Итоговые / БХ итоговая 1

«СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ ПРОСТЫХ И СЛОЖНЫХ БЕЛКОВ»

1. Белковые молекулы как основа жизни. Биологические функции белков.

Белки - это высокомолекулярные азотсодержащие органические соединения, построенные из аминокислот,мало отличающиеся по элементарному составу, но резко отличающиеся по химическому составу, строению, свойствам, функциям. Белки - основа жизни.

Биологические функции:

1)- каталитическая (ферментативная): рибонуклеаза, химотрипсин, лизоцим.

2)- транспортная: обеспечивают транспорт шлаков, газов и т.д.

3)- пищевая и запасная (резервная): яичный альбумин, казеин молока и глиадин пшеницы.

4)- рецепторная: белки биомембран.

5)- сократительная и двигательная: актин и миозин.

6)- структурная: кератин, коллажем, эластин, фосфопротеины.

7)- защитная: антитела сыворотки крови.

8)- регуляторная: регуляция содержания глюкозы в крови инсулином.

2. История изучения белков. Теория строения белков Мульдера. Пептидная теория строения белков.

В1728 г. Беккари выделил первое вещество из пшеничной муки, названное «клейковиной». Он же показал его сходство с белком куриного яйца.

В1820 г. Браконно открыл в продуктах гидролиза белков аминокислоту глицин.

В1953 г. Сенгер впервые расшифровал аминокислотную последовательность белка – инсулина.

В1958 г. Кендрью и в 1959 г. Перутц расшифровали третичную структуру белков – миоглобина и гемоглобина.

Г. Я. Мульдер (1802-1880) предложил первую теорию строения белков. Исходя из исследований элементного состава, Мульдер пришел к выводу, что все белки содержат одну или несколько групп (радикалов), соединенных с серой или фосфором или с тем и другим вместе.

Он предложил для обозначения этой группы термин «протеин» (от греч. протейон — первый), так как считал, что это вещество «без сомнения, важнейшее из всех известных тел органического царства, и без него, как кажется, не может быть жизни на нашей планете».

Немецкий химик Эмиль Фишер создал пептидную теорию строения белков, во многом подтвердившуюся практически и получившую всеобщее признание еще при его жизни Фишер принял, как наиболее вероятную гипотезу о том, что белки построены из аминокислот, соединенных амидной связью.

Такой тип связи Фишер назвал пептидной. Он предположил, что белки представляют собой полимеры аминокислот, соединенных пептидной связью. Идея о полимерном характере строения белков как известно высказывалась еще Данилевским и Хертом, но они считали, что "мономеры" представляют собой очень сложные образования - пептоны или "углеазотные комплексы".

3. Аминокислоты, входящие в состав белков, их строение, свойства. 20 аминокислот входят в состав белков и называются протеиногенными(образование первичной структуры)

Общая структурная особенность аминокислот:

-наличие амино- и карбоксильной групп, соединенных одним и тем же а-углеродным атомом и радикалом.

-Все аминокислоты, кроме глицина, имеют изомерные L и D формы, т.к. имеют асимметричный атом углерода (в белках только L -формы)

Классификация:

1)по химическому строению радикалов:

-алифатические -ароматические -гетероциклические

2)по растворимости из радикалов в воде:

-аминокислоты с неполярными радикалами

-с полярными незаряженными радикалами -с полярными отрицательно заряженными радикалами

-с полярными положительно заряженными радикалами

3)по биологическому и физиологическому значению:

-незаменимые - не могут синтезироваться организмом из других соединений и целиком поступают с пищей (валин,

лейцин, изолейцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин, триптофан)

-заменимые - синтезируются в организме (аланин, глицин, серин, цистеин, аспарагиновая кислота, глутаминовая

кислота, тирозин, оксипролин)

Свойства аминокислот:

-Высокая плотность

Пептидная цепь формирует первичную структуру белка, которая в свою очередь определяет:

●· последующие уровни организации (2ю, 3ю, 4ю структуры рассказать)

●· ф/х белковой молекулы (растворимость, ионизация, гидратация)

●· видовую/тканевую принадлежность (н-р, гомологичные белки, выполняющие одинаковую функцию у разных животных: инсулин человека и собаки)

●· ф-ции белков (7 функций из 1 вопроса и примеры по ним)

10.Зависимость биологических свойств белков от первичной структуры.

