Протеините и техните функции.Ще изучаваме основните вещества, които изграждат нашите организми. Един от най-важните са протеините.
катерици(протеини, полипептиди) - въглеродни вещества, състоящи се от верижно свързани аминокиселини. Те са съществена част от всички клетки.
Аминокиселини- въглеродни съединения, чиито молекули съдържат едновременно карбоксилна (-COOH) и аминна (NH2) групи.
Съединение, състоящо се от голям брой аминокиселини, се нарича - полипептид. Всеки протеин е различен химическа структурае полипептид. Някои протеини са изградени от няколко полипептидни вериги. Повечето протеини съдържат средно 300-500 аминокиселинни остатъка. Известни са няколко много къси естествени протеина, дълги 3-8 аминокиселини, и много дълги биополимера, дълги повече от 1500 аминокиселини.
Свойствата на протеините определят техния аминокиселинен състав в строго фиксирана последователност, а аминокиселинният състав от своя страна се определя генетичен код. При създаването на протеини се използват 20 стандартни аминокиселини.
Структурата на протеините.
Има няколко нива:
- Първична структура -се определя от реда на редуване на аминокиселините в полипептидната верига.
Двадесет различни аминокиселини могат да бъдат оприличени на 20 букви от химическата азбука, които съставляват „думи“ с дължина 300-500 букви. С помощта на 20 букви можете да напишете неограничен брой такива дълги думи. Ако смятаме, че замяната или пренареждането на поне една буква в думата й придава ново значение, тогава броят на комбинациите в дума с дължина 500 букви ще бъде 20500.
Известно е, че замяната на дори една аминокиселинна единица с друга в протеиновата молекула променя нейните свойства. Всяка клетка съдържа няколко хиляди различни видовепротеинови молекули, като всяка от тях се характеризира със строго определена последователност от аминокиселини. Именно редът на редуване на аминокиселините в дадена протеинова молекула определя нейните специални физикохимични и биологични свойства. Изследователите са в състояние да дешифрират последователността на аминокиселините в дългите протеинови молекули и да синтезират такива молекули.
- вторична структура- протеинови молекули под формата на спирала, с равни разстояния между завоите.
Между N-H групии C=O, разположени на съседни завои, възникват водородни връзки. Те се повтарят много пъти, закрепете редовните завои на спиралата.
- Третична структура- образуване на спирална намотка.
Тази плетеница се образува от редовното преплитане на участъци от протеиновата верига. Положително и отрицателно заредени групи от аминокиселини привличат и обединяват дори широко разположени части от протеиновата верига. Други части от протеиновата молекула, носещи например „водоотблъскващи“ (хидрофобни) радикали, също се приближават една към друга.
Всеки вид протеин се характеризира със собствена форма на топка с извивки и бримки. Третичната структура зависи от първичната структура, тоест от реда на аминокиселините във веригата.
- Кватернерна структура- сборен протеин, състоящ се от няколко вериги, които се различават по първична структура.
Комбинирайки се заедно, те създават сложен протеин, който има не само третична, но и четвъртична структура.денатурация на протеини.
Под въздействието на йонизиращо лъчение, висока температура, силно разбъркване, екстремни стойности на pH (концентрация на водородни йони), както и редица органични разтворители като алкохол или ацетон, протеините променят естественото си състояние. Нарушаването на естествената структура на протеина се нарича денатурация.По-голямата част от протеините губят своята биологична активност, въпреки че тяхната първична структура не се променя след денатурация. Факт е, че в процеса на денатурация се нарушават вторични, третични и кватернерни структури поради слаби взаимодействия между аминокиселинните остатъци и ковалентните пептидни връзки (със обединяването на електрони) не се разрушават. Необратима денатурация може да се наблюдава при нагряване на течен и прозрачен протеин от пилешко яйце: той става плътен и непрозрачен. Денатурацията може да бъде и обратима. След елиминиране на денатуриращия фактор много протеини са в състояние да се върнат в естествената си форма, т.е. renature.
Способността на протеините да променят обратимо пространствената структура в отговор на действието на физични или химични фактори е в основата на раздразнителността, най-важното свойство на всички живи същества.
Функции на протеина.
каталитичен.
Стотици биохимични реакции протичат непрекъснато във всяка жива клетка. В хода на тези реакции се извършва разделянето и окисляването на хранителните вещества, идващи отвън. Енергията на хранителните вещества, получени в резултат на окисляване, и продуктите от тяхното разграждане се използват от клетката за синтезиране на различните хранителни вещества, от които се нуждае. органични съединения. Бързото протичане на такива реакции се осигурява от биологични катализатори, или ускорители на реакциите - ензими. Известни са повече от хиляда различни ензими. Всички са бели.
Ензимни протеини – ускоряват реакциите в организма. Ензимите участват в разграждането на сложни молекули (катаболизъм) и техния синтез (анаболизъм), както и в създаването и възстановяването на синтеза на ДНК и РНК матрица.Структурни.
Структурните протеини на цитоскелета, като вид арматура, придават форма на клетките и много органели и участват в промяната на формата на клетките. Колагенът и еластинът са основните компоненти на междуклетъчното вещество на съединителната тъкан (например хрущял), а косата, ноктите, перата на птиците и някои черупки са изградени от друг структурен протеин, кератин.
Защитен.
- Физическа защита.(пример: колагенът е протеин, който формира основата на междуклетъчното вещество на съединителната тъкан)
- Химическа защита.Свързването на токсините с протеиновите молекули осигурява тяхната детоксикация. (пример: чернодробни ензими, които разграждат отровите или ги превръщат в разтворима форма, което допринася за бързото им отстраняване от тялото)
Регулаторна.
