2.a lekcija
2.1. Olbaltumvielu fizikālās un ķīmiskās īpašības.
Olbaltumvielām, tāpat kā citiem organiskiem savienojumiem, ir vairākas fizikālās un ķīmiskās īpašības, kas rodas to molekulu struktūras dēļ.
Ķīmiskā Olbaltumvielu īpašības ir ārkārtīgi dažādas. Proteīna molekulas, kurām ir dažādas ķīmiskas dabas aminoskābju radikāļi, spēj iesaistīties dažādās reakcijās.
2.1.1. Skābe-bāze par acīmredzamas olbaltumvielu molekulu īpašības
Tāpat kā aminoskābes, vāveres apvienot patīk galvenais par acīmredzams, un skābsīpašības, t.i., ir amfoteriskie polielektrolīti.
Olbaltumvielās galvenais ieguldījums veicina skābju-bāzes īpašību veidošanos lādēti radikāļi kas atrodas uz proteīna globulas virsmas.
galvenais par acīmredzams proteīnu īpašības ir saistītas ar tādām aminoskābēm kā arginīns, lizīns un histidīns(t.i., ir papildu amino vai imino grupas).
Skābe proteīnu īpašības ir saistītas ar klātbūtni glutamīns un asparagīns aminoskābes (ir papildu karboksilgrupa).
Olbaltumvielu šķīdība.
Katram proteīnam ir noteikta šķīdība atkarībā no paša proteīna rakstura un šķīdinātāja sastāva.
Olbaltumvielu šķīdība ir atkarīga no:
a) aminoskābju sastāvs, t.i., uz proteīna molekulas lādiņu: jo vairāk proteīns satur polāros un lādētos aminoskābju radikāļus, jo lielāka tā šķīdība.
b) hidrāta slāņa klātbūtne (aminoskābju polārie un lādētie radikāļi saista ūdens dipolus, kas ap proteīna molekulu veido hidrāta slāni).
Ūdeni atdalošu vielu (spirta, acetona) pievienošana proteīna ūdens šķīdumam izraisa hidratētā slāņa iznīcināšanu un olbaltumvielu nogulsnēšanos.
Olbaltumvielu denaturācija
Īpašas bioloģiskās funkcijas olbaltumvielas, piemēram, fermenti vai hormoni, ir atkarīgi no tiem konformācijas, kuru pārkāpumi var izraisīt bioloģiskās aktivitātes zudumu. Šajā sakarā tiek uzskatīts, ka tajā atrodas proteīns ar normālu uzbūvi dzimtā (dabiskais) stāvoklis.
Dabiskais proteīns ir proteīns, kam ir konformācija (telpiskā struktūra), kas nosaka molekulas specifisko bioloģisko funkciju.
Diezgan vieglas fizisko apstākļu izmaiņas, tostarp pH, temperatūras izmaiņas vai apstrāde ar noteiktu organisko vielu (mazgāšanas līdzekļu, etanola vai urīnvielas) ūdens šķīdumiem, var izjaukt šo uzbūvi. Proteīnos, kas pakļauti šādai ietekmei, denaturācija (Rīsi. 2.1):
Rīsi. 2.1. Olbaltumvielu molekulas denaturācija
Olbaltumvielu denaturācija- tā ir kvartāro, terciāro un daļēji sekundāro struktūru iznīcināšana, pārtraucot vājās nekovalentās mijiedarbības (ūdeņraža, jonu, hidrofobās) un disulfīda saites, ko pavada olbaltumvielu funkcijas zudums.
Atšķirt denaturāciju un degradācija olbaltumvielas. Plkst degradācija notiek primārās struktūras fragmentācija un proteīna makromolekulas fragmentu veidošanās, t.i., bioloģiski neaktīvi. oligopeptīdi .
Olbaltumvielu molekulas denaturācijas piemērs ir proteīnu termiskā denaturācijašķīdumos 50-60º plīsuma dēļ nekovalentā mijiedarbība, ar kuras palīdzību veidojas terciārā struktūra.
Bieži vien denaturācija tiek veikta vieglos apstākļos atgriezenisks, t.i., noņemot denaturējošo līdzekli, notiek atjaunošana ( renaturācija) proteīna molekulas dabiskās konformācijas. Vairākām olbaltumvielām reģenerācija var būt 100%, un tas attiecas ne tikai uz ūdeņraža un hidrofobām saitēm, bet arī uz disulfīda tiltiem.