Первичная структура белков уникальна и детерминирована генетически. Каждый индивидуальный гомогенный белок характеризуется уникальной последовательностью аминокислот: частота замены аминокислот приводит не только к структурным перестройкам, но и к изменениям физико-химических свойств и биологических функций.

11. Видовая специфичность первичной структуры, ее закономерности (примеры).

Первичная структура определяет видовую специфичность белков. Чем дальше в эволюционном ряду расположены организмы друг от друга, тем в большей степени выражены различия в первичной структуре аналогичных белков. Так, цитохром С, состоящий из 104 аминокислотных остатков, у человека и обезьяны различается лишь одной аминокислотой, у человека и кролика – 9-ю, а у человека и лягушки – 18-ю аминокислотными остатками.

12. Расшифровка первичной структуры белков, используемые методы, значение расшифровки структуры.

Расшифровка первичной структуры белка — основа для получения предварительной информации о более высоких

уровнях структуры (вторичной, третичной, четвертичной), для выяснения топографии функциональных групп в активном центре белка и построения модели его функционирования.

Чтобы определить аминокислотную последовательность белка, прежде всего разделяют его полипептидные цепи (если макромолекула состоит из нескольких цепей), затем определяют аминокислотный состав цепей, N-, С-концевые аминокислотные остатки, аминокислотные последовательности.

Анализ аминокислотного состава включает полный гидролиз исследуемого белка или пептида и количественное определение всех аминокислот в гидролизате. Количественное определение аминокислот в гидролизате проводят с помощью аминокислотного анализатора, работающего на принципе хроматографического разделения на ионообменных смолах.

Наибольшее распространение для определения N-концевых остатков находит дансильный метод.

Многие генетические болезни - результат нарушения в аминокислотной последовательности белков. Информация о первичной структуре нормального и мутантного белка может быть полезна для диагностики и прогнозирования развития заболеваний.

13. Вторичная структура белка и ее варианты. Роль водородных связей в стабилизации вторичной структуры. Характеристика -спирали и - структуры. Ломаная спираль.

Вторичная структура - пространственная структура белка, когда первичная структура закручивается в спираль - а-спираль либо в-структура. Создаются водородные связи.

а-спираль: в данном типе структуры пептидный остов закручивается в виде спирали за счет образования водородных связей между атомами кислорода карбонильных групп и атомами азота аминогрупп, входящих в состав пептидных групп через 4 аминокислотных остатка.

Водородные связи ориентированы вдоль оси спирали, их количество обеспечивает максимально возможную

стабильность а-спирали.

Так как все гидрофильные группы пептидного остова обычно участвуют в образовании водородных связей, гидрофильность а-спиралей уменьшается, а их гидрофобность увеличивается.

а-спиральная структура - наиболее устойчивая конформация пептидного остова, отвечающая минимуму свободной энергии.

в-структура: формируется за счет образования множества водородных связей между атомами пептидных групп

линейных областей одной полипептидной цепи, делающей изгибы, или между разными полипептидными цепями.

Когда водородные связи образуются между атомами полипептидного остова различных полипептидных цепей, их

называют межцепочечными связями.

Водородные связи, возникающие внутри одной полипептидной цепи, называют внутрицепочечными. В в-структурах водородные связи расположены перпендикулярно полипептидной цепи.

Ломаная спираль характерна для коллагена. Такая разновидность спирали является следствием высокого содержания в коллагене глицина и пролина с гидроксипролином - аминокислот, нарушающих "правильность" спирали.

14. Понятие о третичной структуре белков, разновидности.

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

По форме третичной структуры белки делятся в основном на глобулярные и фибриллярные. Глобулярные белки чаще всего имеют эллипсовидную форму, а фибриллярные (нитевидные) белки — вытянутую (форма палочки, веретена).

15. Связи, характерные для третичной структуры. Зависимость биологических свойств белков от третичной структуры.

Третичная структура белка - это распределение в пространстве всех атомов белковой молекулы, или иначе говоря, пространственная упаковка спирализованной полипептидной цепи. Основную роль в образовании третичной структуры белка играют водородные, ионные, гидрофобные и дисульфидные связи, которые образуются в результате взаимодействия между радикалами аминокислот.

