Toxíny sú tiež bielkovinového pôvodu. Základom kože, ktorá chráni telo zvierat, je kolagén. Všetky tieto proteínové funkcie sú ochranné.

No a posledná funkcia je regulačná. Existujú proteíny, ktoré riadia fungovanie genómu. To znamená, že regulujú transkripciu a preklad.

Bez ohľadu na to, akú dôležitú úlohu zohrávajú proteíny, vedci odhalili štruktúru proteínov už veľmi dávno. A teraz objavujú nové spôsoby, ako tieto poznatky využiť.

Lístok 2. 1. Esenciálne nutričné ​​faktory lipidovej povahy. Niektoré lipidy nie sú v ľudskom tele syntetizované, a preto sú základnými nutričnými faktormi. Patria sem mastné kyseliny s dvoma alebo viacerými dvojitými väzbami (polyén) - esenciálne mastné kyseliny. Niektoré z týchto kyselín sú substrátmi pre syntézu lokálnych hormónov – eikozanoidov (téma 8.10).

Vitamíny rozpustné v tukoch vykonávať rôzne funkcie: vitamín A podieľa sa na procese videnia, ako aj na raste a diferenciácii buniek; bola preukázaná jeho schopnosť inhibovať rast určitých typov nádorov; vitamín K podieľa sa na zrážaní krvi; vitamín D podieľa sa na regulácii metabolizmu vápnika; vitamín E- antioxidant, inhibuje tvorbu voľných radikálov a tým pôsobí proti poškodeniu buniek v dôsledku peroxidácie lipidov.

Dokument

2. Štruktúra a úrovne štruktúrnej organizácie proteínov

Existujú štyri úrovne štruktúrnej organizácie proteínov: primárna, sekundárna, terciárna a kvartérna. Každá úroveň má svoje vlastné charakteristiky.

Primárna proteínová štruktúra

Primárna štruktúra proteínov je lineárny polypeptidový reťazec aminokyselín spojených peptidovými väzbami. Primárna štruktúra je najjednoduchšia úroveň štruktúrnej organizácie molekuly proteínu. Vysoká stabilita je daná kovalentnými peptidovými väzbami medzi a-aminoskupinou jednej aminokyseliny a a-karboxylovou skupinou inej aminokyseliny. [šou].

Ak sa iminoskupina prolínu alebo hydroxyprolínu podieľa na tvorbe peptidovej väzby, potom má inú formu [šou].

Keď sa v bunkách vytvoria peptidové väzby, najskôr sa aktivuje karboxylová skupina jednej aminokyseliny a potom sa spojí s aminoskupinou inej. Laboratórna syntéza polypeptidov sa uskutočňuje približne rovnakým spôsobom.

Peptidová väzba je opakujúci sa fragment polypeptidového reťazca. Má množstvo funkcií, ktoré ovplyvňujú nielen tvar primárnej štruktúry, ale aj vyššie úrovne organizácie polypeptidového reťazca:

koplanarita - všetky atómy zahrnuté v peptidovej skupine sú v rovnakej rovine;

schopnosť existovať v dvoch rezonančných formách (keto alebo enol forma);

trans poloha substituentov vzhľadom na väzbu C-N;

schopnosť vytvárať vodíkové väzby a každá z peptidových skupín môže vytvárať dve vodíkové väzby s inými skupinami, vrátane peptidových.

Výnimkou sú peptidové skupiny zahŕňajúce aminoskupinu prolínu alebo hydroxyprolínu. Sú schopné vytvoriť iba jednu vodíkovú väzbu (pozri vyššie). To ovplyvňuje tvorbu sekundárnej štruktúry proteínu. Polypeptidový reťazec v oblasti, kde sa nachádza prolín alebo hydroxyprolín, sa ľahko ohýba, pretože nie je držaný, ako zvyčajne, druhou vodíkovou väzbou.

Nomenklatúra peptidov a polypeptidov. Názov peptidov sa skladá z názvov ich základných aminokyselín. Dve aminokyseliny tvoria dipeptid, tri tvoria tripeptid, štyri tvoria tetrapeptid atď. Každý peptidový alebo polypeptidový reťazec akejkoľvek dĺžky má N-koncovú aminokyselinu obsahujúcu voľnú aminoskupinu a C-koncovú aminokyselinu obsahujúcu voľný karboxyl skupina. Pri pomenovaní polypeptidov sa všetky aminokyseliny uvádzajú postupne, počnúc N-koncovou, pričom sa v ich názvoch okrem C-koncovej nahrádza prípona -in za -yl (keďže aminokyseliny v peptidoch už nemajú karboxylová skupina, ale karbonylová). Napríklad názov zobrazený na obr. 1 tripeptid - leuk bahno fenylalanu bahno treón v.

Vlastnosti primárnej štruktúry proteínu. V kostre polypeptidového reťazca sa tuhé štruktúry (ploché peptidové skupiny) striedajú s relatívne mobilnými oblasťami (-CHR), ktoré sú schopné rotovať okolo väzieb. Takéto štruktúrne znaky polypeptidového reťazca ovplyvňujú jeho priestorové usporiadanie.