- Имунна защита.Когато бактериите или вирусите попаднат в кръвта на животните и хората, тялото реагира, като произвежда специални защитни протеини - антитела. Тези протеини се свързват с протеини на патогени, които са чужди за тялото, което потиска жизнената им активност. За всеки чужд протеин тялото произвежда специални „антипротеини“ – антитела.
Хормоните се пренасят в кръвта. Повечето животински хормони са протеини или пептиди. Свързването на хормона с рецептора е сигнал, който предизвиква реакция в клетката. Хормоните регулират концентрацията на вещества в кръвта и клетките, растежа, размножаването и други процеси. Пример за такива протеини е инсулинкойто регулира концентрацията на глюкоза в кръвта.
Клетките взаимодействат помежду си с помощта на сигнални протеини, предавани през междуклетъчното вещество. Такива протеини включват, например, цитокини и растежни фактори.
Цитокини- малки пептидни информационни молекули. Те регулират взаимодействията между клетките, определят тяхното оцеляване, стимулират или потискат растежа, диференциацията, функционалната активност и програмираната клетъчна смърт, осигуряват координацията на действията на имунната, ендокринната и нервната системи.
Транспорт.
Само протеините транспортират вещества в кръвта, напр. липопротеини(трансфер на мазнини) хемоглобин(пренос на кислород), трансферин(транспорт на желязо) или през мембрани - Na +, K + -АТФаза(противоположен трансмембранен транспорт на натриеви и калиеви йони), Са2+-АТФаза(изпомпване на калциеви йони от клетката).
Рецептор.
Протеиновите рецептори могат да бъдат разположени в цитоплазмата или интегрирани в клетъчната мембрана. Една част от рецепторната молекула възприема сигнала, което е най-често Химическо вещество, а в някои случаи - светлина, механично действие (например разтягане) и други дразнители.
Строителство.
Животните в процеса на еволюция са загубили способността си да синтезират десет особено сложни аминокиселини, наречени есенциални. Получават ги готови с растителна и животинска храна. Такива аминокиселини се намират в белтъчините на млечните продукти (мляко, сирене, извара), в яйцата, рибата, месото, както и в соята, боба и някои други растения. В храносмилателния тракт протеините се разграждат до аминокиселини, които се абсорбират в кръвта и влизат в клетките. В клетките от готови аминокиселини се изграждат собствени протеини, които са характерни за даден организъм. Протеините са основен компонент на всички клетъчни структури и това е тяхната важна градивна роля.
Енергия.
Протеините могат да служат като източник на енергия за клетката. При липса на въглехидрати или мазнини, молекулите на аминокиселините се окисляват. Освободената при този процес енергия се използва за подпомагане на жизнените процеси на тялото. При продължително гладуване се използват протеини на мускулите, лимфоидните органи, епителните тъкани и черния дроб.
Мотор (мотор).
Цял клас моторни протеини осигуряват движенията на тялото, например мускулно свиване, включително движението на миозиновите мостове в мускула, движението на клетките в тялото (например амебоидното движение на левкоцитите).
Всъщност е много Кратко описаниефункции на протеините, което само може да покаже ясно техните функции и значение в организма.
Малко видео за разбиране на протеините:
Протеинът е последователност от аминокиселини, обвързан приятелс други пептидни връзки.
Лесно е да си представим, че броят на аминокиселините може да бъде различен: от поне две до всякакви разумни стойности. Биохимиците се съгласиха да считат, че ако броят на аминокиселините не надвишава 10, тогава такова съединение се нарича пептид; ако от 10 или повече аминокиселини - полипептид. Полипептидите, които могат спонтанно да образуват и поддържат определена пространствена структура, която се нарича конформация, се наричат протеини. Стабилизирането на такава структура е възможно само когато полипептидите достигнат определена дължина (повече от 40 аминокиселини); следователно, полипептиди с молекулно тегло над 5000 Da обикновено се считат за протеини. (1Da е равно на 1/12 от въглероден изотоп). Само с определена пространствена структура (нативна структура) протеинът може да изпълнява своите функции.
Размерът на протеина може да бъде измерен в далтони (молекулно тегло), по-често поради относително големия размер на молекулата в производни единици - килодалтони (kDa). Протеините от дрожди, средно, се състоят от 466 аминокиселини и имат молекулно тегло от 53 kDa. Най-големият известен в момента протеин, титин, е компонент на мускулните саркомери; Молекулното тегло на различните му изоформи варира от 3000 до 3700 kDa, състои се от 38 138 аминокиселини (в човешкия солиус мускул).
протеинова структура
Триизмерната структура на протеин се образува в процеса на сгъване (от англ. сгъване-"сгъване"). Триизмерна структура се образува в резултат на взаимодействието на структури от по-ниски нива.
Има четири нива на протеинова структура:
Първична структура- последователността на аминокиселините в полипептидната верига.
вторична структура- това е разположението в пространството на отделни участъци от полипептидната верига.