Водородные связи образуются между двумя полярными незаряженными радикалами или между незаряженным и заряженным радикалами, например, радикалами серина и глутамина:

Ионные связи могут возникать между противоположно заряженными радикалами например, радикалами глутамата и

аргинина:

Гидрофобные взаимодействия характерны для неполярных радикалов, например, валина и лейцина:

Дисульфидные связи образуются между SH-группами двух радикалов цистеина, находящихся в разных участках полипептидной цепи Все биологические свойства белков связанные с сохранностью их третичная структуры, которое принято называть

нативной конформации. Чтобы и взаимодействия, приводящие к нарушению это конформация молекулы сопровождаются частичной или полной потерей белком его биологических свойств

16. Понятие о фолдинге, роль шаперонов в этом процессе.

Фолдинг белков – процесс сворачивания полипептидной цепи в правильную пространственную структуру. При этом происходит сближение удаленных аминокислотных остатков полипептидной цепи, приводящее к формированию нативной структуры.

Структура и функциональная роль шаперонов в фолдинге белков

В процессе синтеза полипептидных цепей, транспорта их через мембраны, при сборке олигомерных белков возникают промежуточные нестабильные конформации, склонные к агрегации. На вновь синтезированном полипептиде имеется множество гидрофобных радикалов, которые в трёхмерной структуре спрятаны внутри молекулы. Поэтому на время формирования нативной конформации реакционноспособные аминокислотные остатки одних белков должны быть отделены от таких же групп других белков.

Во всех известных организмах от прокариотов до высших эукариотов обнаружены белки, способные связываться с

белками, находящимися в неустойчивом, склонном к агрегации состоянии. Они способны стабилизировать их конформацию, обеспечивая фолдинг белков. Эти белки получили название шаперонов.

При синтезе белков N-концевая область полипептида синтезируется раньше, чем С-концевая область. Для формирования конформации белка нужна его полная аминокислотная последовательность. Поэтому в период синтеза белка на рибосоме защиту реакционно-способных радикалов (особенно гидрофобных) осуществляют Ш-70.

Ш-70 – высококонсервативный класс белков, который присутствует во всех отделах клетки: цитоплазме, ядре, митохондриях.

Фолдинг многих высокомолекулярных белков, имеющих сложную конформацию (например, доменное строение), осуществляется в специальном пространстве, сформированном Ш-60. Ш-60 функционируют в виде олигомерного

комплекса, состоящего из 14 субъединиц.

Попадая в полость шаперонового комплекса, белок связывается с гидрофобными радикалами апикальных участков Ш-60. В специфической среде этой полости, в изоляции от других молекул клетки происходит выбор возможных конформаций белка, пока не будет найдена единственная, энергетически наиболее выгодная конформация.

17. Конформационные перестройки молекул белков как основа их функционирования.

Линейные полипептидные цепи индивидуальных белков за счёт взаимодействия функциональных групп аминокислот приобретают определённую пространственную трёхмерную структуру, называемую «конформация». Все молекулы индивидуальных белков (т.е. имеющих одинаковую первичную структуру) образуют в растворе одинаковую конформацию. Следовательно, вся информация, необходимая для формирования пространственных структур, находится в первичной структуре белков.В белках различают 2 основных типа конформации полипептидных цепей: вторичную и третичную структуры.

Каждый индивидуальный белок, имеющий уникальную первичную структуру и конформацию, обладает и уникальной функцией, отличающей его от всех остальных белков. Набор индивидуальных белков выполняет в клетке множество разнообразных и сложных функций.

Необходимое условие для функционирования белков - присоединение к нему другого вещества, которое называют «лиганд». Лигандами могут быть как низкомолекулярные вещества, так и макромолекулы. Взаимодействие белка с лигандом высокоспецифично, что определяется строением участка белка, называемого центром связывания белка с лигандом или активным центром.

Активный центр белков - определённый участок белковой молекулы, как правило, находящийся в её углублении («кармане»), сформированный радикалами аминокислот, собранных на определённом пространственном участке при формировании третичной структуры и способный комплементарно связываться с лигандом. В линейной последовательности полипептидной цепи радикалы, формирующие активный центр, могут находиться на значительном расстоянии друг от друга.

Высокая специфичность связывания белка с лигандом обеспечивается комплементарностью структуры активного центра белка структуре лиганда. Кроме того, между функциональными группами лиганда и радикалами аминокислот, образующих активный центр, должны возникать связи, удерживающие лиганд в активном центре. Связи между лигандом и активным центром белка могут быть как нековалентными (ионными, водородными, гидрофобными), так и ковалентными.

18. Лабильность пространственной структуры белков. Денатурация белков, факторы, вызывающие денатурацию белков. Механизм, признаки, обратимость денатурации.