Sekundárna štruktúra bielkovín

Sekundárna štruktúra je spôsob skladania polypeptidového reťazca do usporiadanej štruktúry v dôsledku tvorby vodíkových väzieb medzi peptidovými skupinami rovnakého reťazca alebo susedných polypeptidových reťazcov. Sekundárne štruktúry sa podľa ich konfigurácie delia na špirálové (α-helix) a vrstvené zložené (β-štruktúra a krížová β-forma).

a-Helix. Ide o typ sekundárnej proteínovej štruktúry, ktorá vyzerá ako pravidelná špirála, vytvorená interpeptidovými vodíkovými väzbami v rámci jedného polypeptidového reťazca. Model štruktúry α-helixu (obr. 2), ktorý zohľadňuje všetky vlastnosti peptidovej väzby, navrhli Pauling a Corey. Hlavné vlastnosti α-helixu:

špirálová konfigurácia polypeptidového reťazca so špirálovou symetriou;

vytvorenie vodíkových väzieb medzi peptidovými skupinami každého prvého a štvrtého aminokyselinového zvyšku;

pravidelnosť špirálových závitov;

ekvivalenciu všetkých aminokyselinových zvyškov v a-helixe, bez ohľadu na štruktúru ich bočných radikálov;

vedľajšie radikály aminokyselín sa nezúčastňujú na tvorbe α-helixu.

Vonkajšie α-helix vyzerá ako mierne natiahnutá špirála elektrického sporáka. Pravidelnosť vodíkových väzieb medzi prvou a štvrtou peptidovou skupinou určuje pravidelnosť obratov polypeptidového reťazca. Výška jedného závitu alebo stúpanie α-helixu je 0,54 nm; obsahuje 3,6 aminokyselinových zvyškov, t.j. každý aminokyselinový zvyšok sa pohybuje pozdĺž osi (výška jedného aminokyselinového zvyšku) o 0,15 nm (0,54:3,6 = 0,15 nm), čo nám umožňuje hovoriť o rovnocennosti všetkých aminokyselinových zvyškov v α-helixe. Obdobie pravidelnosti a-helixu je 5 závitov alebo 18 aminokyselinových zvyškov; dĺžka jednej periódy je 2,7 nm. Ryža. 3. Paulingov-Coreyho a-helix model

β-štruktúra. Ide o druh sekundárnej štruktúry, ktorá má mierne zakrivenú konfiguráciu polypeptidového reťazca a je tvorená interpeptidovými vodíkovými väzbami v rámci jednotlivých úsekov jedného polypeptidového reťazca alebo susedných polypeptidových reťazcov. Nazýva sa tiež vrstvená štruktúra. Existujú rôzne β-štruktúry. Obmedzené vrstvené oblasti tvorené jedným polypeptidovým reťazcom proteínu sa nazývajú cross-β forma (krátka β štruktúra). Medzi peptidovými skupinami slučiek polypeptidového reťazca sa vytvárajú vodíkové väzby v krížovej β forme. Ďalší typ - úplná β-štruktúra - je charakteristický pre celý polypeptidový reťazec, ktorý má predĺžený tvar a je držaný interpeptidovými vodíkovými väzbami medzi susednými paralelnými polypeptidovými reťazcami (obr. 3). Táto štruktúra pripomína mech akordeónu. Okrem toho sú možné varianty β-štruktúr: môžu byť tvorené paralelnými reťazcami (N-terminálne konce polypeptidových reťazcov sú nasmerované rovnakým smerom) a antiparalelnými (N-terminálne konce sú nasmerované rôznymi smermi). Bočné radikály jednej vrstvy sú umiestnené medzi bočnými radikálmi inej vrstvy.

V proteínoch sú možné prechody z α-štruktúr na β-štruktúry a späť v dôsledku preskupenia vodíkových väzieb. Namiesto pravidelných interpeptidových vodíkových väzieb pozdĺž reťazca (vďaka ktorým je polypeptidový reťazec stočený do špirály) sa uvoľňujú špirálovité úseky a uzatvárajú sa vodíkové väzby medzi predĺženými fragmentmi polypeptidových reťazcov. Tento prechod sa nachádza v keratíne, bielkovine vlasov. Pri umývaní vlasov alkalickými čistiacimi prostriedkami sa špirálovitá štruktúra β-keratínu ľahko ničí a mení sa na α-keratín (kučeravé vlasy sa vyrovnávajú).

Deštrukcia pravidelných sekundárnych štruktúr proteínov (α-helixov a β-štruktúr) analogicky s topením kryštálu sa nazýva „topenie“ polypeptidov. V tomto prípade sú vodíkové väzby prerušené a polypeptidové reťazce majú formu náhodnej spleti. V dôsledku toho je stabilita sekundárnych štruktúr určená interpeptidovými vodíkovými väzbami. Iné typy väzieb sa na tom takmer nezúčastňujú, s výnimkou disulfidových väzieb pozdĺž polypeptidového reťazca v miestach cysteínových zvyškov. Krátke peptidy sú uzavreté do cyklov vďaka disulfidovým väzbám. Mnohé proteíny obsahujú α-helikálne oblasti aj β-štruktúry. Neexistujú takmer žiadne prirodzené proteíny pozostávajúce zo 100% α-helixu (výnimkou je paramyozín, svalový proteín, ktorý je z 96-100% α-helix), zatiaľ čo syntetické polypeptidy majú 100% helix.

