Белки и аминокислоты
.docxБелки и аминокислоты
6 октября 2025 г.
17:05
Аминокислоты - гетерофункциональные соединения, содердащие карбоксильную и аминогруппу. Известно около 500 аминокислот, в клетке обнаружено около 300 аминокислот. Протеиногенные аминокислоты - соединения, включающиеся в состав белка в ходе биосинтеза на основе информации с матричной РНК. Аминокислоты состоят из универсальной части (карбоксильная и аминогруппа, соединенная с a-углеродом), и радикала (-R), определяющего свойства.
a-углерод - хиральный центры (заместители образуют углы тетраэдра). За счет этого образуются энантиомеры. Обладают оптической активностью. Рецепция в организме стереоспецифична. Аминокислоты в белках - исключительно L-изомеры. Оксидаза и некоторые дезаминазы разрушают D-формы.
D-Аминокислотные остатки были обнаружены лишь в нескольких небольших пептидах, в частности в составе клеточной стенки бактерий и в некоторых пептидных антибиотиках.
Аминокислоты имеют тривиальное название, трехбуквенное и однобуквенное назначение. Причина использования однобуквенных: оптимизация хранения информации [на перфокартах].
Формирование однобуквенных обозначений (Маргарет Дейхофф):
CHIMSV - однозначно определяет только эти аминокислоты, первая буква
AGLPT - используют для обозначения той аминокислоты, которая чаще встречается в белках
RFYW - фонетическое созвучие
DNEQ - созвучна названиям
K - ближе всех расположена к L
Десмозин - производное четырех остатков лизина.
Селеноцистеин и пирролизин - встаиваются в белок благодаря адаптации генетического кода. Орнитин и цитруллин - интермедиаты в синтезе аргинина в цикле мочевины
КЛАССИФИКАЦИЯ И СВОЙСТВА
По химической природе радикала
Алифатические
Глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин
Гидроксиаминокислоты
Серин, треонин
Серосодержащие
Цистеин, метионин
Диаминомонокарбоновые кислоты
Лизин, аргинин
Моноаминодикарбоновые кислоты
Глутаминовая и аспарагиновая кислота
Амиды дикарбоновых кислот
Глутамин и аспаргин
Ароматические
Фенилаланин, триптофан, тирозин, гистидин
Имин
Пролин
Биологическая классификация
Заменимые - способны синтезироваться в организме самостоятельно
Незаменимые - поступают с пищей.
Валин Лейцин Изолейцин
Треонин Метионин Лизин Фенилаланин Триптофан *условно заменимые - тирозин и цистеин.Используют незаменимые аминокислоты для синтеза. **частично заменимые - синтезируются в недостаточном количестве. Аргини и гистидин
По полярности радикала
Неполярные (гидрофобные)
Глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, пролин
Полярный незаряженный радикалы содержат электроотрицательный этом, соединенный с углеродом или с водородом, что способствует образованию полярных связей, гидрофильности за счет образования водородных связей. В основном находятся на поверхности белка и взаимодейстсвуют с физиологическим растворителем
Серин, треонин, цистеин, аспарагин, глутамин
Полярный положительно заряженный
Лизин, аргинин, гистидин
Полярный отрицательно заряженный
Аспаргиновая, глутаминовая к-та
Ароматические
Фенилаланин, тирозин, триптофан
Глицин - характеризуется очень маленьким размером из-за крошечного радикала. Метионин - источник метильных групп в разных синтезах: холин, адреналин и др. Инициаторная аминокислота при трансляции. Рзарушается при обработке бромцианом. Приемущественно скапливается в середине белка.
Пролин - пирриольное кольцо, НЕ аромитичен. Гидрофобная, компактная группировка, жесткая конформация. Отвечает за характер укладки цепи в пространстве. Поворот из-за положения аминогруппы.
Фенильный радикал фенилаланина - сильно гидрофобен.
Гидроксифенильный радикал тирозина и индольный радикал триптофана - более полярны чем фенилаланин, более гидрофильны (ни то ни сё) Гидроксильная группа тирозина - образование водородных связей и члабая кислотность.
Все ароматические радикалы соеденены через метильную группу, обеспечивая вращения радикала. Стекинг-взаимодействие.
