Predavanje 2a
2.1. Fizikalna i kemijska svojstva proteina.
Proteini, kao i drugi organski spojevi, imaju niz fizikalno-kemijskih svojstava koja su određena strukturom njihovih molekula.
Kemijski Svojstva proteina su izuzetno raznolika. Posjedujući aminokiselinske radikale različite kemijske prirode, proteinske molekule sposobne su ući u različite reakcije.
2.1.1. kiselo-bazni O različita svojstva proteinskih molekula
Kao aminokiseline, vjeverice kombinirati kao Osnovni, temeljni O vanjski, dakle kiselo svojstva, tj. jesu amfoterni polielektroliti.
U proteinima glavni doprinos doprinose stvaranju kiselo-baznih svojstava nabijeni radikali koji se nalazi na površini proteinske globule.
Glavni O vanjski svojstva proteina povezana su s aminokiselinama kao što su arginin, lizin I histidin(tj. imaju dodatni amino ili imino skupine).
kiselo svojstva proteina povezana su s prisutnošću glutamin I asparaginska kiselina aminokiseline (imaju dodatnu karboksilnu skupinu).
Topivost proteina.
Svaki protein ima određenu topljivost, ovisno o prirodi samog proteina i sastavu otapala.
Topljivost proteina ovisi o:
a) sastav aminokiselina, tj. naboj proteinske molekule: što protein sadrži više polarnih i nabijenih radikala aminokiselina, to je njegova topljivost veća.
b) prisutnost hidratacijskog sloja (polarni i nabijeni radikali aminokiselina vežu vodene dipole, koji tvore hidratacijski sloj oko proteinske molekule).
Dodavanje tvari za uklanjanje vode (alkohol, aceton) u vodenu otopinu proteina uzrokuje razaranje hidratacijskog sloja i protein se taloži.
Denaturacija proteina
Specifične biološke funkcije proteini, poput enzima ili hormona, ovise o njihovim konformacija,čija kršenja mogu dovesti do gubitka biološke aktivnosti. S tim u vezi, kaže se da je protein s normalnom konformacijom unutra domaći (prirodno) stanje.
Nativni protein je protein koji ima konformaciju (prostornu strukturu) koja određuje specifičnu biološku funkciju molekule.
Sasvim blage promjene fizičkih uvjeta, uključujući promjene pH, temperature ili tretiranje vodenim otopinama određenih organskih tvari (detergenti, etanol ili urea), mogu poremetiti ovu konformaciju. U proteinima podvrgnutim takvim utjecajima, denaturacija (Riža. 2.1):
Riža. 2.1. Denaturacija proteinske molekule
Denaturacija proteina- to je razaranje kvarternih, tercijarnih i djelomično sekundarnih struktura prekidom slabih nekovalentnih interakcija (vodikovih, ionskih, hidrofobnih) i disulfidnih veza, praćeno gubitkom funkcije proteina.
Potrebno je razlikovati denaturaciju i degradacija bjelančevine. Na degradacija dolazi do fragmentacije primarne strukture i stvaranja fragmenata proteinske makromolekule, tj. biološki neaktivnih oligopeptidi .
Primjer denaturacije proteinske molekule je toplinska denaturacija proteina u otopinama na 50-60º, uzrokovano puknućem nekovalentne interakcije, uz pomoć kojih se formira tercijarna struktura.
Denaturacija provedena u blagim uvjetima često se pokaže kao takva reverzibilan, tj. kada se denaturirajuće sredstvo ukloni, dolazi do redukcije ( renaturacija) nativna konformacija proteinske molekule. Za niz proteina redukcija može biti i 100%, a to se ne odnosi samo na vodikove i hidrofobne veze, već i na disulfidne mostove.
Na reverzibilna denaturacija obnavlja se i biološka aktivnost proteina.
Ovi podaci pružaju dodatne dokaze da su sekundarne i tercijarne strukture proteina određene njihovim aminokiselinskim slijedom.