Ostatné proteíny majú rôzny stupeň zvinutia. Vysoká frekvencia α-helikálnych štruktúr sa pozoruje v paramyozíne, myoglobíne a hemoglobíne. Naproti tomu v trypsíne, ribonukleáze, je významná časť polypeptidového reťazca poskladaná do vrstvených β-štruktúr. Proteíny podporných tkanív: keratín (proteín vlasov, vlny), kolagén (proteín šliach, kože), fibroín (proteín prírodného hodvábu) majú β-konfiguráciu polypeptidových reťazcov. Rôzne stupne helicity polypeptidových reťazcov proteínov naznačujú, že samozrejme existujú sily, ktoré čiastočne narúšajú helicitu alebo „rozbíjajú“ pravidelné skladanie polypeptidového reťazca. Dôvodom je kompaktnejšie poskladanie proteínového polypeptidového reťazca v určitom objeme, t.j. do terciárnej štruktúry.

Terciárna štruktúra proteínu

Terciárna štruktúra proteínu je spôsob, akým je polypeptidový reťazec usporiadaný v priestore. Podľa tvaru terciárnej štruktúry sa proteíny delia najmä na globulárne a fibrilárne. Globulárne bielkoviny majú najčastejšie elipsoidný tvar a vláknité (vláknité) bielkoviny predĺžený tvar (tvar tyčinky alebo vretienka).

Konfigurácia terciárnej štruktúry proteínov však ešte nedáva dôvod domnievať sa, že fibrilárne proteíny majú iba β-štruktúru a globulárne proteíny majú α-helikálnu štruktúru. Existujú fibrilárne proteíny, ktoré majú špirálovitú, nie vrstvenú, zloženú sekundárnu štruktúru. Napríklad α-keratín a paramyozín (proteín obturátorového svalu mäkkýšov), tropomyozíny (proteíny kostrových svalov) patria k fibrilárnym proteínom (majú tyčinkový tvar) a ich sekundárnou štruktúrou je a-helix; naproti tomu globulárne proteíny môžu obsahovať veľké množstvo β-štruktúr.

Špiralizácia lineárneho polypeptidového reťazca znižuje jeho veľkosť približne 4-krát; a zabalením do terciárnej štruktúry je desaťkrát kompaktnejší ako pôvodný reťazec.

Väzby, ktoré stabilizujú terciárnu štruktúru proteínu. Väzby medzi bočnými radikálmi aminokyselín zohrávajú úlohu pri stabilizácii terciárnej štruktúry. Tieto spojenia možno rozdeliť na:

silný (kovalentný) [šou].

slabý (polárny a van der Waals) [šou].

Početné väzby medzi bočnými radikálmi aminokyselín určujú priestorovú konfiguráciu molekuly proteínu.

Vlastnosti organizácie terciárnej štruktúry proteínov. Konformácia terciárnej štruktúry polypeptidového reťazca je určená vlastnosťami bočných radikálov v ňom obsiahnutých aminokyselín (ktoré nemajú výrazný vplyv na tvorbu primárnych a sekundárnych štruktúr) a mikroprostredím, t.j. životné prostredie. Po zložení má polypeptidový reťazec proteínu tendenciu nadobudnúť energeticky priaznivú formu, ktorá sa vyznačuje minimom voľnej energie. Preto nepolárne R-skupiny, ktoré sa „vyhýbajú“ vode, tvoria akoby vnútornú časť terciárnej štruktúry proteínu, kde sa nachádza hlavná časť hydrofóbnych zvyškov polypeptidového reťazca. V strede proteínovej gule nie sú takmer žiadne molekuly vody. Polárne (hydrofilné) R skupiny aminokyseliny sa nachádzajú mimo tohto hydrofóbneho jadra a sú obklopené molekulami vody. Polypeptidový reťazec je zložito ohnutý v trojrozmernom priestore. Keď sa ohne, sekundárna špirálová konformácia je narušená. Reťazec sa „láme“ na slabých miestach, kde sa nachádza prolín alebo hydroxyprolín, pretože tieto aminokyseliny sú v reťazci mobilnejšie a s inými peptidovými skupinami tvoria iba jednu vodíkovú väzbu. Ďalším miestom ohybu je glycín, ktorý má malú skupinu R (vodík). Preto R-skupiny iných aminokyselín, keď sú nahromadené, majú tendenciu zaberať voľný priestor v mieste glycínu. Množstvo aminokyselín – alanín, leucín, glutamát, histidín – prispieva k zachovaniu stabilných špirálových štruktúr v proteíne a ako metionín, valín, izoleucín, kyselina asparágová podporujú tvorbu β-štruktúr. V molekule proteínu s terciárnou konfiguráciou sú oblasti vo forme α-helixov (helikálnych), β-štruktúr (vrstvené) a náhodného zvitku. Iba správne priestorové skladanie proteínu ho robí aktívnym; jeho porušenie vedie k zmenám vlastností bielkovín a strate biologickej aktivity.