Следните са най-често срещаните видове протеинова вторична структура:
α-спирали- тесни завои около дългата ос на молекулата, един завой е 3,6 аминокиселинни остатъка, а стъпката на спиралата е 0,54 nm (0,15 nm на аминокиселинен остатък), спиралата е стабилизирана от водородни връзки между H и O пептидни групи на разстояние един от друг на 4 аминокиселинни остатъка. Спиралата е изградена изключително от един тип стереоизомери на аминокиселини (L). Въпреки че може да бъде лява или дясна ръка, дясната преобладава в протеините. Спиралата се прекъсва от електростатични взаимодействия на глутаминова киселина, лизин, аргинин. Остатъците от аспарагин, серин, треонин и левцин, разположени близо един до друг, могат пространствено да пречат на образуването на спирала, пролиновите остатъци причиняват огъване на веригата и също така нарушават структурата на α-спирала.
β-нагънати слоеве- няколко зигзагообразни полипептидни вериги, в които се образуват водородни връзки между аминокиселини или различни протеинови вериги, относително отдалечени една от друга (0,347 nm на аминокиселинен остатък) в първичната структура, а не близко разположени, както е в случая в α-спирала . Тези вериги обикновено са насочени с техните N-терминали в противоположни посоки (антипаралелна ориентация). За образуването на β-сгънати слоеве са важни малките размери на страничните групи аминокиселини; обикновено преобладават глицинът и аланинът.
Сгъване на протеини под формата на β-сгънат слой
Неподредените структури са неуреденото подреждане на протеинова верига в пространството.
Пространствената структура на всеки протеин е индивидуална и се определя от неговата първична структура. Въпреки това, сравнението на конформациите на протеини с различни структури и функции разкрива наличието на подобни комбинации от вторични структурни елементи в тях. Такъв специфичен ред на образуване на вторични структури се нарича супервторична структура на протеините. Свръхвторичната структура се образува поради междурадикални взаимодействия.
Някои характерни комбинации от α-спирали и β-структури често се наричат „структурни мотиви“. Те имат специфични имена: "α-спирала-завой-α-спирала", "α/β-барел структура", "левцинов цип", "цинков пръст" и т.н.
Третична структура- това е начин за поставяне на цялата полипептидна верига в пространството. Заедно с α-спирали, β-сгънати слоеве и супервторични структури, третичната структура показва неуредена конформация, която може да заема значителна част от молекулата.
Схематично представяне на протеиновото сгъване в третична структура.
Кватернерна структурасе среща в протеини, които се състоят от няколко полипептидни вериги (субединици, протомери или мономери), когато третичните структури на тези субединици се комбинират. Например, молекулата на хемоглобина се състои от 4 субединици. Супрамолекулните образувания имат кватернерна структура - мултиензимни комплекси, които се състоят от няколко молекули ензими и коензими (пируватдехидрогеназа), и изоензими (лактат дехидрогеназа - LDH, креатин фосфокиназа - CPK).
Така. Пространствената структура не зависи от дължината на полипептидната верига, а от последователността на аминокиселинните остатъци, специфични за всеки протеин, както и от страничните радикали, характерни за съответните аминокиселини. Пространствената триизмерна структура или конформация на протеиновите макромолекули се формира предимно от водородни връзки, хидрофобни взаимодействия между неполярни странични радикали на аминокиселини и йонни взаимодействия между противоположно заредени странични групи от аминокиселинни остатъци. Водородните връзки играят огромна роля в образуването и поддържането на пространствената структура на протеиновата макромолекула.
Що се отнася до хидрофобните взаимодействия, те възникват в резултат на контакт между неполярни радикали, които не са в състояние да прекъснат водородните връзки между водните молекули, която се измества към повърхността на протеиновата глобула. Тъй като протеинът се синтезира, неполярните химични групи се събират вътре в глобулата, а полярните се изтласкват на повърхността му. По този начин една протеинова молекула може да бъде неутрална, положително заредена или отрицателно заредена, в зависимост от рН на разтворителя и йонните групи в протеина. В допълнение, протеиновата конформация се поддържа от S-S ковалентни връзки, образувани между два цистеинови остатъка. В резултат на образуването на естествена протеинова структура много атоми, разположени на отдалечени места на полипептидната верига, се приближават един към друг и, действайки един върху друг, придобиват нови свойства, които липсват в отделните аминокиселини или малки полипептиди.
Важно е да се разбере, че сгъването - сгъването на протеини (и други биомакромолекули) от разгъната конформация в "нативна" форма - е физикохимичен процес, в резултат на който протеините в естественото им "обитание" (разтвор, цитоплазма или мембрана) придобиват характерни само за тях характеристики.пространствено разположение и функция.
Клетките съдържат редица каталитично неактивни протеини, които въпреки това имат голям принос за образуването на пространствени протеинови структури. Това са така наречените шаперони. Шапероните подпомагат правилното сглобяване на триизмерната протеинова конформация чрез образуване на обратими, нековалентни комплекси с частично нагъната полипептидна верига, като същевременно инхибират неправилно формирани връзки, водещи до образуването на функционално неактивни протеинови структури. Списъкът с функции, присъщи на шапероните, включва защитата на стопени (частично нагънати) глобули от агрегация, както и прехвърлянето на новосинтезирани протеини към различни клетъчни локуси.
Шапероните са предимно протеини от топлинен шок, чийто синтез се увеличава рязко при стресово температурно излагане, така че се наричат още hsp (протеини на топлинен шок). Семейства от тези протеини се намират в микробни, растителни и животински клетки. Класификацията на шапероните се основава на тяхното молекулно тегло, което варира от 10 до 90 kDa. Те са помощни протеини в процесите на формиране на триизмерната структура на протеините. Шапероните поддържат новосинтезираната полипептидна верига в разгънато състояние, предотвратявайки сгъването й във форма, различна от нативната, и осигуряват условия за единствената правилна, естествена протеинова структура.
