Белки n n n Белки протеины от

Белки n n n Белки (протеины – от греч. рrotos – первый, важнейший) – полимерные молекулы, в которых мономерами служат аминокислоты. Белками называются высокомолекулярные азотсодержащие органические вещества, состоящие из аминокислот, соединённых в цепи с помощью пептидных связей, и имеющие сложную структурную организацию. Индивидуальность белковых молекул определяется порядком чередования аминокислот в белке. 1

Элементарный состав белков (в % от сухой массы белка) Углерод 51 -55 Кислород 21 -23 Азот 15 -18 Водород 6 -7 Сера 0, 3 -2, 5 Зола 0 -0, 5 2

Примерное распределение белка в субклеточных фракциях клеток печени (в % от общего белка клетки) Ядро 12, 0 Митохондрии 20, 0 Лизосомы 2, 0 Микросомы 20, 0 Пероксисомы 2, 5 Плазматическая мембрана 1, 5 Гиалоплазма (внутриклеточный сок) 40, 0 Прочие частицы 2, 0 3

Молекулярная масса белков Глюкагон Инсулин Рибонуклеаза Трипсин Церуллоплазмин Фибриноген Глутаматдегидрогеназа Гемоцианин улитки 4 000 6 000 13 700 23 800 160 000 341 000 000 9 000 4

Структурные особенности аминокислот, входящих в состав белков H │ H 2 N — Cα — COOH │ R 5

Строение и свойства аминокислот 6

Строение и свойства аминокислот 7

Классификация аминокислот по химическому строению радикалов n Алифатические n Ароматические n Гетероциклические n Иминокислота 8

Классификация аминокислот по их химическому строению 9

Классификация аминокислот по их химическому строению 10

Классификация аминокислот по их химическому строению 11

Классификация аминокислот по растворимости их радикалов в воде n n Аминокислоты с неполярными радикалами (гидрофобные) – аланин, валин, лейцин, изолейцин, пролин, метионин, фенилаланин, триптофан Аминокислоты с полярными незаряженными радикалами (радикалы этих аминокислот лучше, чем гидрофобные радикалы растворяются в воде) – серин, треонин, тирозин, аспарагин, глутамин, цистеин Аминокислоты с полярными отрицательно заряженными радикалами (аминокислоты имеют в радикале дополнительную карбоксильную группу) – глутаминовая и аспарагиновая кислоты Аминокислоты с полярными положительно заряженными радикалами - лизин, аргинин, гистидин 12

13

Изменение суммарного заряда аминокислот в зависимости от р. Н среды 14

Модифицированные кислоты, найденные в составе белков 15

Классификация аминокислот по питательной ценности n n n Незаменимые (не могут синтезироваться в организме человека) – фенилаланин, метионин, треонин, триптофан, валин, лизин, лейцин, изолейцин. У детей незаменимыми аминокислотами также являются аргинин и гистидин Условно заменимые аминокислоты (синтезируются в организме человека из незаменимых аминокислот) – тирозин (синтезируется из фенилаланина) и цистеин (синтезируется из метионина) Заменимые аминокислоты (легко синтезируются в клетках) – глицин, аспарагиновая кислота, аспарагин, глутаминовая кислота, глутамин, серин, пролин, аланин. 16

Нингидриновая реакция на α-аминокислоты 17

Химические реакции, используемые для обнаружения аминокислот 1. Нингидриновая реакция на α-аминокислоты 2. Специфические реакции на отдельные аминокислоты: - аргинин определяют с помощью качественной реакции на гуанидиновую группу (реакция Сакагучи) - цистеин выявляют специфической на SH-группу реакцией (реакция Фоля) - наличие ароматических аминокислот определяют ксантопротеиновой реакцией (реакция нитрования) - наличие гидроксильной группы в ароматическом кольце тирозина определяют с помощью реакции Миллона 3. Реакция конденсации (реакция образования пептидной связи) 18

Образование пептидов в результате реакций конденсации 19

Классификация пептидов и белков по количеству аминокислотных остатков 1. 2. 3. Олигопептиды – пептиды, содержащие до 10 аминокислот (трипептид, пентапептид, октапептид и т. д. ). Полипептиды – пептиды, содержащие более 10 аминокислот (окситоцин, вазопрессин и пр. ). Белки – полипептиды, состоящие из более чем 50 аминокислотных остатков (инсулин – 51 аминокислотных остатков и др. ). 20