Štruktúra kvartérneho proteínu

Proteíny pozostávajúce z jedného polypeptidového reťazca majú iba terciárnu štruktúru. Patrí medzi ne myoglobín – proteín svalového tkaniva, ktorý sa podieľa na väzbe kyslíka, množstvo enzýmov (lyzozým, pepsín, trypsín atď.). Niektoré proteíny sú však postavené z niekoľkých polypeptidových reťazcov, z ktorých každý má terciárnu štruktúru. Pre takéto proteíny bol zavedený koncept kvartérnej štruktúry, čo je organizácia niekoľkých polypeptidových reťazcov s terciárnou štruktúrou do jednej funkčnej proteínovej molekuly. Takýto proteín s kvartérnou štruktúrou sa nazýva oligomér a jeho polypeptidové reťazce s terciárnou štruktúrou sa nazývajú protoméry alebo podjednotky (obr. 4).

Na kvartérnej úrovni organizácie si proteíny zachovávajú základnú konfiguráciu terciárnej štruktúry (globulárnu alebo fibrilárnu). Napríklad hemoglobín je proteín s kvartérnou štruktúrou a pozostáva zo štyroch podjednotiek. Každá z podjednotiek je globulárny proteín a vo všeobecnosti má aj hemoglobín globulárnu konfiguráciu. Vlasové a vlnené proteíny – keratíny, príbuzné terciárnou štruktúrou fibrilárnym proteínom, majú fibrilárnu konformáciu a kvartérnu štruktúru.

Stabilizácia kvartérnej štruktúry proteínov. Všetky proteíny, ktoré majú kvartérnu štruktúru, sú izolované vo forme jednotlivých makromolekúl, ktoré sa nerozkladajú na podjednotky. Kontakty medzi povrchmi podjednotiek sú možné len vďaka polárnym skupinám aminokyselinových zvyškov, pretože pri vytváraní terciárnej štruktúry každého z polypeptidových reťazcov sa vedľajšie radikály nepolárnych aminokyselín (ktoré tvoria väčšinu všetky proteinogénne aminokyseliny) sú skryté vo vnútri podjednotky. Medzi ich polárnymi skupinami sa vytvárajú početné iónové (soľné), vodíkové a v niektorých prípadoch disulfidové väzby, ktoré pevne držia podjednotky vo forme organizovaného komplexu. Použitie látok, ktoré rušia vodíkové väzby alebo látok, ktoré redukujú disulfidové mostíky, spôsobuje disagregáciu protomérov a deštrukciu kvartérnej štruktúry proteínu. V tabuľke 1 sú zhrnuté údaje o väzbách, ktoré stabilizujú rôzne úrovne organizácie proteínovej molekuly [šou].

Vlastnosti štruktúrnej organizácie niektorých fibrilárnych proteínov

Štrukturálna organizácia fibrilárnych proteínov má v porovnaní s globulárnymi proteínmi množstvo znakov. Tieto vlastnosti možno vidieť na príklade keratínu, fibroínu a kolagénu. Keratíny existujú v α- a β-konformáciách. α-Keratíny a fibroín majú vrstvenú zloženú sekundárnu štruktúru, avšak v keratíne sú reťazce paralelné a vo fibroíne sú antiparalelné (pozri obr. 3); Okrem toho keratín obsahuje medzireťazcové disulfidové väzby, zatiaľ čo fibroín ich nemá. Prerušenie disulfidových väzieb vedie k oddeleniu polypeptidových reťazcov v keratínoch. Naopak, vznik maximálneho počtu disulfidových väzieb v keratínoch vystavením oxidačným činidlám vytvára silnú priestorovú štruktúru. Vo všeobecnosti je vo fibrilárnych proteínoch, na rozdiel od globulárnych proteínov, niekedy ťažké striktne rozlíšiť medzi rôznymi úrovňami organizácie. Ak pripustíme (ako v prípade globulárneho proteínu), že terciárna štruktúra by mala byť vytvorená položením jedného polypeptidového reťazca v priestore a kvartérna štruktúra niekoľkými reťazcami, potom vo fibrilárnych proteínoch je niekoľko polypeptidových reťazcov zapojených už pri tvorbe sekundárnej štruktúry . Typickým príkladom fibrilárneho proteínu je kolagén, ktorý je jedným z najrozšírenejších proteínov v ľudskom tele (asi 1/3 hmotnosti všetkých proteínov). Nachádza sa v tkanivách, ktoré majú vysokú pevnosť a nízku rozťažnosť (kosti, šľachy, koža, zuby atď.). V kolagéne je tretina aminokyselinových zvyškov glycín a asi štvrtina alebo o niečo viac je prolín alebo hydroxyprolín.