В процеса на нагъване на протеини някои конформации на молекулата се отхвърлят на етапа на стопената глобула. Разграждането на такива молекули се инициира от протеина убиквитин.
Разграждането на протеина по пътя на убиквитин включва две основни стъпки:
1) ковалентно прикрепване на убиквитин към протеина, който се разгражда през остатъка лизин, наличието на такъв етикет в протеина е основният сигнал за сортиране, който насочва получените конюгати към протеазомите; в повечето случаи към протеина са прикрепени няколко убиквитинови молекули, които са организирани под формата на мъниста на низ .;
2) хидролиза на протеин от протеазомата (основната функция на протеазомата е протеолитичното разграждане на ненужни и увредени протеини до къси пептиди). Убиквитинът заслужено се нарича „белег на смъртта“ за протеин.
Домейн? n протеин? - елемент от третичната структура на протеина, който е доста стабилна и независима субструктура на протеина, чието нагъване става независимо от останалите части. Домейнът обикновено включва няколко елемента от вторичната структура. Домени, сходни по структура, се намират не само в свързаните протеини (например в хемоглобините на различни животни), но и в напълно различни протеини. Един протеин може да има няколко домейна, тези региони могат да изпълняват различни функции в един и същ протеин. Някои ензими и всички имуноглобулини имат доменна структура. Протеините с дълги полипептидни вериги (повече от 200 аминокиселинни остатъка) често създават доменни структури.
Първичната структура на протеините е линейна полипептидна верига от аминокиселини, свързани с пептидни връзки. Първичната структура е най-простото ниво на структурна организация на протеиновата молекула. Висока стабилност му се придава чрез ковалентни пептидни връзки между α-амино групата на една аминокиселина и α-карбоксиловата група на друга аминокиселина.
Ако в образованието пептидна връзкаучаства имино групата на пролин или хидроксипролин, тогава тя има различна форма
Когато в клетките се образуват пептидни връзки, първо се активира карбоксилната група на една аминокиселина и след това тя се комбинира с аминогрупата на друга. Приблизително по същия начин се извършва лабораторен синтез на полипептиди.
Пептидната връзка е повтарящ се фрагмент от полипептидна верига. Той има редица характеристики, които засягат не само формата на първичната структура, но и най-високите нива на организация на полипептидната верига:
копланарност - всички атоми в пептидната група са в една и съща равнина;
способността да съществува в две резонансни форми (кето или енолна форма);
транс позицията на заместителите по отношение на C-N връзката;
· способността за образуване на водородни връзки, като всяка от пептидните групи може да образува две водородни връзки с други групи, включително пептидни.
Изключение правят пептидните групи с участието на аминогрупата на пролин или хидроксипролин. Те са в състояние да образуват само една водородна връзка (виж по-горе). Това влияе върху образуването на вторичната структура на протеина. Полипептидната верига на мястото, където се намира пролин или хидроксипролин, се огъва лесно, тъй като не се държи, както обикновено, от втора водородна връзка.
схема за образуване на трипептид:
Нива на пространствена организация на протеините: вторичната структура на протеините: концепцията за α-спирала и β-сгънат слой. Третична структура на протеините: концепцията за естествен протеин и протеинова денатурация. Кватернерна структура на протеините на примера на структурата на хемоглобина.
Вторична структура на протеин.Вторичната структура на протеин се разбира като начин за полагане на полипептидна верига в подредена структура. По конфигурация се разграничават следните елементи на вторичната структура: α -спирала и β - сгънат слой.
Модел на сграда α-спирали, като се вземат предвид всички свойства на пептидната връзка, е разработен от L. Pauling и R. Corey (1949 - 1951).
Фигура 3, апоказана диаграма α -спирала, даваща представа за основните й параметри. Полипептидната верига се сгъва в α -спирала по такъв начин, че завоите на спиралата да са правилни, така че спиралната конфигурация има спирална симетрия (фиг. 3, б). За всеки завой α -спирала представлява 3,6 аминокиселинни остатъци. Разстоянието между завоите или стъпката на спиралата е 0,54 nm, ъгълът на спиралата е 26°. Формиране и поддържане α -спирална конфигурация възниква поради водородни връзки, образувани между пептидните групи на всяка н-то и ( П+ 3)-ти аминокиселинни остатъци. Въпреки че енергията на водородните връзки е малка, голям бройте води до значителен енергиен ефект, което води до α -спиралната конфигурация е доста стабилна. Страничните радикали на аминокиселинните остатъци не участват в поддържането α -спирална конфигурация, така че всички аминокиселинни остатъци в α - спиралите са еквивалентни.
В естествените протеини има само десни α - спирали.
β-нагънат слой- вторият елемент от вторичната структура. За разлика от α - спирали β -сгънатият слой има по-скоро линейна, отколкото пръчковидна форма (фиг. 4). Линейната структура се поддържа поради появата на водородни връзки между пептидни групи, разположени в различни части на полипептидната верига. Тези места са близки до разстоянието на водородната връзка между - C = O и HN - групите (0,272 nm).
