Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ЛЕКЦИЯ №2
Тема «Белки. Физико-химические свойства.
Функции белков в организме.
Строение белковой молекулы».
План изложения:
1.Химический состав белков. Физико-химические свойства.
2. Строение белков. Структура белковой молекулы. Типы связей.
3. Функции белков в организме.
4. Классификация белков.
Белки – это органические высокомолекулярные азотистые соединения, построенные из аминокислот.
Белки являются самыми важными составными частями всех живых организмов. На долю белков приходится 45% сухого вещества организма. Высокое содержание белков в селезенке 84%, легких 82%, мышцах 80%, почках 70% и т.д.
Химический состав белков: углерод 55%,
кислород 24%,
водород 7%,
азот 16%,
сера 2,5%.
В отдельных белках содержатся: фосфор, железо, медь, цинк, марганец, магний, йод. Во всех белковых молекулах содержание азота довольно постоянно ~ 16%. Это лежит в основе определения концентрации белка в тканях.
Основные физико-химические свойства белков:
Онкотическое давление в крови обусловлено присутствием белков и равно 0,02 – 0,04 атм., т. е. 30 мм рт. ст.
COOH NH2
R NH2 R COOH
COOH NH2
Вода в организме человека составляет 65%, а ВМС – 35%. Вода заполняет все пространства клеток и тканей, составляя внутреннюю среду организма, а ВМС находятся в ней, образуя растворы с особыми свойствами. По своим свойствам растворы ВМС в организме человека приближаются к коллоидным растворам.
Признаки коллоидного состояния.
Устойчивость белков в биологических жидкостях организма обуславливают два фактора: заряд и водная оболочка для гидрофильных белков (альбумины) и только заряд – для гидрофобных белков (коллаген).
Строение белков.
Белки построены из аминокислот. Аминокислота содержит 2 основные группы: карбоксильную – СООН и аминогруппу NН2. Всего в создании белков участвует 22 аминокислоты, они связаны между собой в длинные цепи, которые образуют основу белковой молекулы.
Все аминокислоты, входящие в состав белков человека, относятся к α- аминокислотам, т.е. карбоксильная и аминогруппа присоединены к одному и тому же углеродному атому в α- положении:
β
R СН2 СН СООН R СН СООН -
NH2 NH2+
СООН группа – карбоксильная - придает данной кислоте кислое свойство и «-» отрицательный заряд.
NH2 – аминогруппа – дает аминокислоте основные свойства и в электрическом поле «+» заряд.
Свойства аминокислот, проявлять себя, как в кислой, так и в основной реакции называется амфотерностью.
Аминокислоты различаются радикалами (R), т.е. аминокислотными остатками и количеством функционирующих групп (СООН и NН2).
Структура белковой молекулы
Белки построены по единому принципу и имеют 4 уровня организации:
I уровень. Первичная структура
- линейная цепь аминокислот, расположена в определенной последовательности и соединяется между собой пептидными связями (ковалентная пептидная связь).
Основа цепи – многократно повторяющаяся последовательность – СО – СН – NH- Радикалы расположены вне цепи, именно они несут главную нагрузку при выполнении белками их функций.
Аминокислотный остаток, на одном конце пептида, где имеется -аминная группа- аминоконцевым или N-концевым остатком.
На противоположном конце молекулы, имеющим свободную карбоксильную группу – карбоксиконцевой или С-концевой. Название пептидов образуется из входящих в них аминокислот остатков в соответствие с их последовательностью, начиная с N – конца.
Каждый белок имеет в своем составе определенное количество аминокислот, соединенных между собой в строго зафиксированной последовательности с помощью пептидных (ковалентных) связей, что и определяет специфичность и уникальность каждого белка.
Первым белком, у которого была определена первичная структура, стал инсулин, содержащий 51 аминокислоту = > что позволило получить его искусственным путем.
II уровень. Вторичная структура
– спираль, в которой закручивается полипептидная цепочка.
Спирализация возможна благодаря водородным связям между остатками карбоксильных и аминных групп.
Основа альфа – спирали – пептидная цепь, а радикалы аминокислот направлены к наружи, располагаются по спирали. Внешне альфа-спираль похожа на растянутую спираль электроплитки. Такая форма характерна для белков, имеющих 1 полипептидную цепь (альбумины, глобулины).