Лабильность белка - склонность к небольшим изменениям конформации за счет разрыва одних и образовании других слабых связей. Конформация белка может меняться при изменении химических и физических свойств среды, а также при взаимодействии белка с другими молекулами. При этом происходит изменение пространственной структуры не только участка, контактирующего с другой молекулой, но и конформация в целом.

Денатурация - потеря нативной конформации белка с утратой специфической функции белка. Это происходит когда рвутся многочисленные, но слабые связи в молекуле белка под воздействие различных факторов. Ю

1.Высокая температура, более 50 градусов по Цельсию. Увеличивается тепловое движение, связи рвутся.

2.Интенсивное стряхивание раствора, когда происходит контакт с воздушной средой и происходит изменение конфомации молекул.

3.Органические вещества (этиловый спирт, фенол и др.) спсобные взаимодействовать с функциональными группами аминокислот, что приводит, догадайтесь, правильно!, к изменению конформации.

3.Кислоты и щелочи, изменением рН среды приводят к перераспределению связей в белке.

4.Соли ТЯЖЁЛЫХ металлов, образуют прочные связи с функциональными группами, меняя активность и

конформацию.

19. Четвертичная структура белков. Протомеры и субъединицы. Зависимость биологической активности от четвертичной структуры белков.

Четвертичная структура белка – способ укладки в пространстве отдельных субъединиц (протомеров) и формирование единого в структурном и функциональном отношении. макромолекулярного образования. Субъединица (протомер),

входящая в состав такого белка, представляет собой олигопептидную цепь, имеющую третичную структуру, но не

обладающую функциональной активностью.

Каждая субъединица кодируется отдельным геном. Биологические свойства, типичные для данного белка, выявляются лишь при пространственном объединении входящих в его состав субъединиц. Образующуюся при этом макромолекулу называют олигомерным, или мультимерным белком. Четвертичную структуру имеют лишь несколько сотен белков, как правило, обладающих молекулярной массой свыше 50 тысяч. Так, гемоглобин крови (м.м. 66 – 68 тыс.) состоит из 4 субъединиц, а белок вируса табачной мозаики– из 2130, нанизанных вокруг молекулы РНК (мол. масса около 40 млн). Четвертичной структурой обладают многие белкиферменты. Стабилизируется четвертичная структура нековалентными (водородными, гидрофобными, ионными и др.) связями, которые устанавливаются между полярными группами аминокислотных остатков, а также за счет взаимодействия аминокислотных радикалов, находящихся на контактирующих поверхностях субъединиц.

20. Особенности строения и функционирования олигомерных белков на примере гемоглобина.

Гемоглобины - родственные белки, находящиеся в эритроцитах человека и позвоночных животных. Эти белки выполняют 2 важные функции:

-перенос О2 из легких к периферическим тканям; -участие в переносе СО2 и протоков из периферических тканей в легкие для последующего выведения из организма.

Изменение конформации (а следовательно и функциональных свойств) всех протомеров олигомерного белка при присоединении лиганда только к одному из них носит название кооперативных изменений конформации протомеров. Олигомерные белки проявляют свойства, отсутствующие у мономерных белков. Влияние четвертичной структуры на функциональные свойства белка можно рассмотреть, сравнивая строение и функции двух родственных гемосодержащих белков: миоглобина и гемоглобина. Оба белка имеют общее эволюционное происхождение, сходную конформацию отдельных полипептидных цепей и сходную функцию (участвуют в транспорте кислорода), но миоглобин - мономерный белок, а гемоглобин - тетрамер. Наличие четвертичной структуры у гемоглобина придаёт этому белку свойства, отсутствующие у миоглобина.

21. Понятие о доменной структуре белковых молекул, ее роль в функционировании белков.

Домен-это Участок полипептидной цепи, который в процессе формирования пространственной структуры приобрёл независимо от других участков той же цепи конформацию глобулярного белка. Домены обычно можно выделить, действуя на белок протеолитическими ферментов, легко разрывающими первичные связи на участке полипептидной цепи, расположенной между доменами. После этого некоторые домены могут сохранять свои биологические свойства. Участок полипептидной цепи имеет вид глобулы, соответственно имеет центр связывания. Центр связывание и происходит образование белково-лигандного комплекса.

1. Длинные полипептидные цепи часто складываются в несколько компактных, относительно независимых областей. Они имеют самостоятельную третичную структуру, напоминающую таковую глобулярных белков, и называются доменами.