Plkst atgriezeniska denaturācija atveseļojas un proteīnu bioloģiskā aktivitāte.
Šie dati kalpo kā papildu pierādījums tam, ka proteīnu sekundārās un terciārās struktūras iepriekš nosaka aminoskābju secība.
10. Native proteīna struktūras veidošanās
10.1. Olbaltumvielu dabiskās telpiskās struktūras veidošanās intracelulāra regulēšana
Šūnā sintezētās polipeptīdu ķēdes, kas veidojas aminoskābju atlikumu secīgas savienošanās rezultātā, ir it kā pilnībā nesalocītas olbaltumvielu molekulas. Lai olbaltumviela iegūtu tai raksturīgās funkcionālās īpašības, ķēdei noteiktā veidā ir jāsalocās telpā, veidojot funkcionāli aktīvu (“native”) struktūru. Neskatoties uz milzīgo telpisko struktūru skaitu, kas teorētiski ir iespējamas vienai aminoskābju secībai, katra proteīna locīšana noved pie vienas dabiskās konformācijas veidošanās. Tādējādi ir jābūt kodam, kas definē attiecības starp polipeptīdu ķēdes aminoskābju secību un telpiskās struktūras veidu, ko tā veido. Šo attiecību noskaidrošana ir neatrisināta problēma, kuras nozīmi diez vai var pārvērtēt. Patiešām, šobrīd jau ir skaidrs, kā DNS struktūrā tiek kodētas aminoskābju sekvences, tomēr principi, kas nosaka dabiskās proteīna konformācijas veidošanos, joprojām ir "dzīvības noslēpums". Darbs pie olbaltumvielu locīšanas izpētes tika uzsākts salīdzinoši nesen. Uzkrātā informācija (galvenokārt balstoties uz pētījumu rezultātiem, kas veikti ar atsevišķu attīrītu proteīnu šķīdumiem) ļāva secināt, ka telpiskās struktūras veidošanās ir spontāns process, kas neprasa nekādu papildu informāciju vai enerģijas avotu. Tika pieņemts, ka šie noteikumi attiecas arī uz olbaltumvielu locīšanu šūnā. Tomēr, kā tas bieži notiek bioloģijā, vēlākie atklājumi lika noraidīt šādu loģiku; viņi parādīja, ka patiesībā situācija ir daudz sarežģītāka. Izrādījās, ka olbaltumvielu locīšanas procesu in vivo nevar uzskatīt ne par spontānu, ne no enerģijas neatkarīgu. Pateicoties ļoti koordinētajai regulēšanas sistēmai, kas pastāv šūnā, polipeptīdu ķēde jau no tās "piedzimšanas brīža", atstājot ribosomu, nonāk faktoru kontrolē, kas, nemainot specifisko locīšanas ceļu (noteikts pēc ģenētiskā koda) , nodrošināt optimālus apstākļus ātras un efektīvas vietējās telpiskās struktūras veidošanas īstenošanai.
10.2. Olbaltumvielu telpiskās struktūras veidošanās ir daudzpakāpju process
Saskaņā ar mūsdienu koncepcijām locīšanas procesam ir hierarhisks raksturs: sākumā ļoti ātri (milisekundēs) veidojas sekundārās struktūras elementi, kas kalpo kā “sēkla” sarežģītāku struktūru veidošanai (1. posms). Otrais posms (arī notiek ļoti ātri) ir dažu sekundārās struktūras elementu specifiska saistība ar virssekundārās struktūras veidošanos (tās var būt vairāku\(\alpha\)- spirāles, vairākasß -šo elementu ķēdes vai jauktie partneri). Nākamais posms, kam ir svarīga loma unikālas proteīna "arhitektūras" veidošanā, ir specifisku kontaktu veidošanās starp vietām, kas aminoskābju secībā atrodas ievērojami attālinātas viena no otras, bet izrādās tuvas. terciārā struktūra. Tiek uzskatīts, ka tās galvenokārt ir hidrofobas mijiedarbības, kas saistītas ar nepolāru grupu tuvošanos un starp tām esošo ūdens molekulu pārvietošanos. Katra proteīna unikālas telpiskās struktūras veidošanai nepieciešams noteikts (optimāls katrā gadījumā) šādu specifisku kontaktu skaits. Ceļā uz sasniegšanu labākais variants iespējamās kļūdas, "nepareizu" kontaktu veidošanās; šajā gadījumā tiek uzskaitīti dažādi struktūras varianti, līdz tiek sasniegts vienīgais variants, kas atbilst dotā proteīna funkcionāli aktīvajam stāvoklim.
