Экзаменационныевопросы

подисциплине

Биохимия-биохимияполостирта

длястудентовстоматологическогофакультета

Белкииферменты

1. Функции белков в организме человека. Физиологически активные пептиды. Уровни структурной организации белков. Первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белка. Связи, их стабилизирующие. Глобулярные, фибриллярные, трансмембранные белки: особенности строения, примеры. Фолдинг белков. Шапероны. Денатурация и ренативация белков. Прионы и прионные болезни.

Функциибелков

Работаифункциибелковлежатвосновеструктурылюбогоорганизмаивсехпротекающихвнем жизненныхреакций.Любые нарушения этихбелковприводят к изменению самочувствияи нашего здоровья. Необходимость изучения строения, свойств и видов белков кроется в многообразии их функций.

Первые слова из определения Ф.Энгельсом понятия жизни "Жизнь есть способ существования белковыхтел, "досихпор,попрошествииполуторавеков,непотерялисвоейправильностии

актуальности.

Структурнаяфункция

Веществосоединительнойтканиимежклеточныйматриксформируют белкиколлаген,эластин,кератин,протеогликаны.

Непосредственно участвуют в построении мембран и цитоскелета (интегральные, полуинтегральные и поверхностные белки) –спектрин(поверхностный,основной белокцитоскелетаэритроцитов),гликофорин(интегральный,фиксируетспектриннаповерхности).К даннойфункцииможно отнести участие всозданииорганелл –рибосомы.

Ферментативнаяфункция

Всеферментыявляютсябелками.

Втожевремяестьданныеосуществованиирибозимов,т.е.рибонуклеиновыхкислот, обладающих каталитической активностью.

Гормональнаяфункция

Регуляциюисогласованиеобменавеществвразныхклеткахорганизмаосуществляютгормоны. Такиегормоныкакинсулиниглюкагонявляютсябелками,все гормоныгипофизаявляются пептидами или небольшими белками.

Рецепторнаяфункция

Этафункциязаключаетсявизбирательномсвязываниигормонов,биологическиактивных веществ и медиаторов на поверхности мембран или внутри клеток.

Транспортнаяфункция

Толькобелкиосуществляютпереносвеществвкрови,например,липопротеины(перенос жира),гемоглобин(связывание кислорода),гаптоглобин (транспорт

гема),трансферрин(транспортжелеза).Белкитранспортируютвкровикатионыкальция,магния, железа, меди и другие ионы.

Транспортвеществчерезмембраныосуществляютбелки-Na⁺,К⁺-АТФаза(антинаправленный трансмембранныйпереносионовнатрияикалия),Са²⁺-АТФаза(выкачиваниеионовкальцияиз клетки),глюкозные транспортеры.

Резервнаяфункция

Вкачествепримерадепонированногобелкаможнопривестипроизводствоинакоплениев яйцеяичного альбумина.

Уживотныхичеловекатакихспециализированныхдепонет,нопридлительномголодании используются белкимышц, лимфоидныхорганов, эпителиальных тканейипечени.

Сократительнаяфункция

Существуетрядвнутриклеточныхбелков,предназначенныхдляизмененияформыклеткии движениясамой клетки илиееорганелл(тубулин,актин,миозин).

Защитнаяфункция

Защитнуюфункцию,предупреждаяинфекционныйпроцессисохраняяустойчивостьорганизма, выполняютиммуноглобулиныкрови, факторысистемыкомплемента(пропердин), при повреждениитканейработаютбелкисвертывающейсистемыкрови-например,фибриноген, протромбин, антигемофильный глобулин.Механическуюзащитув виде слизистыхи кожи осуществляют коллаген ипротеогликаны.

К даннойфункциитакжеможноотнести поддержание постоянстваколлоидно-осмотическогодавлениякрови, интерстицияивнутриклеточныхпространств,а такжеиныефункциибелков крови.

Белковаябуфернаясистемаучаствуетвподдержаниикислотно-щелочногосостояния.

Строениебелка

Белок–этопоследовательностьаминокислот,связанныхдругсдругомпептиднымисвязями.

Легкопредставить, что количествоаминокислот может быть различно: от минимума двухдо любыхразумныхвеличин.Биохимикиусловилисьсчитать,чтоесликоличествоаминокислотне превышает 10, то такое соединение называетсяпептид;если от 10 до 40аминокислот –полипептид, если более 40 аминокислот –белок.

Линейнаямолекулабелка,образующаясяприсоединенииаминокислотвцепьпри

помощипептидныхсвязей, являетсяпервичной структурой. Образно ее можно сравнить с обычнойнитьюнакоторуюнавешенодонесколькихсотенбусинокдвадцатиразличныхцветов (по числу аминокислот).