Izolovaný polypeptidový reťazec kolagénu (primárna štruktúra) vyzerá ako prerušovaná čiara. Obsahuje asi 1000 aminokyselín a má molekulovú hmotnosť asi 105 (obr. 5, a, b). Polypeptidový reťazec je zostavený z opakujúceho sa tria aminokyselín (tripletu) nasledujúceho zloženia: gly-A-B, kde A a B sú akékoľvek aminokyseliny iné ako glycín (najčastejšie prolín a hydroxyprolín). Kolagénové polypeptidové reťazce (alebo α-reťazce) počas tvorby sekundárnych a terciárnych štruktúr (obr. 5, c a d) nemôžu produkovať typické α-helixy so skrutkovicovou symetriou. Zasahujú do toho prolín, hydroxyprolín a glycín (antihelikálne aminokyseliny). Preto tri α-reťazce tvoria akoby skrútené špirály, ako tri vlákna ovíjajúce sa okolo valca. Tri špirálové α reťazce tvoria opakujúcu sa kolagénovú štruktúru nazývanú tropokolagén (obr. 5d). Tropokolagén je vo svojej organizácii terciárnou štruktúrou kolagénu. Ploché prstence prolínu a hydroxyprolínu, ktoré sa pravidelne striedajú pozdĺž reťazca, mu dodávajú tuhosť, rovnako ako medzireťazcové väzby medzi a-reťazcami tropokolagénu (preto je kolagén odolný voči naťahovaniu). Tropokolagén je v podstate podjednotka kolagénových fibríl. Ukladanie tropokolagénových podjednotiek do kvartérnej štruktúry kolagénu prebieha stupňovito (obr. 5e).

K stabilizácii kolagénových štruktúr dochádza v dôsledku medzireťazcových vodíkových, iónových a van der Waalsových väzieb a malého počtu kovalentných väzieb.

α-reťazce kolagénu majú rôzne chemické štruktúry. Existujú rôzne typy reťazcov α 1 (I, II, III, IV) a reťazcov α 2. V závislosti od toho, ktoré α 1 - a α 2 - reťazce sa podieľajú na tvorbe trojvláknovej špirály tropokolagénu, sa rozlišujú štyri typy kolagénu:

prvý typ - dva α 1 (I) a jeden α 2 reťazec;

druhý typ - tri reťazce α 1 (II);

tretí typ - tri reťazce α 1 (III);

štvrtý typ - tri α 1 (IV) reťazce.

Najbežnejší kolagén je prvého typu: nachádza sa v kostnom tkanive, koži, šľachách; kolagén druhého typu sa nachádza v tkanive chrupavky atď. V jednom type tkaniva môžu byť rôzne typy kolagénu.

Usporiadaná agregácia kolagénových štruktúr, ich tuhosť a inertnosť zabezpečujú vysokú pevnosť kolagénových vlákien. Kolagénové proteíny obsahujú aj sacharidové zložky, teda sú to proteínovo-sacharidové komplexy.

Kolagén je extracelulárny proteín, ktorý tvoria bunky spojivového tkaniva nachádzajúce sa vo všetkých orgánoch. Preto pri poškodení kolagénu (alebo porušení jeho tvorby) dochádza k viacnásobnému narušeniu podporných funkcií spojivového tkaniva orgánov.

Alfa polypeptidový reťazec končí kombináciou aminokyselín valín-leucín a beta polypeptidový reťazec končí kombináciou valín-histidín-leucín. Alfa a beta polypeptidové reťazce v molekule hemoglobínu nie sú usporiadané lineárne, toto je primárna štruktúra. V dôsledku existencie vnútromolekulových síl sú polypeptidové reťazce skrútené vo forme špirály alfa-helix (sekundárna štruktúra) typickej pre proteíny. Samotná alfa-helixová špirála sa priestorovo ohýba pre každý alfa a beta polypeptidový reťazec a vytvára plexusy ovoidného tvaru (terciárna štruktúra). Jednotlivé časti alfa-helixových helixov polypeptidových reťazcov sú označené latinskými písmenami od A po H. Všetky štyri terciárne zakrivené alfa a beta polypeptidové reťazce sú umiestnené priestorovo v určitom vzťahu - kvartérnej štruktúre. Sú spojené nie skutočnými chemickými väzbami, ale medzimolekulovými silami.

Ukázalo sa, že ľudia majú tri hlavné typy normálneho hemoglobínu: embryonálny - U, fetálny - F a dospelý hemoglobín - A. HbU (pomenovaný podľa začiatočného písmena slova maternica) sa vyskytuje v embryu medzi 7. a 12. týždňom života, potom zmizne a objaví sa fetálny hemoglobín, ktorý je po treťom mesiaci hlavným hemoglobínom plodu. Následne sa postupne objavuje obyčajný hemoglobín pre dospelých, nazývaný HbA, podľa začiatočného písmena anglického slova „adult“. Množstvo fetálneho hemoglobínu postupne klesá, takže v momente narodenia je 80 % hemoglobínu HbA a len 20 % HbF. Po narodení sa fetálny hemoglobín ďalej znižuje a do 2-3 rokov života je to len 1-2%. Rovnaké množstvo fetálneho hemoglobínu je u dospelého človeka. Množstvo HbF presahujúce 2 % sa považuje za patologické pre dospelého a pre deti staršie ako 3 roky.

Okrem normálnych typov hemoglobínu je v súčasnosti známych viac ako 50 patologických variantov. Najprv boli pomenované latinskými písmenami. Písmeno B chýba v označení typov hemoglobínu, pretože pôvodne označovalo HbS.