Ceļā, kas ved no virssekundārās struktūras elementu veidošanās līdz ķēdes galīgai salocīšanai kompaktā globulā, notiek starpposms (3. posms), kas saistīts ar terciārās struktūras galveno elementu veidošanos (īpaša kombinācija).\(\alpha\)-spirāles, ß -virknes, kas savieno cilpas) un molekulas hidrofobā kodola veidošanās.
Polipeptīdu ķēdes locīšanas stadijas dabiskā konformācijā (1-4).
N.K. Balva, 1996
Molekula iegūst telpisku struktūru, kas ir tuvu dabiskā proteīna struktūrai, tajā pašā laikā tai vēl nav šim proteīnam raksturīgās funkcionālās aktivitātes. Šis stāvoklis, ko sauc par "kausētu globuli", atšķiras no sākotnējā stāvokļa mazākā strukturālās kārtības pakāpē; nepolārās grupas, kas veido molekulas hidrofobo kodolu, nav pietiekami cieši iesaiņotas. Vairāku specifisku mijiedarbību trūkums izraisa izmaiņas mobilo sakaru cilpu orientācijā; kopumā molekula ir labilāka un pakļauta "salipšanai" ar citām līdzīgām molekulām, veidojoties agregātiem. Tādējādi nespecifiska agregācija (5. solis) var samazināt proteīna molekulu skaitu pareizajā locīšanas ceļā (4. solis), t.i., samazināt šī procesa efektivitāti. Kā parādīja in vitro veiktie modeļu eksperimenti, "izkausētas lodītes" veidošanās notiek daudz ātrāk nekā tās pāreja uz dabisko struktūru; Tādējādi 4. reakcija (saistīta ar dažādu konformāciju uzskaitīšanu) ir lēnākais solis locīšanas procesā.
Agregācijas iespējamība ievērojami palielinās, palielinoties temperatūrai un olbaltumvielu koncentrācijai, tāpēc atšķaidītos šķīdumos un zemās temperatūrās notiek efektīva polipeptīdu ķēdes spontāna locīšana. Pievēršoties situācijai, kas notiek in vivo, mums jāatzīst, ka apstākļi, kas pastāv šūnā, šajos parametros ir ļoti atšķirīgi. Tajā pašā laikā fizioloģiskos apstākļos tikko sintezētās polipeptīdu ķēdes salokās diezgan ātri un efektīvi. Tāpēc šūnā ir jābūt īpašiem mehānismiem locīšanas procesa regulēšanai.
Pirms turpināt šo mehānismu izskatīšanu, mēs atzīmējam, ka attēlā redzamā shēma apraksta viena gēna kodētās polipeptīdu ķēdes locīšanas posmus. Tomēr daudzi proteīni ir attīstījušies dažādu gēnu saplūšanas rezultātā; šādu proteīnu polipeptīdu ķēžu sekcijas, ko kodē dažādi gēni, salokās neatkarīgi viena no otras pa dažādiem ceļiem un ar atšķirīgu ātrumu, veidojot pēc salocīšanas lodveida struktūras, ko sauc par domēniem. Olbaltumvielu, kas sastāv no diviem vai vairākiem domēniem, dabiskās struktūras veidošanos sarežģī papildu posms, t.i., īpašu kontaktu nodibināšana starp domēniem. Situācija ir vēl sarežģītāka, ja proteīna oligomēra forma ir funkcionāli aktīva (tas ir, sastāv no vairākām polipeptīdu ķēdēm, no kurām katra pēc locīšanas veido tā saukto apakšvienību). Šajos gadījumos tiek pievienots vēl viens posms - kontaktu nodibināšana starp apakšvienībām.