Благодаря доменной структуре белков легче формируется их трехмерная структура.

2. Центры связывания белка с лигандом часто располагаются между доменами (например, центр связывания трипсина с его лигандом - пищевым белком). Разные домены в белке могут перемещаться относительно друг друга при взаимодействии с лигандом (например, в молекуле гексокиназы).

В некоторых белках домены выполняют самостоятельные функции, связываясь с различными лигандами. Такие белки называются многофункциональными белками.

Трипсин — протеолитический фермент, участвующий в гидролизе пептидных связей в молекулах пищевых белков в кишечнике. В молекуле трипсина имеется 2 домена, разделенных бороздкой. На внутренней поверхности этих доменов, формирующих бороздку, располагаются радикалы Сер j 77, Гис4о и Асп85, участвующих в связывании фермента с

пептидами и их гидролизе.

Гексокиназа - фермент, катализирующий фосфори-лирование глюкозы с помощью АТФ. Активный центр располагается в расщелине между 2 доменами. При связывании гексокиназы с глюкозой окружающие ее домены смыкаются и субстрат оказывается в «ловушке», где протекает фосфорилирование.

3. Лигандами, взаимодействующими с трехмерной структурой пептидной цепи, могут быть не только низкомолекулярные органические и неорганические молекулы, но и макромолекулы — ДНК (см. рассмотренные выше

примеры с ДНК-связывающими белками), РНК, полисахариды, белки. В этих случаях белок узнает определенный участок лиганда, соразмерный и комплементарный центру связывания.

22. Шапероны – семейство защитных белков. Роль шаперонов в процессах жизнедеятельности.

В процессе фолдинга возможны ошибки, поэтому в клетке имеются специальные белки – шапероны, которые обеспечивают правильное свертывание вновь синтезируемых белков.

Шапероны (от французского «шаперонэ» – гувернантка) отслеживают конформационное состояние белка на всем протяжении жизни его молекулы, начиная с трансляции, помогают вновь синтезированной полипептидной цепи найти правильную форму, контролируют и ускоряют процесс фолдинга – образование нативной конформации.

Шапероны стабилизируют частично денатурированные молекулы белка, сортируя то, что еще можно спасти, переносят белки через мембраны, помогают в сборке олигомерных белков, участвуют в переключении конформации белков с неактивной на активную.

23. Активный центр белков и его специфическое взаимодействие с лигандом как основа биологических функций всех белков.

Активный центр белка - относительно изолированный от окружающей белок среды участок, сформированный аминокислотными остатками. В этом участке каждый остаток благодаря своему индивидуальному размеру и функциональным группам формирует «рельеф» активного центра.

Уникальные свойства активного центра зависят не только от химических свойств формирующих его аминокислот, но и от их точной взаимной ориентации в пространстве.

Часто активный центр формируется таким образом, что доступ воды к функциональным группам его радикалов ограничен, т.е. создаются условия для связывания лиганда с радикалами аминокислот.

В некоторых случаях лиганд присоединяется только к одному из атомов, обладающему определённой реакционной

способностью, например присоединение О2 к железу миоглобина или гемоглобина. Однако свойства данного атома избирательно взаимодействовать с О2 определяются свойствами радикалов, окружающих атом железа в составе гема. Гем содержится и в других белках, таких как цитохромы. Однако функция атома железа в цитохромах иная, он служит посредником для передачи электронов от одного вещества другому, при этом железо становится то двух-, то трёхвалентным.

Центр связывания белка с лигандом часто располагается между доменами. Например, протеолитический фермент трипсин, участвующий в гидролизе пептидных связей пищевых белков в кишечнике, имеет 2 домена, разделенных бороздкой. Внутренняя поверхность бороздки формируется аминокислотными радикалами

этих доменов, стоящими в полипептидной цепи далеко друг от друга.

Разные домены в белке могут перемещаться друг относительно друга при взаимодействии с лигандом, что облегчает

дальнейшее функционирование белка.

Вкачестве примера можно рассмотреть работу гексокиназы, фермента, катализирующего перенос фосфорного остатка

сАТФ на молекулу глюкозы (при её фосфорилировании). Активный центр гексокиназы располагается в расщелине между двумя доменами. При связывании гексокиназы с глюкозой окружающие её домены сближаются, и субстрат оказывается в «ловушке», что облегчает его дальнейшее фосфорилирование.