Строениеаминокислот,ихпоследовательностьисоотношениевпервичнойструктуре определяет дальнейшее поведение молекулы: ее способность изгибаться, сворачиваться, формироватьтеилииныесвязивнутрисебя.Формымолекулы,создаваемыеприсвертывании,последовательномогутприниматьвторичный,третичныйичетвертичныйуровеньорганизации.

Схематичное представление последовательности укладки белков в четвертичную структуру

Науровневторичнойструктурыбелковые"бусы"способныукладыватьсяв

видеспирали(подобнодвернойпружине)иввидескладчатого слоя,когда"бусы"уложенызмейкой и удаленные части "бус" оказываются рядом.

Укладка белка во вторичную структуруплавно переходит в формированиетретичной структуры.Третичнаяструктура-этоотдельныеглобулы,вкоторыхбелокуложенкомпактно,в виде трехмерного клубка.

Некоторые белковые глобулысуществуют ивыполняют свою функцию не поодиночке, а группамиподве,трииболеештук.Такиегруппыназываютсячетвертичнойструктуройбелка.

Объединениеаминокислотчерезпептидныесвязисоздаетлинейнуюполипептиднуюцепь, которая называетсяпервичной структурой белка

Учитывая,чтовсинтезебелковпринимаетучастие20аминокислотисреднийбелоксодержит 500аминокислотныхостатков,томожноговоритьоневообразимомколичествепотенциально возможныхбелков. В организме человека обнаружено около 100 тысячразличныхбелков.

Первичная структура белков, т.е. последовательность аминокислот в нем, программируется последовательностью нуклеотидов в ДНК. Выпадение, вставка, замена нуклеотида в ДНК приводиткизменениюаминокислотногосоставаи,следовательно,структурысинтезируемогобелка.

Участокбелковойцепидлинойв6аминокислот(Сер-Цис-Тир-Лей-Глу-Ала) Пептидные связи выделены желтым фоном, аминокислоты - рамкой.

Если изменение последовательности аминокислот носит не летальный характер, а приспособительныйилихотябынейтральный,тоновыйбелокможетпередатьсяпонаследству иостатьсяв популяции. В результатевозникают новые белкис похожимифункциями. Такое явление называетсяполиморфизмбелков.

Вторичнаяструктурабелка–этоспособукладкиполипептиднойцепивболеекомпактную структуру,прикоторойпроисходитвзаимодействиепептидныхгруппсобразованиеммежду ними водородных связей.

Формирование вторичной структуры вызвано стремлением пептида принять конформацию с наибольшимколичествомсвязеймеждупептиднымигруппами.Типвторичнойструктурызависит от устойчивости пептидной связи, подвижности связи между центральным атомом углерода и углеродом пептиднойгруппы, размером аминокислотного радикала. Все указанное вкупе с аминокислотной последовательностью впоследствии приведет к строго определенной конфигурации белка.

Выделяютдвавозможныхвариантавторичнойструктуры: ввиде"каната" –α-спираль(α-структура),иввиде"гармошки"–β-складчатый слой(β-структура).Водномбелке,какправило,одновременно присутствуют обе структуры, но в разном долевом соотношении. В глобулярных белках преобладает α-спираль, в фибриллярных – β-структура.

Вторичнаяструктураобразуетсятолькоприучастииводородныхсвязеймеждупептидными группами:атом кислорода одной группы реагирует с атомом водорода второй, одновременно кислород второй пептидной группы связывается с водородом третьей и т.д.

Участие водородных связей вформированиивторичнойструктуры

Укладкабелкаввидеα-спирали

α-Спираль

Даннаяструктураявляетсяправоза крученнойспиралью,образуетсяприпомощиводородныхсвязеймеждуп

ептиднымигруппами1-гои4-го,4-гои7-го,7-гои10-гоитакдалееаминокислотныхостатков.

Формированию спирали препятствуютпролинигидроксипролин,которые из-за своейциклическойструктурыобусловливают"перелом"цепи,т.е.ее принудительныйизгибкак,например, вколлагене.

Высотавиткаспиралисоставляет0,54нмисоответствуетвысоте3,6аминокислотныхостатков, 5 полныхвитков соответствуют 18 аминокислотам и занимают 2,7 нм.

β-Складчатыйслой

Вэтом способе укладки белковая молекулалежит "змейкой", удаленные отрезки цепи оказываются поблизости друг от друга. В результате пептидные группы ранее удаленных аминокислотбелковойцеписпособнывзаимодействоватьприпомощиводородныхсвязей.