Складчатая β- структура – плоская форма, похожа на меха гармошки.
Характерна для белков, имеющих несколько полипептидных цепей, расположенных параллельно.
β- структура встречается в таких белках, как трипсин, рибонукмаза, кератин волос, коллаген, сухожилий.
Водородная связь слабая, легко образуется и легко разрывается (в белках этот вид связи: между Н альфа-аминной группы одной пептидной связи и О2 β – карбоксильной группы другой).
В образовании вторичной структуры белковой молекулы принимают участие и дисульфидные связи (образованы между сульфгидрильными группами цистеина).
III уровень. Третичная структура
– пространственная форма, которую стремится принять спираль вторичной структуры, складываясь и изгибаясь под действием образования дополнительных дисульфидных связей (дисульфидных мостиков, которые образуются между атомами серы двух молекул цистеина, расположенные в разных участках полипептидной цепи) – связь очень прочная (только сильные кислоты, щелочи, алкоголь, высокая температура может разрушить – S - S).
! Именно третичная структура обеспечивает выполнение белком его основных функций и может быть представлена в виде шарика (глобулы), яичный белок, казеин молока, белки сыворотки крови (альбумины, глобулины) и в виде нитей (фибрилл: белки опорных тканей: миозин мышц, оссеин костей, фибрин крови.
Глобулярные белки хорошо растворимы в воде. Фибриллярные плохо или совсем не растворяются.
Итак, третичную структуру поддерживают четыре вида связи:
IV уровень. Четвертичная структура
– характерна для белков состоящих из 2 или более полипептидных цепей, связанных между собой слабыми ионными связями. Это объединение в определённом порядке двух или более субъединиц в молекулу олигомерного белка.
Особенностью белков с четвертичной структурой является их способность проявлять свои функции и свойства только при наличии всех субъединиц.
Н: лактатдегидрогеназа (ЛДГ) – состоит из 4 субъединиц.
(! Субъединица – полипептидная цепь, имеющая завершенную пространственную структуру).
Создание белков с четвертичной структурой позволило природе расширить свои возможности в области качественного разнообразия белков при незначительном увеличении количества генетического материала.
ЛДГ – 4 субъединицы и 2 генетически детерминированных полипептидных цепей Н и М. Их разные комбинации позволяют создать 5 ферментов, катализирующих одинаковую реакцию в разных органах и тканях: НННН, НННМ, ННММ, НМММ, ММММ.
Такие белки с одинаковыми функциями, но отличающиеся физико-химическими свойствами, получили название изопротеинов.
Слабое взаимодействие между отдельными частями молекулы белков даёт ей некоторую свободу к изменениям пространственной структуры. Расположение атомов или групп атомов молекулы органического вещества, обусловленное возможностями вращения их вокруг ковалентных связей (дисульфидных мостиков), получило название конформации. Изменение конформации белковой молекулы лежит в основе её биологической активности. Уникальная пространственная структура каждой белковой молекулы и её возможности в определённых пределах изменять эту структуру придаёт белкам способность выполнять многочисленные специфические функции. Главный принцип, лежащий в основе этой специфичности, это принцип комплиментарности – принцип пространственной дополнительности между определённым участком белковой молекулы (активным участком) и молекулой или участком молекулы (лигандом), с которой реагирует этот белок. Активные участки белковых молекул образуются на поверхности, в «карманах» и «расщелинах» поверхности. При этом если для функции необходимы гидрофобные радикалы аминокислот, то они, упрятанные от воды в глубине белковой молекулы, становятся доступными благодаря изменению конформации всей белковой молекулы. Лигандами могут быть самые разнообразные по химической природе вещества: белки, углеводы, липиды, неорганические вещества и т. д. Примерами такого специфического белок – лиганд – взаимодействия являются взаимодействия между антителом и антигеном, рецептором и гормоном, ферментом и субстратом.
Функции белков в организме:
Каталитическая.
В клетке участвуют в биохимических реакциях 2000 различных ферментов, и все они по химической природе – белки ( простые или сложные).
Структурная.