10. Formiranje nativne strukture proteina
10.1. Intracelularna regulacija stvaranja nativne prostorne strukture proteina
Polipeptidni lanci sintetizirani u stanici, nastali kao rezultat sekvencijalnog povezivanja aminokiselinskih ostataka, su, takoreći, potpuno razmotane proteinske molekule. Kako bi protein stekao svoja inherentna funkcionalna svojstva, lanac se mora saviti u prostoru na određeni način, tvoreći funkcionalno aktivnu („nativnu“) strukturu. Unatoč golemom broju prostornih struktura koje su teoretski moguće za pojedinačnu aminokiselinsku sekvencu, savijanje svakog proteina dovodi do stvaranja jedne prirodne konformacije. Dakle, mora postojati šifra koja specificira odnos između sekvence aminokiselina polipeptidnog lanca i vrste prostorne strukture koju on tvori. Pojašnjenje ovog odnosa je neriješen problem čija se važnost ne može precijeniti. Doista, sada je jasno kako su sekvence aminokiselina kodirane u strukturi DNK, ali principi koji određuju formiranje konformacije prirodnog proteina i dalje ostaju "tajna života". Rad na proučavanju savijanja proteina započeo je relativno nedavno. Prikupljene informacije (uglavnom temeljene na rezultatima studija provedenih s otopinama pojedinačnih pročišćenih proteina) omogućile su nam da zaključimo da je formiranje prostorne strukture spontani proces koji ne zahtijeva dodatne informacije niti izvor energije. Pretpostavljalo se da se te odredbe odnose i na savijanje proteina unutar stanice. Međutim, kao što se često događa u biologiji, naknadna otkrića su nas natjerala da napustimo takvu logiku; pokazali su da je u stvarnosti situacija mnogo kompliciranija. Pokazalo se da se proces savijanja proteina in vivo ne može smatrati niti spontanim niti energetski neovisnim. Zahvaljujući visoko koordiniranom regulacijskom sustavu koji postoji unutar stanice, polipeptidni lanac od samog trenutka svog "rođenja", napuštajući ribosom, dolazi pod kontrolu čimbenika koji, ne mijenjajući specifičan put savijanja (određen genetskim kodom) , pružaju optimalne uvjete za provođenje brzog i učinkovitog formiranja -poznavanja zavičajne prostorne strukture.
10.2. Formiranje prostorne strukture proteina je višefazni proces
Prema modernim konceptima, proces savijanja ima hijerarhijsku prirodu: prvo, elementi sekundarne strukture formiraju se vrlo brzo (u milisekundama), služeći kao "sjeme" za formiranje složenijih struktura (faza 1). Druga faza (također se događa vrlo brzo) je specifično povezivanje nekih elemenata sekundarne strukture s formiranjem supersekundarne strukture (ovo može biti kombinacija nekoliko\(\alfa\)-spirale, nekolikoß -lanci ili mješoviti suradnici ovih elemenata). Sljedeća faza, koja ima presudnu ulogu u formiranju jedinstvene "arhitekture" proteina, je stvaranje specifičnih kontakata između regija koje su značajno udaljene jedna od druge u aminokiselinskom slijedu, ali su bliske u tercijarnoj strukturi. . Vjeruje se da su to uglavnom hidrofobne interakcije uzrokovane zbližavanjem nepolarnih skupina i pomicanjem molekula vode smještenih između njih. Za formiranje jedinstvene prostorne strukture svakog proteina potrebno je formirati određeni (u svakom slučaju optimalan) broj takvih specifičnih kontakata. Na putu do ostvarenja optimalna opcija moguće su pogreške i stvaranje "pogrešnih" kontakata; u ovom slučaju postoji pretjerivanje različite opcije strukturu dok se ne postigne jedina varijanta koja odgovara funkcionalno aktivnom stanju ovog proteina.
Na putu koji vodi od formiranja supersekundarnih strukturnih elemenata do konačnog savijanja lanca u kompaktnu globulu, postoji međufaza (faza 3), povezana s formiranjem glavnih elemenata tercijarne strukture (specifična kombinacija\(\alfa\)-spirale, ß -niti koje povezuju petlje) i stvaranje hidrofobne jezgre molekule.
Faze presavijanja polipeptidnog lanca u nativnu konformaciju (1-4).
N.K. Nagradova, 1996. (monografija).