Укладкабелкаввидеβ-складчатогослоя

Под направлением белковой цепи понимают направление от N-конца (N-концевойаминокислоты) к C-концу (С-концевой аминокислоте).

Ориентацияреагирующихучастковможетбытьпараллельна(когдасоседниецепиидутводном направлении)илиантипараллельна(цепиидутвпротивоположномнаправлении).Таких взаимодействующихдруг с другом участков одного белка может быть от двухдо пяти.

Третичнаяструктура–этоукладкаполипептиднойцепивглобулу("клубок").Четкойграницы междувторичной итретичнойструктурами провестинельзя, однаковосноветретичной структурылежатвзаимосвязимеждурадикаламиаминокислот,отстоящимидалекодруготдруга в цепи.Благодарятретичнойструктуре происходит еще более компактнаяукладка белковойцепи.

Схематичноепредставлениеукладкибелкавтретичнуюструктуру

Нарядус α-спиралью и β-структурой в третичной структуреобнаруживается так называемая неупорядоченная конформация, которая может занимать значительную часть молекулы. В разныхбелкахнаблюдаетсяразноесоотношениетиповструктур.Например,инсулинсодержит 52%α-спиралии6%β-структуры,трипсин–14%α-спиралии45%β-структуры.

Аминокислотыпринимаютучастиевформированиитретичнойструктуры,образуясвязисвоими функциональными группами (радикалами), например:

• водородные–междуНО-,СООН-,NH2-группамирадикаловаминокислот,

• дисульфидные–междуостаткамицистеина,

• гидрофобные–междуостаткамиалифатическихиароматическихаминокислот,

• ионные–междуСОО^–-группамиглутаматаиаспартатаиNH3⁺-группамилизинаиаргинина,

• псевдопептидные–междудополнительнымиСОО^–-группамиглутаматаиаспартатаи дополнительными NH3⁺-группами лизина и аргинина.

Еслибелкисостоятиздвухиболееполипептидныхцепей,связанныхмеждусобой нековалентными(не пептиднымии недисульфидными)связями,тоговорят, что они обладаютчетвертичной структурой.

Такиеагрегаты

стабилизируютсяводороднымисвязями,ионнымисвязямииэлектростатическимивзаимоде йствиями между остатками аминокислот, находящимися на поверхности глобулы.

Подобныебелкиназываютсяолигомерами,аихиндивидуальныецепи–

протомерами(мономерами,субъединицами).Еслибелкисодержат2протомера,тоони называются димерами, если 4, то тетрамерами и т.д.

Например,гемоглобин–белокэритроцитов,переносящий кислород, состоит из 4 гемсодержащих субъединиц – 2 α- субъединицыи2β-субъединицывгемоглобиневзрослых,2 α-субъединицы и 2 γ-субъединицы в фетальномгемоглобине.

Лактатдегидрогеназа–фермент,принимающийактивное

участиевокисленииглюкозывбескислородныхусловиях, такжевключает 4субъединицы–Н (heart)и М(muscle)в разных сочетаниях: Н4, Н3М1, Н2М2, Н1М3, М4., всего 5изоферментов.

Строениететрамерагемоглобинавзрослых

Креатинкиназа–фермент, участвующий врегенерацииАТФпримышечномсокращении, состоитиз2субъединиц–В(brain)иМ(muscle)вразныхсочетаниях:ВВ,ВМ,ММ.Всего3изофермента.

Взаимодействиепротомеровдругсдругомосуществляетсяпопринципукомплементарности, т.е. их поверхностьподходит другдругу по геометрическойформе и пофункциональным группам аминокислот (возникновение ионных и водородныхсвязей).

Так как субъединицы в олигомерах очень тесно взаимодействуют между собой, то любое изменение конформации какой-либо одной субъединицыобязательновлечет за собой изменение других субъединиц. Этот эффект называетсякооперативное взаимодействие.

Например, в легкиху гемоглобина кооперативное взаимодействие субъединицв 300 раз ускоряетприсоединениекислородакгемоглобину.Втканяхотдачакислородатакжеускоряется в 300 раз.

Схемакооперативноговзаимодействиясубъединицвгемоглобине

Классификацияпофункции

Всоответствиисбиологическимифункциямивыделяют:

• структурныебелки (коллаген,кератин),

• ферментативные(пепсин,амилаза),

• транспортные(трансферрин,альбумин,гемоглобин),

• резервно-пищевые(белки яицизлаков),

• сократительныеидвигательные(актин,миозин,тубулин),

• защитные(иммуноглобулины,тромбин,фибриноген),

• регуляторные(соматотропныйгормон,адренокортикотропныйгормон,инсулин).

