Аминокислоты. Пептиды. Белки.
Белки – природные высокомолекулярные полимеры, состоящие из остатков α -аминокарбоновых кислот, связанных амидной (пептидной) связью. Характерны неразветвленные пептидные связи Высокая молекулярная масса (кол-во аминокислотных остатков в белках 50 – 1000 ) Число аминокислот = n Возможное число пептидов = n! 2 2 4 24 10 3 628 800 20 2 · 10 ¹² Всего в природе насчитывается несколько млрд различных белков
2-10 аминокислотных остатков – пептид, 10-100 ─" ─ полипептид, > 100 ─" ─ белок
N- конец C -конец Пептидная связь
α - аминокарбоновые кислоты R - заместители различной природы 20 стандартных аминокислот
Глицин (Gly) Аланин (Ala) Пролин (Pro) Валин (Val) Метионин (Met) Изолейцин (Ile) Лейцин (Leu) Неполярные алифатические R группы
Серин (Ser) Треонин (Thr) Цистеин (Cys) Глутамин (Gln) Аспарагин (Asn) Полярные незаряженные R группы
Фенилаланин (Phe) Тирозин (Tyr) Триптофан (Trp) Ароматические R группы
Лизин (Lys) Аргинин (Arg) Гистидин (His) Положительно заряженные R группы
Аспартат (Asp) Глутамат (Glu) Отрицательно заряженные R группы
4-Гидроксипролин 5-Гидроксилизин 6- N -Метиллизин γ -Карбоксиглутамат Десмозин Селеноцистеин
По химической структуре По отношению к воде (гидрофильные и гидрофобные) По кислотно-основным свойствам : Кислые а.к. Asp, Glu (2 ) Основные а.к. Lys, Arg, His (3 ) Нейтральные а.к. (15) 4. По пищевой ценности : Заменимые а.к. (10) (синтезируются в организме) Незаменимые а.к. (10) (должны поступать извне) Val, Leu, Ile, Thr, Met, Phe, Trp, Lys, Arg, His
Белые кристаллические вещества Имеют высокие и нехарактерные Тпл., разлагаются при Т > 200 ° С Растворимы в воде, растворах кислот и щелочей Не растворяются в неполярных растворителях Обладают либо сладким, либо горьким вкусом
Нейтральная форма Цвиттерионная форма Проявляют амфотерные свойства В водных растворах при рН 7 полностью диссоциированы - существуют в виде биполярных ионов (цвиттер-ионов) Ионизация а.к. зависит от рН раствора – для каждой а.к. имеется значение рН i ( изоэлектрическая точка), при котором а.к. нейтральна : Нейтральные а.к. рН i = 5,0 - 6,3 Кислые а.к. рН i = 2,8 - 3,2 Основные а.к. рН i = 7,6 - 10,8
L -Глицеральдегид L -Аланин D -Глицеральдегид D -Аланин Все стандартные а.к. (кроме Gly) обладают оптической активностью и относятся к L -ряду (число изомеров 2 ¹ или 2 ² ( Thr, Ile)
Цистеин Цистеин Цистин В составе белка остатки Cys подвергаются самопроизвольному окислению с образованием дисульфидных мостиков, которые ковалентно связывают участки полипептидных цепей
Основной структурной единицей белков и пептидов является пептидная (амидная) связь C-N
Пептидная (амидная) связь Пептидная связь C-N 0,132 нм Одинарная связь C-N 0,149 нм Двойная связь С= N 0,127нм Пептидная связь имеет характер “ частично двойной ” связи, является практически плоской
N -конец C -конец Пептидная связь имеет транс -конфигурацию Пептидная связь может существовать в плоской цис -форме : В напряженных циклических системах (циклопептиды, производные пролина) При большом размере заместителей у атома N (алкилированные производные)
Первичная структура Последовательность аминокислот α - Спираль Полипептидная цепь Ансамбль субъединиц Вторичная структура Третичная структура Четвертичная структура
Первичная структура белка – это аминокислотная последовательность белка, т.е. состав и расположение а.к. в полипептидной цепи. Образуется ковалентными пептидными и дисульфидными связями !!!!