Bioķīmija- Šī ir zinātne par dzīvības molekulārajiem pamatiem, tā nodarbojas ar molekulu, ķīmisko reakciju, procesu, kas notiek dzīvās ķermeņa šūnās, izpēti. Sadalīts:
statisks (biomolekulu struktūra un īpašības)
dinamisks (reakciju ķīmija)
speciālās sadaļas (vide, mikroorganismu bioķīmija, klīniskā)
Bioķīmijas loma fundamentālu medicīnas problēmu risināšanā
cilvēku veselības saglabāšana
noskaidrot dažādu slimību cēloņus un atrast veidus, kā tās efektīvi ārstēt.
Tādējādi jebkura slikta pašsajūta, cilvēka slimība ir saistīta ar metabolītu vai biomolekulu struktūras un īpašību pārkāpumu, kā arī ir saistīta ar izmaiņām bioķīmiskajās reakcijās, kas notiek organismā. Jebkuru ārstēšanas metožu, zāļu izmantošana ir balstīta arī uz izpratni un precīzām zināšanām par to darbības bioķīmiju.
Olbaltumvielas, to struktūra un bioloģiskā loma
Olbaltumvielas ir augstas molekulmasas polipeptīdi, nosacītā robeža starp proteīniem un polipeptīdiem parasti ir 8000-10000 molekulmasas vienības. Polipeptīdi ir polimēru savienojumi, kuru molekulā ir vairāk nekā 10 aminoskābju atlikumi.
Peptīdi ir savienojumi, kas sastāv no divām vai vairākām aminoskābju atlikumiem (līdz 10) Olbaltumvielas satur tikai L-aminoskābes.
Ir aminoskābju atvasinājumi, piemēram, kolagēns satur hidroksiprolīnu un hidroksilizīnu. Dažos proteīnos ir atrodams γ-karboksiglutamāts. Glutamāta karboksilēšanas traucējumi protrombīnā var izraisīt asiņošanu. Fosforoserīns bieži ir atrodams olbaltumvielās.
Neaizstājamās aminoskābes ir tās, kuras organismā netiek sintezētas vai
sintezēts nepietiekamā daudzumā vai ar zemu ātrumu.
8 aminoskābes ir neaizstājamas cilvēkiem: triptofāns, fenilalanīns,
metionīns, lizīns, valīns, treonīns, izoleicīns, leicīns.
Aminoskābju bioķīmiskās funkcijas:
peptīdu, polipeptīdu un proteīnu celtniecības bloki,
citu aminoskābju biosintēze (tirozīns tiek sintezēts no fenilalanīna, cisteīns tiek sintezēts no metionīna)
noteiktu hormonu, piemēram, oksitacīna, vazopresīna, insulīna, biosintēze
sākotnējie produkti glutationa, kreatīna veidošanai
glicīns ir būtisks porfirīna sintēzei
p - alanīns, valīns, cisteīna forma CoA, triptofāns - nikotīnamīds, glutamīnskābe - folijskābe
nukleotīdu biosintēzei nepieciešams glutamīns, glicīns, asparagīnskābe, no tiem veidojas purīna bāzes, glutamīns un asparagīnskābe - pirimidīns
11 aminoskābes ir glikogēnas, kas nozīmē, ka tās var metabolizēt glikozē un citos ogļhidrātos
fenilalanīns, tirozīns, leicīns, lizīns un triptofāns ir iesaistīti noteiktu lipīdu biosintēzē
10. urīnvielas, oglekļa dioksīda un enerģijas veidošanās ATP formā.
Olbaltumvielu struktūra. primārā struktūra.
Saskaņā ar primāro struktūru saprotiet aminoskābju secību ķēdē, tās ir savstarpēji saistītas ar kovalentām peptīdu saitēm. Polipeptīdu ķēde sākas ar atlikumu, kurā ir brīva aminogrupa (N gals) un beidzas ar brīvu COOH galu.
Primārā struktūra ietver arī mijiedarbību starp cisteīna atliekām ar disulfīda saišu veidošanos.
Tādējādi primārā struktūra ir visu kovalento saišu apraksts proteīna molekulā.