Цистеин образует дисульфидные мостики. Связанные таким образом молекулы сильно гидрофобны. SH-группа слабокислая, образует комплексы с металлами. Оксиление цистеина - димер ЦИСТИН.
Лизин и аргинин несут азот в форме, протонированной в физиологических условиях. Внутримолекулярные и межмолекулярные ионные и водородные связи. Аргинин - одно из самых основных оснований в биологических организмах. Гистилин - единственная аминокислота, имеющая буфер при физиологгическом pH
Глутаминовая и аспаргиновая кислота - средней силы. Сильнее чем уксус, слабее чем альфа-атом. В физиологических условиях депротонированы.
В серине и треонине OH-группа может образовывать эфирные связи с фосфорной кислотой и прикреплять остатки сахаров и О-гликопротеинов.
Азот аспаргина присоединяет остатки сахаров при оборазовании N-гликопротеинов
Миноаминодикарбоновые кислоты и их амиды образуют меж и внутримолекулярные ионные и водорродные связи.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Уравнение Гендерсона-Хассельбаха
В твердом состоянии (порошок) аминокислоты имеют обычную молекулярную, незаряженную форму. Попадая в раствор с pH = 7.0, они приобретают форму цвиттер-иона, который является и донором, и акцептором ионов. По мере изменения pH раствора аминокислота будет протонироваться или депротонироваться. Этому влиянию поджвергаются амино- и карбоксильная группа, а так же радикалы некоторых аминокислот. От этого меняется заряд молекулы.
Изоэлектрическая точка - значение pH,при котором аминокислота имеет суммарный заряд 0. Неизменна при любых условиях и уникальна для каждой аминокислоты.
ПОРЯДОК ОПРЕДЕЛЕНИЯ 1) Рисуем шкалу pH 2) Помещааем на нее все доступные pKa1 pKa2 pKar 3) Начиная отсчет от pH = 1 начинаем считать заряд 4) Находим промежуток, где заряд = 0 5) Подставляем значения pKa интервала в формулу 6) Считаем
Если pKa > pH то молекула ПРОТОНИРОВАНА Если pKa < pH то молекула ДЕПРОТОНИРОВАНА
*в пептидах части молекулы, учавствующие в образовании пептидной связи, не могут иметь заряд!
ПЕПТИДЫ
Пептиды - химические вещества, состоящие из аминокислот, соединенных пептидной связью.
Белки - биологические вещества, состоящие из альфа-аминокислот, содиненных полипептидной связью и выполняющих определенные функции в живых организмах. Свойства белка обусловленны набором аминокислот в его составе.
Конформация белка - это все структурные формы, которые может принимать белок в пространстве без разрыва ковалентных связей. Реализуются конформации с минимальной свободной энергией Гиббса. Нативный блок - белок, находящийся в функциональной конформации.
Стабильность белка - способность сохранять нативную конформацию.
Конфигурация белка - такое положение атомов, которое можно изменить только путем разрыва кованлентных связей. Лиганд - вещество, обратимо связывающееся с белковой молекулой. Центр связывания - место связывнаия белка. Взаимодействие специфическое. Индуцированное соотвесттвие - структурные перестройки, которыми сопровождается взаимодействие белка и лигнада.
Развернутый белок характеризуется высокой конформационной энтропией (т.к может принимать много конформаций).
Этропия + водородные связи между пептидом и растворителем = создают силу, удерживающую белок в развернутом состоянии. Этим силам противостят дисульфидные связи и слабые (нековалентные) взаимодействия и силы: водородные связи, гидрофобный эффект и ионные взаимодействия.
Во многих белках дисульфидных связей нет. Среда внутри большинства клеток имеет высокий восстановительный потенциал из-за высокого содержания восстановителей, таких как глутатион, поэтому бóльшая часть SH-групп находится в восстановленном состоянии.
Пространственная структура белкастабилизирована множеством слабых взаимодействий. Основной вклад вносит гидрофобный
эффект, возникающий из-за повышения энтропии водного окружения при образовании кластеров неполярных молекул (а так же ван-дер-вальсовы взаимодействия).
Термодинамически наиболее устойчивые структуры характеризуются оптимальной организацией водородных связей и ионных взаимодействий.