1. Чем важнее роль белка в процессах жизнедеятельности, тем разнообразнее его аминокислотный состав (и, наоборот, чем примитивнее функция белка, тем беднее его «аминокислотная корзина»)
21 ак 30 ак
от 1050 ак
растяжение сокращение отдельная молекула белка сшивки Строение эластина Гли – 27% Ала – 19% Вал – 10% Лей – 1,7%
2. Чем ближе расположены виды на эволюционной лестнице, тем больше сходство первичных структур гомологичных белков
тип гемо-гло - бина Остатки аминокислот 1 2 3 4 5 6 7 8 Hb A Вал Гис Лей Тре Про Глу Глу Лиз Hb S Вал Гис Лей Тре Про Вал Глу Лиз Hb C Вал Гис Лей Тре Про Лиз Глу Лиз Hb G Вал Гис Лей Тре Про Глу Гли Лиз
Методы «меток» – определение концевых аминокислот (методы Сэнджера, Эдмана, Акабори, дансильный) Гидролиз Хроматография Секвенирование
Вторичная структура белка – упорядоченные структуры полипептидных цепей, стабилизированные водородными связями между пептидными СО и NH -группами. Типы вторичных структур : α -спираль β -складчатая структура неупорядоченный клубок ( random coil) Первичная структура Вторичная структура
N -конец C -конец 0,54 нм 3,6 а.к. на 1 виток Характеристики α -спирали : 18 а.к. образуют 5 витков спирали 1 виток – 3,6 а.к., h = 0,54 нм каждая а.к. образует водородную связь СО - - - NH c четвертой по порядку следования по цепи аминокислотой Стабилизируют α -спираль : Ala, Val, Leu, Phe, Trp, Met, His, Gln Дестабилизируют α -спираль : Gly, Glu, Asp, Ile, Lys, Arg, Tyr, Asn, Ser, Cys Pro обычно расположен на повороте α - спирали
В белках встречаются только правые α -спирали α -Спираль характеризуется предельно плотной упаковкой скрученной полипептидной цепи Водородные связи СО - - - NH
β -Складчатая структура или “ складчатый лист ” – это ассоциат вытянутых зигзагообразных пептидных цепей, стабилизированный межцепочечными водородными СО - - - NH связями 0,272 нм
Параллельная структура Антипараллельная структура Вид сбоку Вид сбоку
Сверхвторичная структура – наличие ансамблей взаимодействующих между собой вторичных структур. Пример – агрегация α -спиралей (суперспирализованная система). ( Белок α -кератин шерсти). Т.о., полипептидная цепь белка содержит определенное число участков вторичной структуры ( α, β ), а также участки неупорядоченной структуры.
Полипептидная цепь, содержащая определенное число участков вторичной структуры, обычно свертывается в относительно компактную систему, в которой элементы вторичной структуры взаимодействуют между собой и с участками неупорядоченной структуры. Для многих белков третичная структура эквивалентна пространственной структуре белка Каждый белок обладают своей уникальной пространственной структурой
α β α / β
Четвертичная структура характерна для белков, состоящих из нескольких полипептидных цепей. Она возникает в результате ассоциации нескольких субъединиц в компактную глобулу. Это взаимное расположение субъединиц белка в пространстве. 4 субъединицы в белке 2 субъединицы в белке 1 2 субъединиц в белке
Образование пространственной структуры белка – процесс сложный и многостадийный 36 а.к. – 1 мс
Шапероны – это белки, которые помогают полипептиду принять Правильную пространственную структуру. Белки теплового шока ( Hsp ) впервые были описаны как шапероны
Нейродегенеративные болезни (губчатые энцефалопатии) вызывают белковые факоры – прионы, функционирующие как антишапероны
1898 г. – необычное заболевание овец «скрепи» 1939 г. – экспериментальное заражение овец болезнью «скрепи» 1961 г. – инфекционная природа «скрепи» (заболевания клеток головного мозга) доказана 1920 -1921 г. - выявлено новое заболевание у людей (болезнь Крейцфельда –Якоба), оно может возникать спонтанно, передаваться по наследству, а также инфекционным путем.
1955 -1957 гг., Папуа-Новая Гвинея - «куру» («смеющаяся смерть»), новое эндемичное заболевание, по симптомам схожее с болезнью К.-Я. 1992 г., Англия Эпидемия коровьего бешенства, заболело примерно 180000 коров Болезнь передавалась людям, в конце 90-х годов скончалось около 200 чел
1998 г., С.Б. Прузинер - Нобелевская премия за открытие прионов Прионы - это особые белковые молекулы: не содержат ни ДНК, ни РНК; - находятся в тканях здоровых людей и млекопитающих и не наносят вред; - под влиянием некоторых факторов превращаются в маленькие частицы - патогенные; - не подвластны многим воздействиям (выносят кипячение в течение 30 минут, высушивание до 2-х лет, замораживание в 2 раза больше, чем известные вирусы, химической обработке спиртами, кислотами, рентген облучение - не убивает прионы. Только ферменты - трипсин, протеиназа в максимальных дозах денатурируют этот белок. (Иначе говоря, из всего живого прион погибает последним); - накапливаются в мозгу человека или животного и вызывают там необратимые изменения, т.н. губчатые энцефалопатии, размягчение мозга - у людей это БКЯ.
