Карагандинская  государственная медицинская академия

Кафедра биохимии

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Лекция  «Введение  Строение и функции белков» 
 
 

Дисциплина  Биологическая химия

Специальность 051301 - Общая медицина

Курс II

Время (продолжительность) 50 минут

 

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Караганда 2008г. 
 
 
 
 
 
 

Утверждена  на методическом совещании кафедры

«______»________________2008,  Протокол №_____

Зав.кафедрой, профессор   ______________  Л.Е. Муравлева  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Тема: Введение. Строение и функции белков.

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

План  лекции:

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

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

3.Общая характеристика олигомерных белков.

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

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

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

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

Основные  различия в строении белковых молекул

1. По количеству аминокислот
2. По соотношению количества различных аминокислот. Например, в белке соединительной ткани коллагене 33% от общего количества аминокислот составляет глицин, а в молекуле белкового гормона инсулина, вырабатываемого в поджелудочной железе, содержание глицина гораздо меньше – всего 8%.
3. Различная последовательность чередования аминокислот. Это означает, что даже при одинаковом соотношении разных аминокислот в каких-нибудь двух белках порядок их расположения этих аминокислот различен, то это будут разные белки.
4. Количество полипептидных цепей в различных белках может варьировать от 1 до 12, но если больше единицы, то обычно четное (2, 4, 6 и т.п.)
5. По наличию небелкового компонента, который называется «ПРОСТЕТИЧЕСКАЯ ГРУППА». Если ее нет, то это – простой белок, если есть – сложный белок

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

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

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

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

     Слайд - рисунок. 1. Регулярные вторичные структуры белков

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

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

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

     Связи, стабилизирующие третичную структуру:

1. электростатические силы притяжения между R-группами, несущими противоположно заряженные ионогенные группы (ионные связи);
2. водородные связи между полярными (гидрофильными) R-группами;
3. гидрофобные взаимодействия между неполярными (гидрофобными) R-группами;
4. дисульфидные связи между радикалами двух молекул цистеина. Эти связи ковалентные. Они повышают стабильность третичной структуры, но не всегда являются обязательными для правильного скручивания молекулы. В ряде белков они могут вообще отсутствовать.

 
 
 
 

 
 

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

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

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

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

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

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

     Комплементарность — это пространственное и химическое соответствие взаимодействующих поверхностей.

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

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

3.Общая характеристика олигомерных белков.

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

 

Слайд-рисунок 3. Уровни организации белков

 

     Количество  и порядок соединения протомеров в белке  называется четвертичной структурой.

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

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

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

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