Белки составляют ~ 1/5 часть массы тела. Мембраны всех клеток представляют собой бислой: белки и фосфолипиды, т. е. белки играют роль в формировании всех клеточных структур. Существуют специальные белки, выполняющие структурную функцию. Например: а) основа волос и ногтей – кератин – белок жесткой структуры, плохо растворим в воде; б) белок соединительной ткани – коллаген; в) Нb- белок эритроцитов.
Транспортная.
Белки обладают исключительными возможностями по специфическому связыванию различных соединений, что позволяет им осуществлять транспорт веществ по крови и в пределах клетки. Так по организму транспортируется нерастворимые в воде вещества (ионы металлов, газы) или токсические продукты (билирубин, жирные кислоты). Пример транспортных белков: 1) Нb – О2 и СО2, 2) трансферрин – транспортирует Fе, 3) ретинол связывающий белок – доставляет клеткам витамин А, 4) альбумины крови + жирные кислоты и билирубин выполняют 2 задачи: обезвреживают данные вещества, транспортируют по крови в печень и др. ткани, 5) сложные белки – липопротеины – транспортируют по крови липиды: холестерин, фосфолипиды, ТАГ (триацилглицерины).
Защитная.
На действие болезнетворных микробов организм отвечает выработкой антител, которые по химической природе являются белками глобулиновой природы – IgA, G, E и т.д.
Регуляторная.
В регуляции обмена принимают участие гормоны (гипофиза, поджелудочной, щитовидной желез). Около 50% всех гормонов имеют белковую природу. Белки принимают участие в регуляции важных констант крови: осмотического давления, рН-крови , КОС.
Сократительная функция (специфическая функция белков).
Важным признаком живого является подвижность, в основе ее лежит сократительная функция белков: мышечные сокращения, изменения формы клеток. Это выполняется рецепторной функцией белков наружной плазматической мембраны. В работе мышц участвуют белки: актин, миозин, тропонины и тропомиозин. Белок ретрактозим сокращает тромб, делая его более плотным, тем самым предотвращает кровотечение.
Участие в процессах наследственности (хранение и передача генетической информации) – выполняют сложные белки – нуклеопротеины.
Энергетическая – 1г. белка, окисляясь до конечных продуктов_ мочевины, углекислого газа и воды, даёт 4,1 ккал энергии.
Перечисленные и многие другие функции белков достаточно отражают их важнейшее значение для организма и подтверждают правильность оценки белков как основы всего живого.
Классификация белков.
А: по степени сложности молекул:
Простые белки состоят только из аминокислот: альбумины, глобулины, эластин, протамины, гистоны (белки основного характера, содержащие много лизина и аргенина – входят в состав нуклеопротеидов), коллаген, протеиноиды – белки соединяют ткани (большое количество пролина, оксипролин) – белки волос.
Сложные белки – протеины состоят из белковой и небелковой частей.
Небелковая часть называется простетической группой. Название сложных белков зависит от названия простетической группы.
Многие белки содержат металлы. Например, церулоплазмин – белок содержащий Сu, имеет синюю окраску; белок переносящий витамин В12 – придает белкам розовый цвет, содержит в своём составе кобальт, гемоглобин имеет простетическую группу, окрашенную в красный цвет. Витамин В 2 придаёт белкам жёлтый цвет- флавопротеины.
В: по форме белковой молекулы:
Г: по растворимости в воде:
Водорастворимые – это простые белки, находятся в биологических жидкостях, выполняют транспортные функции, являются ферментами.
транспорт
и ферменты
Транспортн.ф-я иммуноглобулины
Водонерастворимые – форма нитей – структурная функция (коллаген). Выделены из кожи, костей, сухожилей. Эта ткань образует каркас для всего организма.
Глобулярные белки хорошо растворимы в воде. Фибриллярные плохо или совсем не растворяются.
Вопросы для самоконтроля:
Литература В. С. Камышников стр. 440-444.
В. К. Кухта стр. 51-73.
Разработано преподавателем клинической биохимии С. М. Новиковой.
Структура белковой молекулы
Цель занятия: изучить виды макромолекулярной организации белковых молекул.
Теоретические основы занятия
Первичная структура белков – последовательность аминокислот в полипептидной цепи (или цепях) и положение дисульфидных связей (если они есть).