Основное свойство белков, лежащее в основе их функций, - избирательность присоединения к определённым участкам белковой молекулы специфических лигандов

24. Способность к специфическим взаимодействиям как основа биологических функций всех белков.

В основе функционирования белка лежит его способность к взаимодействию с каким-либо другим веществом - лигандом. Лигандом может быть как низкомолекулярное вещество, так и макромолекула, в том числе и другой белок. Лиганд присоединяется к определенному участку глобулярной молекулы - активному центру. Активный центр формируется в ходе образования третичной структуры белка, поэтому при денатурации белка (когда разрушается его третичная структура) белки теряют свою активность. Специфичность взаимодействия белка и лиганда объясняется комплементарностью пространственной структуры активного центра и молекулы лиганда.

На специфичности взаимодействия белков и лигандов основан метод разделения белков - аффинная хроматография

25. Комплементарность структуры центра связывания белка структуре лиганда. Типы природных лигандов и особенности их взаимодействия с белками.

Уникальные свойства активного центра зависят не только от химических свойств формирующих его аминокислот, но и от их точной взаимной ориентации в пространстве. Поэтому даже незначительные нарушения общей конформации белка в результате точечных изменений его первичной структуры или условий окружающей среды могут привести к изменению химических и функциональных свойств радикалов, формирующих активный центр, нарушать связывание

белка с лигандом и его функцию. При денатурации активный центр белков разрушается, и происходит утрата их биологической активности.

Часто активный центр формируется таким образом, что доступ воды к функциональным группам его радикалов ограничен, т.е. создаются условия для связывания лиганда с радикалами аминокислот.

В некоторых случаях лиганд присоединяется только к одному из атомов, обладающему определённой реакционной способностью, например присоединение О2 к железу миоглобина или гемоглобина. Однако свойства данного атома избирательно взаимодействовать с О2 определяются свойствами радикалов, окружающих атом железа в составе тема. Гем содержится и в других белках, таких как цитохромы. Однако функция атома железа в цитохромах иная, он служит посредником для передачи электронов от одного вещества другому, при этом железо становится то двух-, то трёхвалентным.

Основное свойство белков, лежащее в основе их функций, - избирательность присоединения к определённым участкам белковой молекулы специфических лигандов.

Типы лигандов

●Лигандами могут быть неорганические (часто ионы металлов) и органические вещества, низкомолекулярные и высокомолекулярные вещества;

●существуют лиганды, которые изменяют свою химическую структуру при присоединении к активному центру белка (изменения субстрата в активном центре фермента);

●существуют лиганды, присоединяющиеся к белку только в момент функционирования (например, О2, транспортируемый гемоглобином), и лиганды, постоянно связанные с белком, выполняющие вспомогательную роль при функционировании белков (например, железо, входящее в состав гемоглобина).

26.Формирование надмолекулярных структур (самосборка). Примеры.

Это же специфическое взаимодействие лежит в основе процесса самосборки олигомерных белков (т.е. белков,

имеющих в своем составе несколько полипептидных цепей) и надмолекулярных структур.

Соединение протомеров или субъединиц в олигомерную молекулу (мультимер) происходит за счет взаимодействия определенных контактных участков, между которыми образуются десятки связей.

Процесс самосборки отличается высокой специфичностью. Пртомеры белка «узнают» друг друга и соединяются только между собой комплементарными поверхностями, и ошибочное соединение практически невозможно.

Примером олигомерного белка является молекула гемоглобина, состоящая из 4-х субъединиц (4 полипептидных цепей

двух типов ααββ). Одноименные субъединицы, в основном, связаны между собой ионными связями, а разноименные – в основном, гидрофобным взаимодействием. При обработке раствором мочевины молекула гемоглобина распадается

на четыре неактивных протомера, а после удаления мочевины они вновь соединяются, образуя нативную молекулу гемоглобина.

Примерами самосборки является образование молекулы вируса табачной мозаики, клеточных структур – мембран, микротрубочек и т.д.

27. Классификация белков по биологическим функциям и семействам (примеры).

Классификация белков по функциям

Белки выполняют в клетках множество биологических функций. По признаку сходства выполняемых белками функций их можно разделить на следующие большие группы.