Molekula dobiva prostornu strukturu blisku strukturi prirodnog proteina, međutim, još ne posjeduje funkcionalnu aktivnost svojstvenu ovom proteinu. Ovo stanje, nazvano "rastaljena kugla", razlikuje se od prirodnog stanja u manjem stupnju uređenosti strukture; nepolarne skupine koje tvore hidrofobnu jezgru molekule nisu "upakirane" dovoljno čvrsto. Nepostojanje niza specifičnih interakcija dovodi do promjene orijentacije pomičnih petlji; općenito, molekula je labilnija i sklona "lijepljenju" s drugim sličnim molekulama u obliku agregata. Dakle, nespecifična agregacija (faza 5) može smanjiti broj proteinskih molekula na ispravnom putu savijanja (faza 4), odnosno smanjiti učinkovitost ovog procesa. Kao što su pokazali eksperimenti s modelima provedeni in vitro, formiranje "rastaljene kuglice" događa se puno brže od njezina prijelaza u nativnu strukturu; reakcija 4 (povezana s odabirom različitih konformacija) stoga je najsporiji stupanj procesa savijanja.
Vjerojatnost agregacije jako raste s porastom temperature i koncentracije proteina, pa se učinkovito spontano savijanje polipeptidnog lanca događa u razrijeđenim otopinama i pri niskim temperaturama. Vraćajući se na situaciju in vivo, moramo priznati da se uvjeti koji postoje u stanici uvelike razlikuju u ovim parametrima. U isto vrijeme, u fiziološkim uvjetima, novosintetizirani polipeptidni lanci se presavijaju prilično brzo i učinkovito. Stoga u stanici moraju postojati posebni mehanizmi za regulaciju procesa savijanja.
Prije razmatranja ovih mehanizama, napominjemo da dijagram prikazan na slici opisuje faze presavijanja polipeptidnog lanca kodiranog jednim genom. Mnogi su proteini, međutim, nastali tijekom evolucije kao rezultat spajanja različitih gena; dijelovi polipeptidnih lanaca takvih proteina, kodirani različitim genima, presavijaju se neovisno jedan o drugome, duž različitih putanja i različitim brzinama, tvoreći nakon savijanja globularne strukture koje se nazivaju domene. Formiranje prirodne strukture proteina koji se sastoje od dvije ili više domena komplicirano je dodatnom fazom - uspostavljanjem specifičnih kontakata između domena. Situacija postaje još kompliciranija kada je oligomerni oblik proteina funkcionalno aktivan (to jest, sastoji se od nekoliko polipeptidnih lanaca, od kojih svaki nakon savijanja tvori tzv. podjedinicu). U tim slučajevima dodaje se još jedna faza - uspostavljanje kontakata između podjedinica.
Biokemija- je znanost o molekularnoj osnovi života, bavi se proučavanjem molekula, kemijskih reakcija, procesa koji se odvijaju u živim stanicama tijela. Podijeljen u:
statički (struktura i svojstva biomolekula)
dinamički (kemija reakcija)
posebni dijelovi (ekološki, biokemija mikroorganizama, klinički)
Uloga biokemije u rješavanju temeljnih medicinskih problema
očuvanje ljudskog zdravlja
otkrivanje uzroka raznih bolesti i pronalaženje načina za njihovo učinkovito liječenje.
Dakle, svaka bolest ili ljudska bolest povezana je s kršenjem strukture i svojstava metabolita ili biomolekula, a također je povezana s promjenama u biokemijskim reakcijama koje se odvijaju u tijelu. Korištenje bilo koje metode liječenja ili lijekova također se temelji na razumijevanju i preciznom poznavanju biokemije njihova djelovanja.
Proteini, njihova struktura i biološka uloga
Proteini su polipeptidi visoke molekularne težine; konvencionalna granica između proteina i polipeptida je obično 8000-10000 jedinica molekularne težine. Polipeptidi su polimerni spojevi s više od 10 aminokiselinskih ostataka po molekuli.
Peptidi su spojevi koji se sastoje od dva ili više aminokiselinskih ostataka (do 10) koji sadrže samo L-aminokiseline.
Postoje derivati aminokiselina, na primjer, kolagen sadrži hidroksiprolin i hidroksilizin. γ-karboksiglutamat se nalazi u nekim proteinima. Poremećena karboksilacija glutamata u protrombinu može dovesti do krvarenja. Fosfoserin se često nalazi u proteinima.
Esencijalne aminokiseline su one koje se ne sintetiziraju u tijelu ili
sintetiziran u nedovoljnim količinama ili malom brzinom.
Osam aminokiselina je esencijalno za ljude: triptofan, fenilalanin,
metionin, lizin, valin, treonin, izoleucin, leucin.