Принцип строения пептидов 21

Плоскости расположения пептидных групп и α-углеродных атомов в пространстве 22

Классификация пептидов по физиологическому действию 1. 2. 3. 4. 5. 6. Пептиды, обладающие гормональной активностью (окситоцин, вазопрессин, рилизинг-гормоны, меланоцитстимулирующий гормон, глюкагон и др. ). Пептиды, регулирующие процессы пищеварения (гастрин, холецистокинин, вазоинтестинальный пептид, желудочный ингибирующий пептид и др. ). Пептиды, регулирующий тонус сосудов и артериальное давление (брадикинин, калидин, ангиотензин II). Пептиды, регулирующие аппетит (лептин, нейропептид Y, меланоцитстимулирующий гормон, β-эндорфины). Пептиды, обладающие обезболивающим действием (энкефалины, эндорфины и другие опиоидные пептиды). Обезболивающий эффект этих пептидов в сотни раз превосходит анальгезирующий эффект морфина. Пептиды, участвующие в регуляции высшей нервной деятельности, в биохимических процессах, связанных с механизмами сна, обучения, памяти, возникновения чувства страха и т. д. 23

Структура белков Белки представляют собой цепи, содержащие десятки, сотни и тысячи аминокислотных остатков, соединённых прочными ковалентными пептидными связями. За счёт внутримолекулярных взаимодействий белки образуют определённую пространственную структуру, называемую «конформация белков» . Линейная последовательность аминокислот в белке, кодируемая геномом клетки, содержит информацию о построении трёхмерной пространственной структуры, свойствах и функциях белка. Различают 4 уровня структурной организации белков: первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры. 24

Возможные конформации белков 25

Конформации белков 26

α-Спираль Пространственное строение α-спирализованного участка полипептидной цепи и образование водородных связей, участвующих в формировании α-спирали 27

Вторичная структура белка в виде β-складчатого слоя 28

Параллельный и антипараллельный β-складчатые слои β-структуры обозначены широкими стрелками. А – антипараллельная β-структура; Б – параллельные β-складчатые структуры. 29

Супервторичная структура белков Специфический порядок формирования вторичной структуры, содержащий сочетания элементов вторичной структуры (α-спирали и β-структуры), называют супервторичной (сверхвторичной) структурой белков. Такая структура формируется за счёт межрадикальных взаимодействий. n 30

Классификация супервторичных структур ( «структурные мотивы» ) n n «α-спираль-поворот-α-спираль» (ДНКсвязывающий белок); «структура β-бочонка» (домен пируваткиназы, триозофосфатизомераза); «лейциновая застёжка-молния» (молекулы белков связаны с помощью гидрофобных взаимодействий остатков лейцина этих белков, например, соединения гистонов); «цинковый палец» (фрагмент ДНКсвязывающего белка). 31

Фрагмент ДНК-связывающего белка в форме «цинкового пальца» 32

33

Конформации белков Доменное строение глобулярных белков: а – β-субъединица гемоглобина; б – константный домен иммуноглобулина; в – флаводоксин; г – лизоцим куриного яйца 34

Конформации белков Третичная структура белков – трехмерная пространственная структура, образующаяся за счет взаимодействий между радикалами аминокислот, которые могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга в полипептидной цепи. 35

Связи, принимающие участие в формировании третичной структуры белков 36

Типы связей, возникающих между радикалами аминокислот при формировании третичной структуры 1. Ионные связи 3. Гидрофобные взаимодействия 2. Водородные связи 4. Дисульфидные связи 37

Связи, принимающие участие в формировании третичной структуры белков 38

Связи, принимающие участие в формировании третичной структуры белков Ионные связи могут возникать между отрицательно заряженными (анионными) карбоксильными группами радикалов аспарагиновой и глутаминовой кислот и положительно заряженными (катионными) группами радикалов лизина, аргинина или гистидина. Водородные связи возникают между гидрофильными незаряженными группами (-ОН, -СОNH 2, SH-группы) и любыми другими гидрофильными группами. Третичную структуру некоторых белков стабилизируют дисульфидные связи, образующиеся за счёт взаимодействия SH-групп двух остатков цистеина. Эти два остатка цистеина могут находиться далеко друг от друга в линейной первичной структуре белка, но при формировании третичной структуры они сближаются и образуют прочное ковалентное связывание радикалов. 39