Peptīdu saite atšķiras pēc polaritātes, kas ir saistīta ar to, ka saitei starp N un C daļēji ir dubultsaites raksturs. Rotācija ir sarežģīta, un peptīdu saitei ir stingra struktūra. Aminoskābju secība ir stingri ģenētiski noteikta, tā nosaka proteīna dabisko dabu un funkcijas organismā.
sekundārā struktūra
1951. gads - tika atšifrēta sekundārā struktūra (stingri savīta polipeptīda galvenā ķēde, kas veido stieņa iekšējo daļu, sānu ķēdes ir vērstas uz āru, sakārtotas spirālē) Visas pamatņu grupas -C=O-N-H- ķēdes ir savienotas ar ūdeņraža saitēm.
Ūdeņraža saites padara a-spirāli stabilāku.
Vēl viens sekundārās struktūras veids ir p - salocīts slānis. Tās ir paralēlas polipeptīdu ķēdes, kuras ir savstarpēji saistītas ar ūdeņraža saitēm. Ir iespējama šādu p-veidojumu savīšana, kas piešķir proteīnam lielāku spēku.
Trešais sekundārās struktūras veids ir raksturīgs kolagēnam. Katra no trim kolagēna prekursora (tropokolagēna) polipeptīdu ķēdēm ir spirālveida. Trīs šādas spirālveida ķēdes ir savītas viena pret otru, veidojot stingru pavedienu.
Šāda veida struktūras specifika ir saistīta ar ūdeņraža saišu klātbūtni tikai starp glicīna, prolīna un hidroksiprolīna atlikumiem, kā arī iekšējām un starpmolekulārām kovalentām šķērssaistēm.
Ir pierādīta proteīna molekulas strukturālās organizācijas 4 līmeņu esamība.
Olbaltumvielu primārā struktūra- aminoskābju atlikumu secība polipeptīdu ķēdē. Olbaltumvielās atsevišķas aminoskābes ir savstarpēji saistītas. peptīdu saites kas rodas aminoskābju a-karboksilgrupu un a-aminogrupu mijiedarbības rezultātā.
Līdz šim ir atšifrēta desmitiem tūkstošu dažādu olbaltumvielu primārā struktūra. Lai noteiktu proteīna primāro struktūru, hidrolīzes metodes nosaka aminoskābju sastāvu. Pēc tam tiek noteikta gala aminoskābju ķīmiskā būtība. Nākamais solis ir noteikt aminoskābju secību polipeptīdu ķēdē. Šim nolūkam tiek izmantota selektīva daļēja (ķīmiskā un fermentatīvā) hidrolīze. Ir iespējams izmantot rentgenstaru difrakcijas analīzi, kā arī datus par DNS komplementāro nukleotīdu secību.
Olbaltumvielu sekundārā struktūra- polipeptīdu ķēdes konfigurācija, t.i. metode polipeptīdu ķēdes iesaiņošanai noteiktā konformācijā. Šis process nenotiek haotiski, bet gan saskaņā ar primārajā struktūrā noteikto programmu.
Sekundārās struktūras stabilitāti nodrošina galvenokārt ūdeņraža saites, bet zināmu ieguldījumu dod kovalentās saites - peptīds un disulfīds.
Tiek aplūkots visticamākais lodveida proteīnu struktūras veids a-spirāle. Polipeptīdu ķēdes vērpšana notiek pulksteņrādītāja virzienā. Katram proteīnam ir raksturīga noteikta spiralizācijas pakāpe. Ja hemoglobīna ķēdes ir 75% spirālveida, tad pepsīns ir tikai 30%.
Tiek saukts matu, zīda un muskuļu proteīnos atrodamo polipeptīdu ķēžu konfigurācijas veids b-struktūras. Peptīdu ķēdes segmenti ir sakārtoti vienā slānī, veidojot figūru, kas līdzīga akordeonā salocītai lapai. Slāni var veidot divas vai vairākas peptīdu ķēdes.
Dabā ir olbaltumvielas, kuru struktūra neatbilst ne β-, ne a-struktūrai, piemēram, kolagēns ir fibrilārs proteīns, kas veido lielāko daļu saistaudi cilvēka un dzīvnieka ķermenī.
Olbaltumvielu terciārā struktūra- polipeptīda spirāles telpiskā orientācija vai polipeptīdu ķēdes ieklāšanas metode noteiktā tilpumā. Pirmais proteīns, kura terciārā struktūra tika noskaidrota ar rentgenstaru difrakcijas analīzi, ir kašalots mioglobīns (2. att.).