1. Ферменты

Ферменты - специализированные белки, ускоряющие течение химических реакций. Благодаря ферментам в клетке скорости химических реакций возрастают в миллионы раз. Так как ферменты, как и любые белки, имеют активный центр, они специфически связывают определённый лиганд (или группу похожих лигандов) и катализируют определённый тип химического превращения данной молекулы. В настоящее время известно около 2000 различных ферментов, ускоряющих различные химические реакции. Например, протеолитический фермент трипсин разрушает в белках пептидные связи, образованные карбоксильной группой основных аминокислот - аргинина или лизина. Фермент рибонуклеаза расщепляет фосфоэфирную связь между нуклеотидами в полинуклеотидной цепи.

Благодаря набору ферментов в клетках превращения поступающих в них веществ протекают не хаотично, а в строго определённых направлениях.

2. Регуляторные белки

Крегуляторным белкам относят большую группу белковых гормонов, участвующих в поддержании постоянства

внутренней среды организма, которые воздействуют на специфические клетки-мишени. Например, гормон инсулин выделяется в кровь при повышении концентрации глюкозы в крови после еды и, стимулируя использование глюкозы клетками, снижает концентрацию глюкозы до нормы, т.е. восстанавливает гомеостаз.

Кроме того, к регуляторным относят белки, присоединение которых к другим белкам или иным структурам клетки регулирует их функцию. Например, белок кальмодулин в комплексе с четырьмя ионами Са2+ может присоединяться к некоторым ферментам, меняя их активность.

Регуляторные ДНК-связывающие белки, присоединяясь в определённые моменты к специфичным участкам ДНК, могут регулировать скорость считывания генетической информации.

3. Рецепторные белки

Сигнальные молекулы (гормоны, нейромедиаторы) действуют на внутриклеточные процессы через взаимодействие со специфическими белками-рецепторами. Так, гормоны, циркулирующие в крови, находят

клетки-мишени и воздействуют на них, специфично связываясь с белками-рецепторами, обычно встроенными в клеточную мембрану. Для гидрофобных регуляторных молекул, проходящих через клеточную мембрану, рецепторы локализуются в цитоплазме клеток.

4. Транспортные белки

Многие белки крови участвуют в переносе специфических лигандов из одного органа к другому. Часто в комплексе с белками переносятся молекулы, плохо растворимые в воде. Так, белок плазмы крови альбумин переносит жирные кислоты и билирубин, а гемоглобин эритроцитов участвует в переносе О2 от лёгких к тканям. Стероидные гормоны переносятся в крови специфическими транспортными белками.

Транспортные белки участвуют также в переносе гидрофильных веществ через гидрофобные мембраны. Так как транспортные белки обладают свойством специфичности взаимодействия с лигандами, их набор в клеточной мембране определяет, какие гидрофильные молекулы могут пройти в данную клетку. С помощью белков-переносчиков в клетку проникают глюкоза, аминокислоты, ионы и другие молекулы.

5. Структурные белки

Некоторые белки, расположенные определённым образом в тканях, придают им форму, создают опору, определяют

механические свойства данной ткани. Например, как уже говорилось выше, главным компонентом хрящей и сухожилий

является фибриллярный белок коллаген, имеющий высокую прочность. Другой структурный белок (эластин) благодаря своему уникальному строению обеспечивает определённым тканям свойство растягиваться во всех направлениях (сосуды, лёгкие).

6. Защитные белки

Некоторые белки, в частности иммуноглобулины, обладают способностью узнавать и связывать чужеродные молекулы, вирусные частицы и бактерии, в результате чего происходит их нейтрализация. Кроме того, комплекс чужеродной частицы с иммуноглобулином легко узнаётся и уничтожается клетками иммунной системы.

Защитными свойствами обладают белки свёртывающей системы крови, например фибриноген, тромбин. Они участвуют

в формировании тромба, который закупоривает повреждённый сосуд и препятствует потере крови.

7. Сократительные белки

Некоторые белки при выполнении своих функций наделяют клетку способностью либо сокращаться, либо передвигаться. К таким белкам относят актин и миозин - фибриллярные белки, участвующие в сокращении скелетных мышц. Другой пример таких белков - тубулин, из которого построены клеточные органеллы - микротрубочки. Микротрубочки в период деления клетки регулируют расхождение хроматид. Микротрубочки - важные элементы ресничек и жгутиков, с помощью которых клетки передвигаются.

Cемейства родственных белков

В ходе эволюции в пределах одного биологического вида замены аминокислотных остатков могут приводить к возникновению разных белков, выполняющих родственные функции и имеющих гомологичные последовательности аминокислот. Гомологичными называют последовательности, имеющие много сходных черт. Они содержат во многих положениях одни и те же аминокислоты, называемые инвариантными, а в некоторых положениях могут находиться разные, но близкие по физико-химическим свойствам аминокислотные остатки.