Первичная структура стабилизируется ковалентными связями: пептидной, а в некоторых пептидах и дисульфидной.
Разрушение ковалентных связей первичной структуры – гидролиз: 1) кислотный – в 6 н. HCl, 100-1100С, 24 ч.; 2) ферментативный – с помощью протеолитических ферментов в желудке при рН 1,5-5,0 – пепсин; трипсин, химотрипсин, карбоксипептидазы - в двенадцатиперстной кишке; дипептидазы, трипептидазы и аминопептидазы - в тонком кишечнике, при рН 8,6.
Характеристика пептидной связи. Пептидная связь плоская (копланарная). Связь С-N напоминает двойную связь (вращение невозможно) из-за р, π – сопряжения (сопряжение свободной пары электронов атома с π-электронами двойной связи С=О).
Пептидная связь определяет остов (хребет) первичной структуры белковой молекулы и придает ему жесткость.
Роль первичной структуры.
Физиологически активные пептиды содержат от 3 до 100 аминокислотных остатков (ММ ниже 6000 Да). В отличие от белков полипептиды могут содержать непротеиногенные или модифицированные протеиногенные аминокислоты. Примеры:
брадикинин: арг-про-про-гли-фен-сер-про-фен-арг;
каллидин: Лиз-арг-про-про-гли-фен-сер-про-фен-арг.
Полиморфизм белков – это существование одного и того же белка в нескольких молекулярных формах, отличающихся по первичной структуре, физико-химическим свойствам и проявлениям биологической активности.
Причинами полиморфизма белков являются рекомбинации и мутации генов. Изобелки – это множественные молекулярные формы белка, обнаруживаемые в пределах организмов одного биологического вида как результат наличия более чем одного структурного гена в генофонде вида. Множественные гены могут быть представлены как множественные аллели или как множественные генные локусы.
Примеры полиморфизма белков.
в НbC замена глу6 в β-цепи на лиз;
в НbЕ замена глу26 в β-цепи на лиз;
в НbI замена лиз16 в β-цепи на асп;
в НbS замена глу6 в β-цепи на вал.
В последнем случае возникает такое заболевание, как серповидно-клеточная анемия. Аномальные гемоглобины отличаются от нормального величиной заряда и электрофоретичной подвижностью. Физико-химические изменения гемоглобинов сопровождаются нарушением транспорта кислорода.
Вторичная структура белка – регулярная организация полипептидной цепи, стабилизируемая водородными связями. Водородные связи образованы между NH- и СО-группами пептидных связей. Различают -спираль, -структуру и неупорядоченную конформацию (клубок).
-Спираль. Закручивание полипептидной цепи идет по часовой стрелке (правый ход спирали), что обусловлено строением L-аминокислот. На каждый виток (шаг) спирали приходится 3,6 аминокислотного остатка. Шаг спирали равен 0,54 нм, на один аминокислотный остаток приходится 0,15 нм. Угол подъема спирали составляет 260. через каждые 5 витков спирали (18 аминокислотных остатков) структура полипептидной цепи повторяется. Водородные связи параллельны оси спирали и возникают между каждым первым и каждым пятым аминокислотными остатками. Образованию -спирали препятствуют пролин и аминокислоты с объемными и заряженными радикалами.
Β-Структура. В фибриллярных белках две или более линейные полипептидные цепи прочно связываются водородными связями, перпендикулярными оси молекулы (складчатый -слой). Если межцепочными водородными связями соединены две полипептидные цепи, идущие в одном направлении от N- к С-концу, то это параллельная β-структура. Если N- и С-концы цепей расположены противоположно, то это антипараллельная -структура. Если одна полипептидная цепь изгибается и идет параллельно себе, то это антипараллельная β-кросс-структура. Места изгиба цепи определяются про, гли, асн--изгиб.
Неупорядоченная конформация. Участки белковой молекулы, которые не относятся к спиральным или складчатым структурам, называются неупорядоченными. При графическом изображении спиральные участки изображают цилиндром, а складчатые структуры – стрелкой. Выделяют понятие надвторичной структуры, представляющей собой закономерное чередование -спиральных участков и -структур.