Накопление белковых агрегатов в нервной ткани Строение нормального белка-приона (слева) и аномально свернутого (справа)
а – модель плохого шаблона б – модель затравок
Возможные модели нейротоксического действия агрегатов неправильно свернутых белков
Белки образуют при свертывании : Компактные структуры сферической формы (глобулуы) - Глобулярные белки Достаточно вытянутое волокно - Фибриллярные белки Волокна белка коллагена Миоглобин кита ( синим цветом показаны гидрофобные остатки а.к., красным цветом –остаток гема)
Глобулярные белки : более сложные по конформации, чем фибриллярные белки способны выполнять самые разные функции в клетках активность этих белков носит динамический характер (ферменты) Свойства глобулярных белков : водорастворимые и амфифильные (мембранные) белки – почти все гидрофобные R - группы скрыты внутри глобулы и экранированы от взаимодействия с Н 2 О, а гидрофильные R - группы находятся на поверхности глобулы в гидратированном состоянии. Фибриллярные белки : представляют собой вытянутые и складчатые структуры выполняют в клетках и тканях структурную функцию нерастворимые в воде, плотные белки Примеры : α -кератин, β -кератин, коллаген, эластин
Денатурация белка – это структурные изменения в молекуле белка (без разрыва ковалентных связей), которые приводят к потере его биологической активности. Денатурацию белков ызывает нагревание, изменение рН, обработка детергентами, органическими растворителями и др. Денатурация белка – обратимая и необратимая. Ренатурация – восстановление структуры и биологической активности Нативный белок Денатурированный белок
РСА (третичная и четвертичная структура) Методы КД и ДОВ (вторичная структура) ИК- и ЯМР-спектроскопия высокого разрешения (вторичная и третичная структура) Электроно- и нейтронографические методы (третичная и четвертичная структура)
Регуляция Движение Структура Катализ Транспорт Сигнализация Третичная структура Вторичная структура Первичная структура Четвертичная структура Супрамолекулярная структура Функции
Ферменты – это специфические и высокоэффективные катализаторы биохимических реакций, протекающих в живой клетке (скорость реакции может увеличиваться в 10 ¹º раз). Особенности белков-ферментов : Высокая активность Высокая специфичность Высокая стереоспецифичность
Белки-Ферменты растительного происхождения Фермент бромелин из ананаса Фермент папаин из плодов папайи
Принципы ферментативной кинетики
Активный центр фермента может состоять : только из а.к. остатков белка – лактатдегидрогеназа (а), содержать ионы металлов - алкогольдегидрогеназа (б), ионы металлов в составе сложных органических молекул – гем (в, г)
Транспортные белки участвуют в переносе различных веществ и ионов. Примеры : Гемоглобин ( переносит О 2 от легких к тканям ) Миоглобин ( переносит О 2 в мышечной ткани ) Цитохром с (транспорт электронов в дыхательной цепи) Сывороточный альбумин (транспорт жирных кислот в крови) Мембранные белки – каналообразователи (транспорт веществ и ионов через биологические мембраны)
Структура гема Структура активного центра гемоглобина Гемоглобин –тетрамер : 2 α -субъединицы (141 а.к.) 2 β -субъединицы (146 а.к.)
Структура миоглобина Кривые оксигенации миоглобина (а) и гемоглобина (б)
Серповидноклеточная анемия – это “ молекулярная болезнь ” гемоглобина, наследственная генетическая аномалия. Серповидные эритроциты очень хрупкие, легко разрываются – низкий уровень гемоглобина в крови, а также эритроцитами неправильной формы блокируются кровенсные капилляры. Аномальный гемоглобин – гемоглобин S: замена Glu (6) → Val (6) (2 а.к. из 574 !!!)
Мембранные белковые каналы К –канал бактерий +
Защитные белки участвуют в проявлении защитных реакций организма. Белки иммунной системы (иммуноглобулины, белки системы комплемента (20 белков), антигены тканевой совместимости, интерлейкины, интерфероны и т.п.) Белки системы свертывания крови (фибриноген, фибрин, тромбин) Структура Ig Связыванием иммуноглобулином (Ат) чужеродной молекулы (Аг)
Пищевые белки : Казеин молока Альбумин яичный Глиадин пшеницы Зеин ржи Запасные белки : Ферритин ( “ депо ” Fe в селезенке)
Гормоны – биологически активные регуляторы, вырабатываются в эндокринных железах и разносятся по кровяному руслу к клеткам-мишеням. Существует 3 класса гормонов – пептидно-белковые, стероидные, биогенные амины (адреналин). Белковые гормоны – все гормоны гипоталамуса, некоторые гормоны гипофиза и др. (соматотропин, тиротропин, гонадотропин, пролактин, инсулин, паратропин). Пептидные гормоны – окситоцин, вазопрессин, глюкагон, гастрин, кальцитонин, тканевые гормоны брадикинин и ангиотензин.