Ориз. 4. Схематично представяне β
- сгънат слой (стрелките показват
относно посоката на полипептидната верига)
Ориз. 3. Схема ( а) и модел ( б) α - спирали
Вторичната структура на протеина се определя от първичната. Аминокиселинните остатъци са способни да образуват водородни връзки в различна степен и това се отразява на образуването α -спирали или β -слой. Спиралните аминокиселини включват аланин, глутаминова киселина, глутамин, левцин, лизин, метионин и хистидин. Ако протеинов фрагмент се състои главно от аминокиселинните остатъци, изброени по-горе, тогава a α -спирала. Валин, изолевцин, треонин, тирозин и фенилаланин допринасят за образуването β слоеве на полипептидната верига. Нарушените структури възникват в областите на полипептидната верига, където са концентрирани аминокиселинни остатъци като глицин, серин, аспарагинова киселина, аспарагин и пролин.
Много протеини също съдържат α - спирали и β -слоеве. Пропорцията на спиралната конфигурация е различна за различните протеини. И така, мускулният протеин парамиозин е почти 100% спирализиран; делът на спиралната конфигурация в миоглобина и хемоглобина е висок (75%). Напротив, в трипсина и рибонуклеазата значителна част от полипептидната верига се вписва в слоеста β -структури. Поддържат тъканните протеини - кератин (протеин на косата), колаген (протеин на кожата и сухожилията) - имат β -конфигурация на полипептидни вериги.
Третична структура на протеина.Третичната структура на протеина е начинът, по който полипептидната верига е разположена в пространството. За да може един протеин да придобие присъщите си функционални свойства, полипептидната верига трябва да се сгъва в пространството по определен начин, образувайки функционално активна структура. Такава структура се нарича местен. Въпреки огромния брой пространствени структури, теоретично възможни за една полипептидна верига, сгъването на протеини води до образуването на единна нативна конфигурация.
Стабилизират третичната структура на протеиновите взаимодействия, които възникват между страничните радикали на аминокиселинните остатъци от различни части на полипептидната верига. Тези взаимодействия могат да бъдат разделени на силни и слаби.
Силните взаимодействия включват ковалентни връзки между серните атоми на цистеинови остатъци, разположени в различни части на полипептидната верига. В противен случай такива връзки се наричат дисулфидни мостове; образуването на дисулфиден мост може да се изобрази по следния начин:
С изключение ковалентни връзкиТретичната структура на протеиновата молекула се поддържа от слаби взаимодействия, които от своя страна се делят на полярни и неполярни.
Полярните взаимодействия включват йонни и водородни връзки. Йонните взаимодействия се образуват при контакт на положително заредените групи от странични радикали на лизин, аргинин, хистидин и отрицателно заредената COOH група на аспарагиновата и глутаминова киселини. Водородните връзки възникват между функционалните групи на страничните радикали на аминокиселинните остатъци.
Неполярните или ван дер Ваалсови взаимодействия между въглеводородните радикали на аминокиселинните остатъци допринасят за образуването хидрофобна сърцевина (капка мазнини) вътре в протеиновата глобула, т.к въглеводородните радикали са склонни да избягват контакт с вода. Колкото повече неполярни аминокиселини в един протеин, толкова повече голяма роляван дер Ваалсовите връзки играят роля във формирането на неговата третична структура.
Многобройните връзки между страничните радикали на аминокиселинните остатъци определят пространствената конфигурация на протеиновата молекула (фиг. 5).
Ориз. 5. Видове връзки, които поддържат третичната структура на протеина:
а- дисулфиден мост; б -йонна връзка; c, g -водородни връзки;
д -връзки на ван дер Ваалс
Третичната структура на един протеин е уникална, както и неговата първична структура. Само правилното пространствено сгъване на протеина го прави активен. Различни нарушения на третичната структура водят до промяна в свойствата на протеина и загуба на биологична активност.
Кватернерна протеинова структура.Протеините с молекулно тегло над 100 kDa 1 обикновено се състоят от няколко полипептидни вериги с относително малко молекулно тегло. Структура, състояща се от определен брой полипептидни вериги, заемащи строго фиксирана позиция една спрямо друга, в резултат на което протеинът има една или друга активност, се нарича кватернерна структура на протеина. Белтък с кватернерна структура се нарича епимолекулаили мултимер , и съставляващите го полипептидни вериги - респ субединици или протомери . Характерно свойство на протеините с кватернерна структура е, че една субединица няма биологична активност.
Стабилизирането на кватернерната структура на протеина се дължи на полярните взаимодействия между страничните радикали на аминокиселинните остатъци, локализирани на повърхността на субединиците. Такива взаимодействия здраво държат субединиците под формата на организиран комплекс. Местата на субединиците, където възникват взаимодействия, се наричат контактни подложки.
Класически пример за протеин с кватернерна структура е хемоглобинът. Молекулата на хемоглобина с молекулно тегло 68 000 Da се състои от четири субединици от два различни типа - α и β / α -Подединицата се състои от 141 аминокиселинни остатъка, а β - от 146. Третична структура α - и β -субединиците са сходни, както и тяхното молекулно тегло (17 000 Da). Всяка субединица съдържа протетична група - скъпоценен камък . Тъй като хемът присъства и в други протеини (цитохроми, миоглобин), които ще бъдат изследвани допълнително, нека поне накратко обсъдим структурата на темата (фиг. 6). Хемовата група е сложна копланарна циклична система, състояща се от централен атом, който образува координационни връзки с четири пиролни остатъка, свързани с метанови мостове (=CH-). В хемоглобина желязото обикновено е в окислено състояние (2+).
Четири субединици - две α и две β - са комбинирани в единна структура по такъв начин, че α - подединиците са в контакт само с β -субединици и обратно (фиг. 7).