Hemoglobín (Hb)- chromoproteín prítomný v červených krvinkách a podieľa sa na transporte kyslíka do tkanív. Hemoglobín u dospelých sa nazýva hemoglobín A (Hb A). Jeho molekulová hmotnosť je asi 65 000 Da. Molekula Hb A má kvartérnu štruktúru a zahŕňa štyri podjednotky - polypeptidové reťazce (označené α1, α2, β1 a β2, z ktorých každá je spojená s hémom.

Pamätajte, že hemoglobín je alosterický proteín, jeho molekuly sa môžu reverzibilne meniť z jednej konformácie na druhú. To mení afinitu proteínu k ligandom. Konformácia s najmenšou afinitou k ligandu sa nazýva napätá alebo T-konformácia. Konformácia s najväčšou afinitou k ligandu sa nazýva uvoľnená alebo R-konformácia.

R- a T-konformácie molekuly hemoglobínu sú v stave dynamickej rovnováhy:

Rôzne environmentálne faktory môžu posunúť túto rovnováhu jedným alebo druhým smerom. Allosterické regulátory ovplyvňujúce afinitu Hb k O2 sú: 1) kyslík; 2) koncentrácia H+ (stredné pH); 3) oxid uhličitý (CO2); 4) 2,3-difosfoglycerát (DPG). Pripojenie molekuly kyslíka k jednej z podjednotiek hemoglobínu podporuje prechod napätej konformácie na uvoľnenú a zvyšuje afinitu ostatných podjednotiek tej istej molekuly hemoglobínu ku kyslíku. Tento jav sa nazýva kooperatívny efekt. Komplexný charakter väzby hemoglobínu na kyslík odráža saturačná krivka hemoglobínu O2, ktorá má tvar S (obrázok 3.1).

Obrázok 3.1. Krivky nasýtenia myoglobínu (1) a hemoglobínu (2) kyslíkom.

Molekulové formy hemoglobín sa navzájom líšia štruktúrou polypeptidových reťazcov. Príkladom takejto rozmanitosti hemoglobínu, ktorý existuje za fyziologických podmienok, je fetálny hemoglobín (HbF) prítomný v krvi počas embryonálneho štádia ľudského vývoja. Na rozdiel od HbA obsahuje jeho molekula 2 α- a 2 γ-reťazce (to znamená, že β-reťazce sú nahradené γ-reťazcami). Takýto hemoglobín má vyššiu afinitu ku kyslíku. Práve to umožňuje embryu prijímať kyslík z krvi matky cez placentu. Čoskoro po narodení je HbF v krvi dieťaťa nahradený HbA.

Príkladom abnormálneho alebo patologického hemoglobínu je už spomínaný (pozri 2.4.) hemoglobín S, ktorý sa vyskytuje u pacientov s kosáčikovitou anémiou. Ako už viete, líši sa od hemoglobínu A nahradením glutamátu valínom v β-reťazcoch. Táto substitúcia aminokyselín spôsobuje zníženie rozpustnosti HbS vo vode a zníženie jeho afinity k O2.

Chemická štruktúra bielkovín je reprezentovaná alfa aminokyselinami spojenými do reťazca prostredníctvom peptidovej väzby. V živých organizmoch je zloženie určené genetickým kódom. V procese syntézy sa vo väčšine prípadov používa 20 aminokyselín štandardného typu. Ich mnohé kombinácie tvoria proteínové molekuly so širokou škálou vlastností. Aminokyselinové zvyšky často podliehajú posttranslačným modifikáciám. Môžu vzniknúť predtým, ako proteín začne vykonávať svoje funkcie, a počas svojej aktivity v bunke. V živých organizmoch tvorí niekoľko molekúl často zložité komplexy. Príkladom je fotosyntetická asociácia.

Účel spojení

Proteíny sú považované za dôležitú zložku výživy ľudí a zvierat, pretože ich telo nedokáže syntetizovať všetky potrebné aminokyseliny. Niektoré z nich by mali byť dodávané s bielkovinovými potravinami. Hlavnými zdrojmi zlúčenín sú mäso, orechy, mlieko, ryby a obilniny. V menšej miere sú bielkoviny prítomné v zelenine, hubách a bobuliach. Počas trávenia prostredníctvom enzýmov sa spotrebované bielkoviny rozkladajú na aminokyseliny. Používajú sa už pri biosyntéze vlastných bielkovín v tele alebo prechádzajú ďalším rozkladom na získanie energie.

Historický odkaz

Sekvenciu proteínovej štruktúry inzulínu ako prvý určil Frederij Senger. Za svoju prácu dostal v roku 1958 Nobelovu cenu. Sanger použil metódu sekvenovania. Pomocou röntgenovej difrakcie boli následne (koncom 50. rokov) získané trojrozmerné štruktúry myoglobínu a hemoglobínu. Prácu vykonali John Kendrew a Max Perutz.

Štruktúra proteínovej molekuly

Zahŕňa lineárne polyméry. Tie zase pozostávajú z alfa aminokyselinových zvyškov, ktoré sú monomérmi. Okrem toho môže proteínová štruktúra zahŕňať zložky neaminokyselinovej povahy a modifikované aminokyselinové zvyšky. Pri označovaní komponentov sa používajú 1- alebo 3-písmenové skratky. Zlúčenina obsahujúca dva až niekoľko desiatok zvyškov sa často označuje ako „polypeptid“. V dôsledku interakcie alfa-karboxylovej skupiny jednej aminokyseliny s alfa-aminoskupinou druhej vznikajú väzby (počas tvorby proteínovej štruktúry). C- a N-koncové konce zlúčeniny sa rozlišujú v závislosti od toho, ktorá skupina aminokyselinového zvyšku je voľná: -COOH alebo -NH2. V procese syntézy proteínov na ribozóme je prvým terminálnym zvyškom zvyčajne metionínový zvyšok; nasledujúce sú pripojené k C-koncu predchádzajúcich.