Эти белки имеют поразительно схожие конформации: количество и взаиморасположение α-спиралей и/или β-структур, большинство поворотов и изгибов полипептидных цепей сходно или идентично. Такие белки, имеющие гомологичные участки полипептидной цепи, сходную конформацию и родственные функции, выделяют в семейства белков.

Пример семейства родственных белков - семейство миоглобина, куда включены, кроме самого миоглобина, и все виды гемоглобина.

1. Семейство сериновых протеаз

К семейству родственных белков относят сериновые протеазы. Это семейство ферментов, которые используют уникально активированный остаток серина, расположенный в активном центре, для связывания и каталитического гидролиза пептидных связей в белковых субстратах. Мишени для сериновых протеаз - специфические пептидные связи в белках (часто в других сериновых протеазах).

Для всех белков этого семейства характерно наличие в активном центре остатков Сер195, Гис57, Асп102 (эту нумерацию используют независимо от их точного расположения в первичной структуре определённых сериновых протеаз). Выявлена также высокая схожесть их пространственных структур, несмотря на то, что только в 40% положений они содержат идентичные аминокислоты. Каталитический участок сериновых протеаз расположен в расщелине между двумя доменами.

Некоторые аминокислотные замены привели к изменению субстратной специфичности этих белков и к возникновению функционального многообразия внутри этого семейства. Так, пищеварительные сериновые протеазы участвуют в переваривании (гидролитическом расщеплении пептидных связей) денатурированных пищевых белков. К ним относят трипсин, химотрипсин, эластазу, но каждый из этих ферментов предпочитает разрывать пептидные связи, образованные определёнными аминокислотами.

Ещё большей субстратной специфичностью обладают сериновые протеазы, участвующие в тщательно контролируемых физиологических процессах, таких как активация каскада белков свёртывания крови, фибринолиза, активация белков системы комплемента, образования белковых гормонов. В процессе активации нативных белков сериновые протеазы гидролизуют одну или две особенные пептидные связи из сотен связей, имеющихся в белковом субстрате. Это связано с тем, что в нативном белке фермент узнаёт не только аминокислоты, непосредственно формирующие пептидную связь, но и некоторые аминокислотные остатки, окружающие связь, подвергающуюся ферментативному гидролизу.

2. Суперсемейство иммуноглобулинов

В работе иммунной системы огромную роль играют белки, относящиеся к суперсемейству иммуноглобулинов. Это суперсемейство включает по крайней мере три больших семейства белков, участвующих в иммунной защите организма: семейство иммуноглобулинов, семейство Т-клеточных антигенраспознающих рецепторов и белки главного комплекса гистосовместимости I и II классов, которые в литературе обозначают МНС . Это суперсемейство включено также семейство адгезивных белков, участвующих в узнавании определённых типов клеток и их межклеточных взаимодействиях.

Основной критерий включения белков в суперсемейство иммуноглобулинов - их доменная организация, достоверная

гомология аминокислотных последовательностей и пространственных структур отдельных доменов. Кроме того, белки этого суперсемейства имеют схожие функции: иммуноглобулины взаимодействуют с чужеродными структурами,

находящимися в крови, лимфе, межклеточной жидкости или секретах желёз, а рецепторы Т-лимфоцитов и белки главного комплекса гистосовместимости - с антигенами, находящимися на поверхности клеток данного организма.

3. Семейство иммуноглобулинов

Иммуноглобулины, или антитела, - специфические белки, вырабатываемые В-лимфоцитами в ответ на попадание в организм чужеродных структур, называемых антигенами. В организме человека вырабатывается

около 107 клонов В-лимфоцитов, каждый из которых специализирован на выработке одного из 107 видов иммуноглобулинов.

Все иммуноглобулины характеризуются общим планом строения, который мы рассмотрим на примере строения IgG.

Молекула IgG состоит из четырёх полипептидных цепей: двух идентичных лёгких (L - от англ,light), содержащих около

220 аминокислотных остатков, и двух тяжёлых (Н - от англ. heavy), состоящих из 440 аминокислот каждая. Все 4 цепи соединены друг с другом множеством нековалентных и четырьмя дисульфидными связями. Поэтому молекулу IgG относят к мономерам.