Biokemijske funkcije aminokiselina:
građevni blokovi peptida, polipeptida i proteina,
biosinteza drugih aminokiselina (tirozin se sintetizira iz fenilalanina, cistein se sintetizira iz metionina)
biosinteza nekih hormona, na primjer, oksitacina, vazopresina, inzulina
polazni proizvodi za stvaranje glutationa, kreatina
glicin je neophodan za sintezu porfirina
p - alanin, valin, cistein u obliku CoA, triptofan - nikotinamid, glutaminska kiselina - folna kiselina
Za biosintezu nukleotida potrebni su glutamin, glicin i asparaginska kiselina; glutamin i asparaginska kiselina tvore pirimidinske baze.
11 aminokiselina su glukogene, odnosno mogu se metabolizirati u glukozu i druge ugljikovodike
fenilalanin, tirozin, leucin, lizin i triptofan sudjeluju u biosintezi nekih lipida
10.stvaranje uree, ugljičnog dioksida i energije u obliku ATP-a.
Struktura proteina. Primarna struktura.
Primarna struktura odnosi se na niz aminokiselina u lancu; one su međusobno povezane kovalentnim peptidnim vezama. Polipeptidni lanac počinje ostatkom koji ima slobodnu amino skupinu (N - kraj) i završava slobodnim COOH - krajem.
Primarna struktura također uključuje interakciju između ostataka cisteina uz stvaranje disulfidnih veza.
Dakle, primarna struktura je opis svih kovalentnih veza u proteinskoj molekuli.
Peptidna veza karakterizirana je polarnošću, što je posljedica činjenice da je veza između N i C djelomično dvostruke veze. Rotacija je teška, a peptidna veza ima krutu strukturu. Redoslijed aminokiselina je genetski strogo određen; on određuje nativnu prirodu proteina i njegove funkcije u tijelu.
Sekundarna struktura
1951. - dešifrirana je sekundarna struktura (čvrsto uvijen glavni lanac polipeptida, koji čini unutarnji dio štapića, bočni lanci su usmjereni prema van, raspoređeni u spiralu) Sve -C=O- N-H- skupine baze lanca povezane su vodikovim vezama.
Vodikove veze čine a-heliks stabilnijim.
Druga vrsta sekundarne strukture je p-nabrani sloj. To su paralelni polipeptidni lanci koji su unakrsno povezani vodikovim vezama. Moguće je da se takve p-formacije uvijaju, što proteinu daje veću čvrstoću.
Treći tip sekundarne strukture karakterističan je za kolagen. Svaki od tri polipeptidna lanca prekursora kolagena (tropokolagen) ima spiralni oblik. Tri takva spiralna lanca uvijaju se jedan u odnosu na drugi, tvoreći čvrstu nit.
Specifičnost ovog tipa strukture je zbog prisutnosti vodikovih veza isključivo između ostataka glicina, prolina i hidroksiprolina, kao i unutarmolekularnih i intermolekularnih kovalentnih poprečnih veza.
Dokazano je postojanje 4 razine strukturne organizacije proteinske molekule.
Primarna struktura proteina– redoslijed rasporeda aminokiselinskih ostataka u polipeptidnom lancu. U proteinima su pojedine aminokiseline međusobno povezane peptidne veze, koji nastaje interakcijom a-karboksilnih i a-amino skupina aminokiselina.
Do danas je dešifrirana primarna struktura desetaka tisuća različitih proteina. Za određivanje primarne strukture proteina, aminokiselinski sastav određuje se metodama hidrolize. Zatim se određuje kemijska priroda terminalnih aminokiselina. Sljedeći korak je određivanje slijeda aminokiselina u polipeptidnom lancu. U tu svrhu koristi se selektivna djelomična (kemijska i enzimska) hidroliza. Moguće je koristiti analizu rendgenske difrakcije, kao i podatke o komplementarnom nukleotidnom slijedu DNA.
Sekundarna struktura proteina– konfiguracija polipeptidnog lanca, tj. metoda pakiranja polipeptidnog lanca u specifičnu konformaciju. Taj se proces ne odvija kaotično, već u skladu s programom ugrađenim u primarnu strukturu.
Stabilnost sekundarne strukture osiguravaju uglavnom vodikove veze, ali kovalentne veze - peptidne i disulfidne - daju određeni doprinos.
Razmatra se najvjerojatniji tip strukture globularnih proteina a-zavojnica. Uvijanje polipeptidnog lanca događa se u smjeru kazaljke na satu. Svaki protein karakterizira određeni stupanj spiralizacije. Ako su lanci hemoglobina spiralizirani za 75%, onda je pepsin samo 30%.