Третичная структура – конформация полипептидной цепи в целом (т.е. расположение в трехмерном пространстве). Третичную структуру стабилизируют связи и взаимодействия между радикалами аминокислотных остатков полипептидной цепи: ковалентная – дисульфидная связь, а также водородная, ионная связи и гидрофобное взаимодействие. Виды белков, имеющих третичную структуру:
белки, в составе которых преобладают -спирализованные участки, имеют форму глобулы (глобулярные белки) и выполняют динамические функции;
белки, в составе которых преобладают структуры складчатого -слоя, имеют нитевидную (фиблиллярные белки) форму и выполняют структурные функции;
коллаген – самый распространенный белок в мире животных (до 25% от всех белков организма), имеет особую структуру. Молекула коллагена (тропоколлагена) построена из трех полипептидных цепей. Каждая полипептидная цепь содержит около 1000 аминокислотных остатков (35% - глицин, 21% - пролин и оксипролин, 11% - аланин). Каждая полипептидная цепь имеет конформацию плотной спирали (3 аминокислотных остатка на виток). В молекуле тропоколлагена все три спирали перевиты друг с другом, образую жгут. Между спиралями за счет пептидных групп образуются водородные связи. Такое строение обеспечивает прочность коллагеновых волокон.
Нативная структура белка.
Многие белки в третичной структуре имеют спирализованные, складчатые и неупорядоченные сегменты. При этом, в функциональном и структурном отношениях важно взаимное расположение аминокислотных радикалов. Употребляют следующие термины:
домены – анатомически выделяемые участки третичной структуры белка, отвечающие за выполнения определенной функции белка;
гидрофобные карманы – полости в третичной структуре, выстланные радикалами гидрофобных аминокислот; служат для погружения в молекулу белка гидрофобных лигандов;
гидрофобные кластеры – участки поверхности белка, где сконцентрированы радикалы гидрофобных аминокислот; служат для взаимодействия с гидрофобными кластерами других молекул.
Для выполнения функции белок должен иметь определенную и часто единственную третичную структуру (конформацию) – нативная структура.
Денатурация белков
– это разрушение третичной и частично вторичной структур путем разрыва дисульфидных и слабых нековалентных взаимодействий (водородных, ионных, гидрофобных), сопровождающиеся потерей функции белка. Иными словами, денатурация – это потеря нативной структуры.
При денатурации не разрываются пептидные связи, т.е. первичная структура сохраняется.
Денатурацию белков вызывают любые агенты, действующие на нековалентные взаимодействия. При этом белок выпадает в осадок, если теряются основные факторы устойчивости – заряд и гидратная оболочка. Если после удаления денатурирующего агента восстанавливается нативная структура белковой молекулы, то это явление называется ренатурацией (ренативацией). В пищеварительном тракте денатурация пищевых белков соляной кислоты приводит к доступности пептидных связей для ферментативного гидролиза первичной структуры (пепсин в желудке; трипсин, химотрипсин, карбоксипептидазы в двенадцатиперстной кишке; дипептидазы, трипептидазы и аминопептидазы в тонком кишечнике).
Четвертичная структура белков
– способ укладки в пространстве нескольких полипептидных цепей, обладающих первичной, вторичной и третичной структурами, с формированием единого макромолекулярного образования для выполнения определенной функции. Четвертичной структурой обладают белки с молекулярной массой более 50000 Да. Для обозначения используют следующие термины: протомер – отдельная полипептидная цепь в третичной структуре; субъединица – протомер или объединение нескольких протомеров, способных выполнять часть функции белка; олигомер (мультимер) – сочетание протомеров или субъединиц в четвертичной структуре белка, несущих полную функциональную активность белка. Протомеры связаны в мультимерном белке слабыми связями (водородные, электростатические, гидрофобные взаимодействия) и не связаны ковалентными (пептидная, дисульфидная). При разрушении слабых связей, стабилизирующих четвертичную структуру. Происходит разделение субъединиц и протомеров и потеря функции белка.
Если убрать денатурирующий агент, то возможно восстановление слабых связей, а следовательно, олигомерного белка и его функций.
Разработала преподаватель биохимии Новикова С.М.
2006-2007 уч.год
PAGE 2