Ориз. 6. Структура на хема на хемоглобина
Ориз. 7. Схематично представяне на кватернерната структура на хемоглобина:
Fe - хем на хемоглобина
Както може да се види от фигура 7, една молекула на хемоглобина е способна да пренася 4 кислородни молекули. Както свързването, така и освобождаването на кислород са придружени от конформационни промени в структурата α - и β -субединици на хемоглобина и тяхното взаимно подреждане в епимолекулата. Този факт показва, че кватернерната структура на протеина не е абсолютно твърда.
Подобна информация.
Доказано е съществуването на 4 нива на структурна организация на протеиновата молекула.
Първична структура на протеин- последователността на аминокиселинните остатъци в полипептидната верига. В протеините отделните аминокиселини са свързани една с друга. пептидни връзкипроизтичащи от взаимодействието на а-карбоксилни и а-амино групи на аминокиселини.
Към днешна дата е дешифрирана първичната структура на десетки хиляди различни протеини. За да се определи първичната структура на протеин, методите на хидролиза определят аминокиселинния състав. След това определете химическа природатерминални аминокиселини. Следващата стъпка е да се определи последователността на аминокиселините в полипептидната верига. За това се използва селективна частична (химична и ензимна) хидролиза. Възможно е да се използва рентгенов дифракционен анализ, както и данни за комплементарната нуклеотидна последователност на ДНК.
Вторична структура на протеин– конфигурация на полипептидната верига, т.е. метод за пакетиране на полипептидна верига в специфична конформация. Този процес не протича хаотично, а в съответствие с програмата, заложена в първичната структура.
Стабилността на вторичната структура се осигурява главно от водородни връзки, но ковалентните връзки - пептидни и дисулфидни връзки - имат определен принос.
Разглежда се най-вероятният тип структура на глобуларните протеини а-спирала. Усукването на полипептидната верига става по посока на часовниковата стрелка. Всеки протеин се характеризира с определена степен на спирализация. Ако хемоглобиновите вериги са 75% спираловидни, тогава пепсинът е само 30%.
Типът конфигурация на полипептидните вериги, намиращи се в протеините на косата, коприната и мускулите, се нарича b-структури. Сегментите на пептидната верига са подредени в един слой, образувайки фигура, подобна на лист, сгънат в акордеон. Слоят може да бъде оформен от две или голямо количествопептидни вериги.
В природата има протеини, чиято структура не съответства нито на β-, нито на a-структура, например, колагенът е фибриларен протеин, който съставлява по-голямата част от съединителната тъкан при хора и животни.
Третична структура на протеина- пространствена ориентация на полипептидната спирала или метода за полагане на полипептидната верига в определен обем. Първият протеин, чиято третична структура е изяснена чрез рентгенов дифракционен анализ, е миоглобинът на кашалота (фиг. 2).
При стабилизирането на пространствената структура на протеините, освен ковалентните връзки, основна роля играят нековалентните връзки (водород, електростатични взаимодействия на заредени групи, междумолекулни сили на Ван дер Ваалс, хидрофобни взаимодействия и др.).
Според съвременните схващания третичната структура на протеина след завършване на неговия синтез се формира спонтанно. Основен движеща силае взаимодействието на аминокиселинните радикали с водните молекули. В този случай неполярните хидрофобни радикали на аминокиселините са потопени вътре в протеиновата молекула, а полярните радикали са ориентирани към водата. Процесът на образуване на нативната пространствена структура на полипептидната верига се нарича сгъване. Клетките имат изолирани протеини, наречени придружители.Те участват в сгъването. Описа серия наследствени заболяваниячовек, чието развитие е свързано с нарушение поради мутации в процеса на сгъване (пигментоза, фиброза и др.).
Наличието на нива на структурна организация на белтъчната молекула, междинни между вторични и третични структури, е доказано с методите на рентгеновия дифракционен анализ. домейне компактна глобуларна структурна единица в полипептидната верига (фиг. 3). Открити са много протеини (например имуноглобулини), които се състоят от домейни, които са различни по структура и функция и са кодирани от различни гени.
Всички биологични свойства на протеините са свързани със запазването на тяхната третична структура, която се нарича местен. Белтъчната глобула не е абсолютно твърда структура: възможни са обратими движения на части от пептидната верига. Тези промени не нарушават цялостната конформация на молекулата. Конформацията на протеиновата молекула се влияе от рН на средата, йонната сила на разтвора и взаимодействието с други вещества. Всяко въздействие, което води до нарушаване на естествената конформация на молекулата, е придружено от частична или пълна загуба на протеина на неговите биологични свойства.
Кватернерна протеинова структура- метод за полагане в пространството на отделни полипептидни вериги със същата или различна първична, вторична или третична структура и образуване на единна макромолекулна формация в структурно и функционално отношение.
Нарича се протеинова молекула, състояща се от няколко полипептидни вериги олигомер, и всяка верига, включена в него - протомер. Олигомерните протеини по-често се изграждат от четен брой протомери, например молекула на хемоглобина се състои от две a- и две b-полипептидни вериги (фиг. 4).
Кватернерната структура има около 5% протеини, включително хемоглобин, имуноглобулини. Структурата на субединицата е характерна за много ензими.
Протеиновите молекули, които изграждат протеин с кватернерна структура, се образуват отделно върху рибозомите и едва след края на синтеза образуват обща супрамолекулна структура. Протеинът придобива биологична активност само когато съставните му протомери се комбинират. В стабилизирането на кватернерната структура участват същите видове взаимодействия, както и при стабилизирането на третичната.