Olbaltumvielu telpiskās struktūras stabilizācijā papildus kovalentajām saitēm galvenā loma ir nekovalentajām saitēm (ūdeņradis, lādētu grupu elektrostatiskā mijiedarbība, starpmolekulārie van der Vālsa spēki, hidrofobās mijiedarbības u.c.).
Saskaņā ar mūsdienu koncepcijām proteīna terciārā struktūra pēc tās sintēzes pabeigšanas veidojas spontāni. Galvenais dzinējspēks ir aminoskābju radikāļu mijiedarbība ar ūdens molekulām. Šajā gadījumā nepolāri hidrofobie aminoskābju radikāļi ir iegremdēti proteīna molekulas iekšpusē, un polārie radikāļi ir orientēti uz ūdeni. Tiek saukts polipeptīdu ķēdes dabiskās telpiskās struktūras veidošanās process locīšana. Šūnām ir izolēti proteīni, ko sauc pavadoņi. Viņi piedalās locīšanā. Ir aprakstītas vairākas cilvēka iedzimtas slimības, kuru attīstība ir saistīta ar pārkāpumu locīšanas procesa mutāciju dēļ (pigmentoze, fibroze utt.).
Proteīna molekulas strukturālās organizācijas līmeņu esamība starp sekundārajām un terciārajām struktūrām ir pierādīta ar rentgenstaru difrakcijas analīzes metodēm. Domēns ir kompakta lodveida struktūrvienība polipeptīdu ķēdē (3. att.). Ir atklāti daudzi proteīni (piemēram, imūnglobulīni), kas sastāv no domēniem, kuriem ir atšķirīga struktūra un funkcija un ko kodē dažādi gēni.
Visas olbaltumvielu bioloģiskās īpašības ir saistītas ar to terciārās struktūras saglabāšanu, ko sauc dzimtā. Proteīna globula nav absolūti stingra struktūra: ir iespējamas atgriezeniskas peptīdu ķēdes daļu kustības. Šīs izmaiņas netraucē molekulas vispārējo konformāciju. Olbaltumvielu molekulas uzbūvi ietekmē barotnes pH, šķīduma jonu stiprums un mijiedarbība ar citām vielām. Jebkuru ietekmi, kas izraisa molekulas dabiskās konformācijas pārkāpumu, pavada proteīna daļējs vai pilnīgs bioloģisko īpašību zudums.
Kvartārā proteīna struktūra- veids, kā telpā izvietot atsevišķas polipeptīdu ķēdes ar vienādu vai atšķirīgu primāro, sekundāro vai terciāro struktūru, un veidojot vienotu makromolekulāru veidojumu strukturālā un funkcionālā ziņā.
Tiek saukta proteīna molekula, kas sastāv no vairākām polipeptīdu ķēdēm oligomērs, un katra tajā iekļautā ķēde - protomērs. Oligomērus proteīnus biežāk veido no pāra skaita protomēriem, piemēram, hemoglobīna molekula sastāv no divām a- un divām b-polipeptīdu ķēdēm (4. att.).
Kvartārajā struktūrā ir aptuveni 5% olbaltumvielu, ieskaitot hemoglobīnu, imūnglobulīnus. Apakšvienības struktūra ir raksturīga daudziem fermentiem.
Olbaltumvielu molekulas, kas veido proteīnu ar kvartāru struktūru, veidojas atsevišķi uz ribosomām un tikai pēc sintēzes beigām veido kopēju supramolekulāru struktūru. bioloģiskā aktivitāte proteīns iegūst tikai tad, kad to veidojošie protomēri apvienojas. Kvartārās struktūras stabilizācijā piedalās tādi paši mijiedarbības veidi kā terciārās struktūras stabilizācijā.
Daži pētnieki atzīst, ka pastāv proteīnu strukturālās organizācijas piektais līmenis. to metaboloni - dažādu enzīmu polifunkcionālie makromolekulārie kompleksi, kas katalizē visu substrāta transformāciju ceļu (augstākas taukskābju sintetāzes, piruvāta dehidrogenāzes komplekss, elpošanas ķēde).