ЦНС Гипоталамус Гормоны гипоталамуса Передняя доля гипофиза Задняя доля гипофиза Первичные мишени Вторичные мишени Конечные мишени Сенсорные сигналы Функциональная иерархия гормональной регуляции
Рецепторные белки : Родопсин зрительного аппарата животных (восприятие и преобразование световых сигналов) Бактериородопсин галофильных бактерий Мембранные белки - рецепторы различных гормонов (передают сигнал от гормона внутрь клетки и обеспечивают запуск механизма клеточного ответа) Рецепторы клеточной поверхности эритроцитов, лимфоцитов, макрофагов (выработка организмом иммунного ответа) Рецепторы нейропептидов головного мозга (регуляция поведения и высшей нервной деятельности)
Мембранные белки - рецепторы различных гормонов (передают сигнал от гормона внутрь клетки и обеспечивают запуск механизма клеточного ответа)
Регуляторные белки необходимы для функционирования различных звеньев клеточного метаболизма : Гистоны, репрессоры, рибосомальные факторы инициации транскрипции и т.п. (регулируют активность генов и биосинтез белка). “ Воротные ” белки мембранных каналов (регулируют транспорт через биомембраны).
Структурные белки составляют остов многих тканей и органов. Являются фибриллярными белками Это белки соединительной ткани : коллаген (кости, хрящи, кожа, сухожилия) α - и β - кератины (волосы, шерсть, чешуя, панцири и т.д.) эластин (связки, стенки сосудов и др.) фиброин (шелк, паутина) протеогликаны ( клеточные стенки бактерий)
Коллаген образует основу сухожилий, хрящей, кожи, зубов и костей. Структурная единица волокон коллагена – тропоколлаген. Тропоколлаген – это ассоциат из 3-х навитых друг на друга полипептидных цепей ( по 1000 а.к.), каждая из которых образует изломанную спираль особого типа (21% Pro и Гидрокси Pro ). Фибриллы коллагена нерастяжимы и имеют большую прочность на разрыв. Тропоколлаген Фибриллы коллагена Коллаген
Поперечное сечение волоса α - Кератины – нерастворимые в воде, плотные белки (присутствие большого числа α -спиральных участков – 2-3 а.к. цепи закручиваются одна вокруг другой ) : Волосы, шерсть, чешуя рыб, рога, копыта, панцири и т.п.
α - Кератин Пример биохимической технологии Что здесь изображено ?
β - Кератин – фиброин (шелка и паутины) : нерастворимый в воде, слабо растяжимый белок имеет антипараллельную β - складчатую структуру Структура фиброина шелка “ Производство ” белка-фиброина пауком
Двигательные белки : Актин и миозин (сократительный аппарат мышц) Динеин (реснички и жгутики простейших) Спектрин (мембраны эритроцитов)
Антибиотики – химические агенты, продуцируемые микроорганизмами, обладают прямым и избирательным ингибирующим действием на живые клетки (антибактериальные, противовирусные, противогрибковые, противоопухолевые антибиотики). Пептидные антибиотики : грамицидины А, В, С, S, полимиксины, актиномицины, валиномицин и многие другие. Белковые антибиотики : неокарциностатин, актиноксантин и другие.
Белками являются самые мощные из известных токсинов микробного происхождения : Ботулинический токсин Столбнячный токсин Дифтерийный токсин Холерный токсин Белки – зоотоксины ( змей, скорпионов, пауков, и др.) Белки – фитотоксины (рицин из клещевины) Пептидные токсины (ядовитых грибов, яда пчел, морских беспозвоночных)
Пептиды со вкусовыми качествами : Заменители сахара – аспартам Asp-Phe-OMe ( в 200 раз слаще сахара, низкая калорийность) “ Вкусный пептид ” Lys-Gly-Asp-Glu-Glu-Ser-Leu-Ala ( получают при обработке мяса папаином) Белки с интенсивным сладким вкусом – тауматин (207 а.к.) и монеллин (94 а.к.) из плодов африканских растений (слаще сахара в 100 000 раз)