Някои изследователи признават съществуването на пето ниво на структурна организация на протеините. Това е метаболони -полифункционални макромолекулни комплекси от различни ензими, които катализират целия път на трансформации на субстрата (синтетази на висши мастни киселини, пируватдехидрогеназен комплекс, дихателна верига).
Химическата структура на протеините е представена от алфа-аминокиселини, свързани във верига чрез пептидна връзка. В живите организми съставът определя генетичния код. В процеса на синтез в повечето случаи се използват 20 аминокиселини от стандартния тип. Много от техните комбинации образуват протеинови молекули с голямо разнообразие от свойства. Аминокиселинните остатъци често претърпяват пост-транслационни модификации. Те могат да се появят преди протеинът да започне да изпълнява функциите си и в процеса на неговата дейност в клетката. В живите организми няколко молекули често образуват сложни комплекси. Пример за това е фотосинтетичната асоциация.
Предназначение на връзките
Протеините се считат за важен компонент в храненето на хората и животните поради факта, че всички необходими аминокиселини не могат да се синтезират в тялото им. Някои от тях трябва да идват с протеинови храни. Основните източници на съединения са месо, ядки, мляко, риба, зърнени храни. В по-малка степен протеините присъстват в зеленчуците, гъбите и горските плодове. Когато се усвояват от ензими, консумираните протеини се разграждат до аминокиселини. Те вече се използват в биосинтеза на собствени протеини в организма или се разлагат допълнително – за енергия.
Справка по история
Структурната последователност на инсулиновия протеин е определена за първи път от Frederick Senger. За работата си е получил Нобелова наградапрез 1958г. Сангер използва метода на секвениране. С помощта на рентгенова дифракция впоследствие (в края на 50-те години) са получени триизмерните структури на миоглобина и хемоглобина. Работата е извършена от Джон Кендрю и Макс Перуц.
Структура на протеинова молекула
Той включва линейни полимери. Те от своя страна се състоят от алфа-аминокиселинни остатъци, които са мономери. В допълнение, структурата на протеина може да включва компоненти, имащи неаминокиселинна природа и аминокиселинни остатъци от модифициран тип. При обозначаване на компоненти се използват 1- или 3-буквени съкращения. Съединение, съдържащо от две до няколко десетки остатъци, често се нарича "полипептид". В резултат на взаимодействието на алфа-карбоксилната група на една аминокиселина с алфа-амино групата на друга се появяват връзки (по време на образуването на протеиновата структура). В съединението C- и N-края са изолирани в зависимост от това коя група от аминокиселинния остатък е свободна: -COOH или -NH2. В процеса на синтеза на протеин върху рибозомата, като правило, метиониновият остатък действа като първи терминал; закрепването на следващите се извършва към C-края на предишните.
Организационни нива
Те бяха предложени от Линдрем-Ланг. Въпреки факта, че това разделение се счита за малко остаряло, то все още се използва. Беше предложено да се разпределят четири нива на организация на връзките. Първичната структура на протеиновата молекула се определя от генетичния код и характеристиките на гена. По-високи нива са склонни да се образуват по време на нагъването на протеина. Пространствената структура на протеин обикновено се определя от аминокиселинната верига. Въпреки това, той е доста гъвкав. Тя може да бъде повлияна от външни фактори. В тази връзка е по-правилно да се говори за конформацията на съединението, която е най-благоприятната и енергийно предпочитана.
1 ниво
Той е представен от последователността на аминокиселинните остатъци на полипептидната верига. Като правило се описва с едно или три буквени обозначения. Първичната структура на протеините се характеризира със стабилни комбинации от аминокиселинни остатъци. Те изпълняват определени задачи. Такива "консервативни мотиви" остават запазени в хода на еволюцията на видовете. Те често могат да се използват за прогнозиране на проблема с неизвестен протеин. Чрез оценка на степента на сходство (хомология) в аминокиселинните вериги от различни организми може да се определи еволюционното разстояние, образувано между таксоните, които съставляват тези организми. Първичната структура на протеините се определя чрез метода на секвениране или от първоначалния комплекс на неговата иРНК с помощта на таблицата с генетични кодове.
Локално поръчване на верижна секция
Това е следващото ниво на организация – вторичната структура на протеините. Има няколко вида от него. Локалното подреждане на полипептидната верига се стабилизира чрез водородни връзки. Най-популярните видове са:
Пространствена структура
Третичната структура на протеините включва елементи от предишното ниво. Те се стабилизират от различни видове взаимодействия. В този случай хидрофобните връзки са от първостепенно значение. Стабилизацията включва:
- ковалентни взаимодействия.
- Йонни връзки, които се образуват между странични аминокиселинни групи, които имат противоположни заряди.
- Водородни взаимодействия.
- хидрофобни връзки. В процеса на взаимодействие със заобикалящите H2O елементи, протеинът се нагъва така, че страничните неполярни аминокиселинни групи се изолират от водния разтвор. На повърхността на молекулата се появяват хидрофилни групи (полярни).
Третичната структура на протеините се определя чрез магнитен (ядрен) резонанс, някои видове микроскопия и други методи.
Принцип на полагане
Проучванията показват, че между 2 и 3 нива е удобно да се отдели още едно. Нарича се "архитектура", "мотив за полагане". Определя се от взаимното подреждане на компонентите на вторичната структура (бета вериги и алфа спирали) в границите на компактна глобула - протеинов домен. Той може да съществува самостоятелно или да бъде включен в по-голям протеин заедно с други подобни. Установено е, че стилистичните мотиви са по-скоро консервативни. Те се срещат в протеини, които нямат нито еволюционни, нито функционални връзки. Дефиницията на архитектурата е в основата на рационалната (физическа) класификация.