Úrovne organizácie

Navrhol ich Lindrem-Lang. Napriek tomu, že sa toto rozdelenie považuje za trochu zastarané, stále sa používa. Navrhlo sa rozlišovať štyri úrovne organizácie spojenia. Primárna štruktúra molekuly proteínu je určená genetickým kódom a charakteristikami génu. Vyššie hladiny sú charakterizované tvorbou počas skladania proteínov. Priestorová štruktúra proteínu je ako celok určená reťazcom aminokyselín. Napriek tomu je dosť labilný. Môže to byť ovplyvnené vonkajšími faktormi. V tomto ohľade je správnejšie hovoriť o konformácii zlúčeniny, ktorá je najpriaznivejšia a energeticky výhodnejšia.

Úroveň 1

Predstavuje ho sekvencia aminokyselinových zvyškov polypeptidového reťazca. Spravidla sa opisuje pomocou jedno- alebo trojpísmenových zápisov. Primárna štruktúra proteínov je charakterizovaná stabilnými kombináciami aminokyselinových zvyškov. Vykonávajú špecifické úlohy. Takéto „konzervatívne motívy“ zostávajú zachované počas evolúcie druhov. Často sa dajú použiť na predpovedanie problému neznámeho proteínu. Posúdením stupňa podobnosti (homológie) v reťazcoch aminokyselín z rôznych organizmov je možné určiť evolučnú vzdialenosť vytvorenú medzi taxónmi, ktoré tvoria tieto organizmy. Primárna štruktúra proteínov je určená sekvenovaním alebo pôvodným komplexom ich mRNA pomocou tabuľky genetických kódov.

Miestne objednanie časti reťaze

Toto je ďalšia úroveň organizácie - sekundárna štruktúra bielkovín. Je jej viacero druhov. Lokálne usporiadanie časti polypeptidového reťazca je stabilizované vodíkovými väzbami. Najpopulárnejšie typy sú:

Priestorová štruktúra

Terciárna štruktúra proteínov zahŕňa prvky predchádzajúcej úrovne. Sú stabilizované rôznymi typmi interakcií. Hydrofóbne väzby sú mimoriadne dôležité. Stabilizácia zahŕňa:

• Kovalentné interakcie.
• Iónové väzby vytvorené medzi bočnými skupinami aminokyselín, ktoré majú opačné náboje.
• Vodíkové interakcie.
• Hydrofóbne väzby. V procese interakcie s okolitými prvkami H 2 O sa proteín zloží tak, že sa z vodného roztoku izolujú vedľajšie nepolárne aminokyselinové skupiny. Na povrchu molekuly sa objavujú hydrofilné skupiny (polárne).

Terciárna štruktúra proteínov je určená metódami magnetickej (nukleárnej) rezonancie, určitými typmi mikroskopie a inými metódami.

Princíp kladenia

Výskum ukázal, že medzi úrovňou 2 a 3 je vhodné identifikovať ešte jednu úroveň. Hovorí sa tomu „architektúra“, „motív pokladania“. Je určená relatívnou polohou komponentov sekundárnej štruktúry (beta vlákna a alfa helixy) v rámci hraníc kompaktnej globule – proteínovej domény. Môže existovať nezávisle alebo môže byť súčasťou väčšieho proteínu spolu s inými podobnými proteínmi. Zistilo sa, že štýlové motívy sú dosť konzervatívne. Nachádzajú sa v proteínoch, ktoré nemajú ani evolučné, ani funkčné vzťahy. Definícia architektúry je základom racionálnej (fyzickej) klasifikácie.

Organizácia domény

Vzájomným usporiadaním viacerých polypeptidových reťazcov v rámci jedného proteínového komplexu vzniká kvartérna štruktúra proteínov. Prvky, ktoré ho tvoria, sa tvoria oddelene na ribozómoch. Až po dokončení syntézy sa táto proteínová štruktúra začne vytvárať. Môže obsahovať rôzne aj identické polypeptidové reťazce. Kvartérna štruktúra proteínov je stabilizovaná vďaka rovnakým interakciám ako na predchádzajúcej úrovni. Niektoré komplexy môžu obsahovať niekoľko desiatok proteínov.