Аминокислота цистеин, имеющая в R-группе атом серы, способна с такой же молекулой образовывать прочную, ковалентную дисульфидную связь (S―S- мостик): 40

Дисульфидные связи в структуре гормона инсулина 41

42

Структура нативной молекулы белка (в центре) и трех денатурированных молекул этого же белка 43

Денатурация и ренатурация рибонуклеазы А – нативная молекула рибонуклеазы, в третичной структуре которой имеются 4 дисульфидных связи; Б – денатурированная молекула рибонуклеазы; В – ренатурированная (нативная) молекула рибонуклеазы, в структуре которой вновь образованы 4 дисульфидные связи между теми же остатками цистеина 44

Конформации белков Количество и взаиморасположение полипептидных цепей в пространстве называют «четвертичная структура белков» . Отдельные полипептидные цепи в таком белке носят название протомеров, или субъединиц. Белок, содержащий в своём составе несколько протомеров, называют олигомерным белком. 45

Количество протомеров в структуре олигомерных белков В состав олигомерных белков может входить от 2 до нескольких десятков протомеров. Фермент гексокиназа содержит в своём составе 2 протомера. Белок эритроцитов гемоглобин и фермент лактатдегидрогеназа содержат по 4 протомера. Фермент глутаминсинтетаза состоит из 12 протомеров. Фермент внутренней мембраны митохондрий цитохромоксидаза содержит 13 протомеров. Пируватдегидрогеназный комплекс содержит в своём составе 312 протомеров. 46

Субъединичная структура глутаминсинтетазы 47

Формирование трёхмерной структуры белка в клетке 48

Болезни, связанные с нарушением фолдинга белков Некоторые растворимые в воде белки при изменении условий могут приобретать конформацию плохо растворимых, способных к агрегации молекул, образующих в клетках фибриллярные отложения, именуемые амилоидом. В результате отложения амилоида в органах и тканях нарушаются структура и функция клеток, наблюдают их дегенеративные изменения и разрастание соединительнотканных или глиальных клеток. Развиваются болезни, называемые амилоидозами. Для каждого вида амилоидоза характерен определённый тип амилоида. В настоящее время известно и описано более 15 таких болезней. Наиболее известными и распространёнными заболеваниями, вызванными накоплением амилоида, являются: n n Болезнь Альцхаймера Прионные болезни 49

Взаимодействие белка с лигандом А и Б – некомплементарное взаимодействие и разрушение связей между белком и лигандом; В – комплементарное взаимодействие белка с лигандом. 50

Связывание гексокиназы с глюкозой 51

Строение гема, входящего в состав миоглобина и гемоглобина 52

Расположение гема в активном центре апомиоглобина и протомеров апогемоглобина 53

Строение гемоглобина 54

Кооперативные изменения конформации протомеров гемоглобина присоединении О 2 55

Классификации белков n n n n n По форме молекул (глобулярные, фибриллярные) По молекулярной массе (низкомолекулярные, высокомолекулярные) По химическому строению (отсутствие или наличие небелковой части – простые или сложные) По выполняемым функциям (транспортные, защитные, регуляторные, структурные и др. ) По локализации в клетке (ядерные, цитоплазматические, мембраносвязанные, лизосомальные и др. ) По локализации в организме (белки крови, печени и др. ) По возможности адаптивно регулировать количество данных белков: белки, синтезирующиеся с постоянной скоростью (конститутивные) и белки, синтез которых может усиливаться при воздействии факторов среды (индуцибельные) По продолжительности жизни клетке (от быстро обновляющихся белков до обновляющихся через недели и месяцы) По схожим участкам первичной структуры и родственным функциям (семейства белков) 56

Изменения белкового состава организма 1. 2. 3. Изменение белкового состава клеток в процессе их дифференцировки. Наследственные протеинопатии. Приобретённые протеинопатии. 57