Naziva se tip konfiguracije polipeptidnih lanaca koji se nalaze u proteinima kose, svile i mišića b-strukture. Segmenti peptidnog lanca raspoređeni su u jednom sloju, tvoreći figuru sličnu plahti presavijenoj u harmoniku. Sloj se može formirati od dva ili više peptidnih lanaca.
U prirodi postoje proteini čija struktura ne odgovara ni β- ni a-strukturi, npr. kolagen je fibrilarni protein koji čini glavninu vezivno tkivo u tijelu ljudi i životinja.
Tercijarna struktura proteina– prostorna orijentacija polipeptidne spirale ili način na koji je polipeptidni lanac položen u određenom volumenu. Prvi protein čija je tercijarna struktura razjašnjena rendgenskom difrakcijskom analizom bio je mioglobin kita sjemena (slika 2).
U stabilizaciji prostorne strukture proteina, osim kovalentnih veza, glavnu ulogu imaju nekovalentne veze (vodikove, elektrostatske interakcije nabijenih skupina, međumolekulske van der Waalsove sile, hidrofobne interakcije i dr.).
Prema suvremenim konceptima, tercijarna struktura proteina, nakon završetka njegove sinteze, formira se spontano. Glavna pokretačka snaga je interakcija radikala aminokiselina s molekulama vode. U ovom slučaju, nepolarni hidrofobni radikali aminokiselina uronjeni su unutar proteinske molekule, a polarni radikali su usmjereni prema vodi. Proces nastanka nativne prostorne strukture polipeptidnog lanca naziva se preklapanje. Proteini tzv pratioci. Sudjeluju u savijanju. Opisan je niz nasljednih bolesti čovjeka, čiji je razvoj povezan s poremećajima uslijed mutacija procesa savijanja (pigmentoza, fibroza i dr.).
Metodama rendgenske difrakcijske analize dokazano je postojanje razina strukturne organizacije proteinske molekule, srednjih između sekundarne i tercijarne strukture. Domena je kompaktna globularna strukturna jedinica unutar polipeptidnog lanca (slika 3). Otkriveni su mnogi proteini (na primjer, imunoglobulini), koji se sastoje od domena različite strukture i funkcija, kodiranih različitim genima.
svi biološka svojstva proteini su povezani s očuvanjem njihove tercijarne strukture, koja se zove domaći. Proteinska globula nije apsolutno kruta struktura: moguća su reverzibilna kretanja dijelova peptidnog lanca. Ove promjene ne remete cjelokupnu konformaciju molekule. Na konformaciju proteinske molekule utječu pH okoline, ionska jakost otopine i interakcija s drugim tvarima. Svi utjecaji koji dovode do poremećaja prirodne konformacije molekule popraćeni su djelomičnim ili potpunim gubitkom bioloških svojstava proteina.
Kvartarna struktura proteina- način polaganja u prostoru pojedinačnih polipeptidnih lanaca koji imaju istu ili različitu primarnu, sekundarnu ili tercijarnu strukturu, te stvaranje strukturno i funkcionalno jedinstvene makromolekularne tvorevine.
Molekula proteina koja se sastoji od nekoliko polipeptidnih lanaca naziva se oligomer, i svaki lanac uključen u njega - protomer. Oligomerni proteini često su građeni od parnog broja protomera; na primjer, molekula hemoglobina sastoji se od dva a- i dva b-polipeptidna lanca (slika 4).
Oko 5% proteina ima kvaternarnu strukturu, uključujući hemoglobin i imunoglobuline. Struktura podjedinice karakteristična je za mnoge enzime.
Proteinske molekule koje čine protein s kvaternarnom strukturom nastaju odvojeno na ribosomima i tek nakon završetka sinteze tvore zajedničku supramolekularnu strukturu. Protein stječe biološku aktivnost tek kada se spoje njegovi sastavni protomeri. U stabilizaciji kvartarne strukture sudjeluju isti tipovi interakcija kao iu stabilizaciji tercijarne.
Neki istraživači prepoznaju postojanje pete razine strukturne organizacije proteina. Ovaj metaboloni - polifunkcionalni makromolekularni kompleksi različitih enzima koji kataliziraju cijeli put transformacije supstrata (sintetaze viših masnih kiselina, kompleks piruvat dehidrogenaze, dišni lanac).