Štruktúra bielkovín: ochranné úlohy

Polypeptidy cytoskeletu, pôsobiace určitým spôsobom ako výstuž, dávajú mnohým organelám ich tvar a podieľajú sa na ich zmene. Štrukturálne proteíny poskytujú telu ochranu. Takýmto proteínom je napríklad kolagén. Tvorí základ v medzibunkovej látke spojivových tkanív. Keratín má aj ochrannú funkciu. Tvorí základ rohov, peria, vlasov a iných derivátov epidermy. Keď bielkoviny viažu toxíny, v mnohých prípadoch dochádza k detoxikácii. Takto je splnená úloha chemickej ochrany tela. Pečeňové enzýmy hrajú obzvlášť dôležitú úlohu v procese neutralizácie toxínov v ľudskom tele. Sú schopné rozkladať jedy alebo ich premieňať na rozpustnú formu. To uľahčuje rýchlejší transport z tela. Proteíny prítomné v krvi a iných telesných tekutinách poskytujú imunitnú obranu tým, že spúšťajú reakciu na napadnutie patogénom a poranenie. Imunoglobulíny (protilátky a zložky komplementového systému) sú schopné neutralizovať baktérie, cudzie proteíny a vírusy.

Regulačný mechanizmus

Proteínové molekuly, ktoré nepôsobia ani ako zdroj energie, ani ako stavebný materiál, riadia mnohé vnútrobunkové procesy. Vďaka nim je teda regulovaná translácia, transkripcia, rezanie a aktivita iných polypeptidov. Regulačný mechanizmus je založený na enzymatickej aktivite alebo sa prejavuje špecifickou väzbou na iné molekuly. Napríklad transkripčné faktory, aktivátorové polypeptidy a represorové proteíny sú schopné kontrolovať intenzitu génovej transkripcie. Pritom interagujú s génovými regulačnými sekvenciami. Najdôležitejšia úloha pri riadení priebehu intracelulárnych procesov je priradená proteínovým fosfatázam a proteínkinázam. Tieto enzýmy spúšťajú alebo inhibujú aktivitu iných proteínov pridaním alebo odstránením fosfátových skupín z nich.

Signálna úloha

Často sa kombinuje s regulačnou funkciou. Je to spôsobené tým, že mnohé intracelulárne, ako aj extracelulárne polypeptidy môžu prenášať signály. Túto schopnosť majú rastové faktory, cytokíny, hormóny a iné zlúčeniny. Steroidy sú transportované krvou. Interakcia hormónu s receptorom pôsobí ako signál, ktorý spúšťa bunkovú odpoveď. Steroidy kontrolujú obsah zlúčenín v krvi a bunkách, reprodukciu, rast a ďalšie procesy. Príkladom je inzulín. Reguluje hladinu glukózy. Interakcia buniek sa uskutočňuje prostredníctvom signálnych proteínových zlúčenín prenášaných cez medzibunkovú látku.

Transport prvkov

Rozpustné proteíny zapojené do pohybu malých molekúl majú vysokú afinitu k substrátu, ktorý je prítomný vo zvýšenej koncentrácii. Majú tiež schopnosť ho ľahko uvoľniť v oblastiach, kde je jeho obsah nízky. Príkladom je transportný proteín hemoglobín. Presúva kyslík z pľúc do iných tkanív a z nich prenáša oxid uhličitý. Niektoré membránové proteíny sa podieľajú aj na transporte malých molekúl cez bunkové steny, čím ich menia. Lipidová vrstva cytoplazmy je vodotesná. To zabraňuje difúzii nabitých alebo polárnych molekúl. Membránové dopravné spojenia sa zvyčajne delia na nosiče a kanály.

Záložné pripojenia

Tieto bielkoviny tvoria takzvané rezervy. Hromadia sa napríklad v semenách rastlín a vo vajciach zvierat. Takéto bielkoviny fungujú ako rezervný zdroj hmoty a energie. Niektoré zlúčeniny telo využíva ako rezervoár aminokyselín. Sú zase prekurzormi účinných látok, ktoré sa podieľajú na regulácii metabolizmu.

Bunkové receptory

Takéto proteíny môžu byť umiestnené buď priamo v cytoplazme, alebo vložené do steny. Jedna časť spojenia prijíma signál. Spravidla ide o chemickú látku a v niektorých prípadoch o mechanické pôsobenie (napríklad naťahovanie), svetlo a iné podnety. V procese vystavenia signálu určitému fragmentu molekuly - polypeptidovému receptoru - začínajú jeho konformačné zmeny. Vyvolávajú zmenu konformácie zvyšku časti, ktorá prenáša podnet na ďalšie zložky bunky. Odoslanie signálu sa môže uskutočniť rôznymi spôsobmi. Niektoré receptory sú schopné katalyzovať chemickú reakciu, zatiaľ čo iné fungujú ako iónové kanály, ktoré sa zatvárajú alebo otvárajú pod vplyvom stimulu. Niektoré zlúčeniny špecificky viažu mediátorové molekuly v bunke.

Motorické polypeptidy

Existuje celá trieda proteínov, ktoré zabezpečujú pohyb tela. Motorické proteíny sa podieľajú na svalovej kontrakcii, pohybe buniek a aktivite bičíkov a mihalníc. Poskytujú tiež smerovú a aktívnu dopravu. Kinezíny a dyneíny transportujú molekuly pozdĺž mikrotubulov pomocou hydrolýzy ATP ako zdroja energie. Tie presúvajú organely a ďalšie prvky smerom k centrozómu z periférnych bunkových oblastí. Kinezíny sa pohybujú opačným smerom. Dyneíny sú zodpovedné aj za činnosť bičíkov a mihalníc.