Организация на домейна
В относителна позицияняколко вериги от полипептиди като част от един протеинов комплекс се образува кватернерна структура от протеини. Елементите, които съставляват неговия състав, се образуват отделно върху рибозомите. Едва след като синтезът приключи, тази протеинова структура започва да се формира. Може да съдържа както различни, така и идентични полипептидни вериги. Кватернерната структура на протеините се стабилизира от същите взаимодействия, както на предишното ниво. Някои комплекси могат да включват няколко десетки протеини.
Структура на протеина: защитни задачи
Полипептидите на цитоскелета, действайки по някакъв начин като подсилване, придават форма на много органели и участват в неговата промяна. Структурните протеини осигуряват защита на тялото. Пример за такъв протеин е колагенът. Той формира основата в междуклетъчното вещество на съединителната тъкан. Кератинът има и защитна функция. Той формира основата на рога, пера, коса и други производни на епидермиса. Когато токсините се свързват с протеини, в много случаи настъпва детоксикация на последните. Така се изпълнява задачата за химическа защита на тялото. Чернодробните ензими играят особено важна роля в процеса на неутрализиране на токсините в човешкото тяло. Те са в състояние да разграждат отровите или да ги превръщат в разтворима форма. Това допринася за по-бързото им транспортиране от тялото. Протеините, присъстващи в кръвта и други телесни течности, осигуряват имунна защита, като предизвикват отговор както на атака от патогени, така и на нараняване. Имуноглобулините (антитела и компоненти на системата на комплемента) са в състояние да неутрализират бактерии, чужди протеини и вируси.
Механизъм за регулиране
Протеиновите молекули, които не действат нито като източник на енергия, нито като строителен материал, контролират много вътреклетъчни процеси. Така че благодарение на тях се осъществява регулирането на транслацията, транскрипцията, нарязването, активността на други полипептиди. Механизмът на регулиране се основава на ензимна активност или се проявява чрез специфично свързване с други молекули. Например, транскрипционните фактори, активаторните полипептиди и репресорните протеини могат да контролират скоростта на генната транскрипция. В същото време те взаимодействат с регулаторните последователности на гените. Критична роляпри контрола на протичането на вътреклетъчните процеси се приписва на протеин фосфатази и протеин кинази. Тези ензими стартират или потискат активността на други протеини чрез добавяне или премахване на фосфатни групи от тях.
Сигнална задача
Често се комбинира с регулаторна функция. Това е така, защото много вътреклетъчни, както и извънклетъчни полипептиди могат да предават сигнали. Растежните фактори, цитокини, хормони и други съединения имат тази способност. Стероидите се транспортират през кръвта. Взаимодействието на хормона с рецептора действа като сигнал, поради което се задейства реакцията на клетката. Стероидите контролират съдържанието на съединения в кръвта и клетките, репродукцията, растежа и други процеси. Пример за това е инсулинът. Регулира нивата на глюкозата. Взаимодействието на клетките се осъществява посредством сигнални протеинови съединения, предавани през междуклетъчното вещество.
Транспорт на елементи
Разтворимите протеини, участващи в движението на малки молекули, имат висок афинитет към субстрата, присъстващ във висока концентрация. Те също така имат способността лесно да го пускат в зони с ниско съдържание. Пример за това е транспортният протеин хемоглобин. Той пренася кислорода от белите дробове към други тъкани и от тях пренася въглероден диоксид. Някои мембранни протеини също участват в транспортирането на малки молекули през клетъчните стени, като ги променят. Липидният слой на цитоплазмата е водоустойчив. Това предотвратява дифузията на заредени или полярни молекули. Мембранните транспортни връзки обикновено се разделят на носители и канали.
Резервни връзки
Тези протеини образуват така наречените резерви. Те се натрупват, например, в растителни семена, животински яйца. Такива протеини действат като резервен източник на материя и енергия. Някои съединения се използват от тялото като резервоар на аминокиселини. Те от своя страна са предшественици на активните вещества, участващи в регулирането на метаболизма.
Клетъчни рецептори
Такива протеини могат да бъдат разположени както директно в цитоплазмата, така и вградени в стената. Една част от връзката получава сигнал. По правило това е химическо вещество, а в някои случаи - механичен ефект (разтягане, например), светлина и други стимули. В процеса на излагане на сигнала на определен фрагмент от молекулата - рецепторния полипептид - започват нейните конформационни промени. Те провокират промяна в конформацията на останалата част от клетката, която осъществява предаването на стимула към други компоненти на клетката. Изпращането на сигнал може да се извърши по различни начини. Някои рецептори са в състояние да катализират химическа реакция, последните действат като йонни канали, които се затварят или отварят под въздействието на стимул. Някои съединения специфично свързват междинни молекули в клетката.
Моторни полипептиди
Има цял клас протеини, които осигуряват движението на тялото. Моторните протеини участват в мускулната контракция, движението на клетките, активността на жгутиците и ресничките. Благодарение на тях се извършва и насочен и активен транспорт. Кинезините и динеините осъществяват преноса на молекули по микротубулите, използвайки хидролиза на АТФ като източник на енергия. Последните придвижват органели и други елементи към центрозомата от периферните клетъчни региони. Кинезините се придвижват обратна посока. Динеините са отговорни и за активността на флагелите и ресничките.