Классификацияпостроению

Взависимостиотформымолекулывыделяютглобулярныеи фибриллярные белки. Вглобулярныхбелкахсоотношение продольной и поперечной осей составляет менее 10 и в большинстве случаев не более 3-4. Эти белки характеризуются компактной трехмерной укладкой полипептидных цепей.

Например:инсулин,альбумин,глобулиныплазмыкрови.

Фибриллярные белкиимеют соотношение осей более 10. Они состоят из пучков полипептидныхцепей,спиральюнавитыхдругнадругаисвязанныемеждусобойпоперечными ковалентными и водородными связями. Выполняют защитную и структурную функции.

Например:кератин,миозин,коллаген.

Поколичествубелковыхцепейводноймолекулевыделяютмономерныебелки,которые имеют однусубъединицу(протомер) иполимерныебелки, имеющие несколько субъединиц. Например, кмономернымбелкам относятсяальбумины, миоглобин,

кполимерным-гемоглобин(4субъединицы), ферментылактатдегидрогеназаи

креатинкиназа(4и2субъединицы,соответственно),гексокиназа(2субъединицы).Субъединицы вбелкемогут бытькак одинакового,так и различногостроения.

Естьиболеекрупные белки.КнимотносятсяРНК-полимеразаE.coli–5цепей,аспартаткарбамоилтрансфераза – 12 протомеров, глутаминсинтетаза– 12

протомеров,пируватдегидрогеназа–72белковыхцепи.

Похимическомусоставувсебелкиподразделяютнапростыеисложные.Простыебелки содержат вструктуре толькоаминокислоты(альбумины,глобулины,гистоны, протамины).

Сложныебелки,кромеаминокислот,имеютнебелковыекомпоненты:

• нуклеопротеины,

• фосфопротеины,

• металлопротеины,

• липопротеины,

• хромопротеины,

• гликопротеины.

Фолдингбелков

Фолдинг –это процесс укладки вытянутойполипептидной цепи вправильную трехмерную пространственнуюструктуру.Дляобеспеченияфолдингаиспользуетсягруппавспомогательных белковподназваниемшапероны(chaperon,франц.–спутник,нянька).Онипредотвращают взаимодействие новосинтезированныхбелков друг с другом, изолируют гидрофобные участки белков от цитоплазмы и"убирают" ихвнутрь молекулы, правильно располагают белковыедомены.

Вцеломшапероныспособствуютпереходуструктурыбелковотпервичногоуровнядо третичного и четвертичного.

Принарушениифункциишапероновивотсутствиифолдингавклеткеформируютсябелковые отложения– развиваетсяамилоидоз. Насчитывают около 15 вариантов амилоидоза.

Чтобывыделитьбелкиизраствораилиразделитьбелкипофизико-химическимсвойствам достаточно удалить один или оба фактора, обеспечивающих ихрастворимость -

зарядигидратную оболочку.Таккакрастворимостьбелковзависит толькоот них,то исчезновение одного или обоихэтихфакторов ведет к полному или частичномуосаждению белкаи,конечно,кпотереегофункций.Некоторыеспособыосажденияпозволяютвпоследствии восстановить нативные свойства и работоспособность белков.

Обратимость осаждения белков обусловленасохранениемпервичной структуры белка. Восстановлениефизико-химическихибиологическихсвойствбелканазываетсяренативация (ренатурация). Иногда дляренативации достаточно просто удалить повреждающий агент.

Денатурация

Денатурация – необратимое осаждение белка из-за разрыва связей, стабилизирующих четвертичную,третичную, вторичную структуры белка, сопровождаемое изменениемрастворимости,вязкости, химическойактивности, снижением илиполной потерей биологической функции.

1. Физическаяденатурация

Вызываетсяповышениемтемпературы, ультрафиолетовыми микроволновымизлучением, механическими воздействиями, ионизацией заряженными частицами.

2. Химическаяденатурация

Зависитотприродыденатурирующегореагента:

• кислотыищелочиобразуютводородныесвязиспептиднымигруппами,

• органическиерастворители образуютводородныесвязи и вызываютдегидратацию,

• алкалоидыобразуютсвязисполярнымигруппамииразрываютсистемуводородныхи ионныхсвязей,

• тяжелыеметаллывзаимодействуютсзаряженнымирадикалами,нейтрализуют отрицательные заряды и разрывают систему водородных и ионных связей.