Первичная структура белка - конфигурация полипептидной цепи, включающая в себя аминокислотную последовательность и локализацию дисульфидных мостиков.
Генетически детерминирована
Стабильность обусловлена пептидной связью
Относительная редкость повторяющихся фрагментов в полипептидах
Детерминирует последующие уровни организации
Белок может быть построен из нескольких полипептидных цепей (мультисубъединичный). Субъединица - отдельная полипептидная цепь олигомерного (мультисубъединичного) белка. Идентичные субъединицы в составе белка - протомеры. Белок как минимум из двух цепей - олигомерный
Пептидная связь
Образуется путем конденсации двух аминокислот. Частный случай амидной связи Имеет сопряженную систему пи-электронов.
Двойная связь пи-электронной пары С=О и неподеленная электронная пара азота образуют пи-электронную пару. Из-за сопряжения образуются резонансные структуры и полуторная связь между углеродом и азотом. В итоге связи C-N не способны вращаться, связи с альфа-углеродами к вращению способны.
Связь планарна - все связи лежат в одной плоскости (из-за невозможности вращения)
Транпланарность - атом кислорода карбонильной группы и атом водорода иминогруппы находятся в транс-конфигурации относительно пептидной связи
Жесткость пептидной связи ограничивает число конформаций. Возможность этих изменений описывается торсионными углами. Торсионный угол выражает угол между плоскостями. При некоторых углах атомы в составе молекулы просто будут сталкиваться друг с другом.
Угол j - углерод и азот
Угол y - Углерод и углерод.
Угол ω - угол полуторной связи, равен 180 градусам.
Карты Рамчандрана - карта на основе торсионных углов, описывающая возможные конформации полипептидов.
Возможны только те конформации, где есть стерические напряжения и нет воздействия сил Ван-дер-Вальса Однако изучение конформаций полипептидов показало что в некоторых случаях наблюдается искажение планарной формы отдельных пептидных звеньев (так называемая «пирамидальность») в пределах ±15°. Например, в кристаллической структуре гидрохлорида глицил-L-аланина отклонение от плоскости составляет +10,2º, а для глицил-L-лейцина -11,4º.
Этапы исследования первичной структуры белка:
Выделение белка в чистом виде и определение его молекулярной массы
Определение аминокислотного состава
Определение N-конца
Определение С-кона
Определение аминокислотной последовательности
ОПРЕДЕЛЕНИЕ N-конца
Дансихлорный метод
Метод Эдмана
Метод Сенгера
ОПРЕДЕЛЕНИЕ С-КОНЦА
Гидразиновый метод (Акабори)
Боргидрид натрия
РАСЩЕПЛЕНИЕ ПОЛИПЕПТИДА
Разрыв дисульфиных связей
Ферментативный способ. Протеазы, эндопептидазы Протеазы гидролизируют полипептид в строго определенном положении. Например, только после ароматических аминокислот.
Химический способ расщепление. Метианин - бромциан.
ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКА
<…> - расположение атомов главной цепи в пространстве. Организация аминокислот! В белках правозакрученная. Образуется и удердивается за счет водородных связей между электроотрицательными атомами кислорода карбонильных групп и атомами водорода иминогрупп пептидных группировок.
Регулярная вторичная структура образуется только тогда, когда величины торсионных углов (j и y) остаются постоянными или почти постоянными на протяжении определенного участка цепи.
Принимает форму альфа-спиралей и бета-структуры.
АЛЬФА-СПИРАЛЬ
Характеризуется простотой за счет макисмального использования водородных связей внутри структуры.
Угол подъема - 26 градусов Торсионные углы: y= -47 j = -57. Возможны некоторые отклонения, что определяет изгибы в структуре.
a-спираль может образовываться как из L-, так и из D-аминокислоты, но все остатки должны представлять собой стереоизомеры одного и того же ряда.
Водородная связи = п + 4 аминокислотных остатка. Атом кислорода карбонильной группа образует водородную связь с атомом водорода иминогруппы 5 аминоксилотного остатка.
Аминокислоты, дестабилизирующие спираль:
Glu, Lys Arg (несколько аминокислот на участке, pH = 7) - отталкиваются, т.к заряженные
Asn, Ser, Thr и Сys - дестабилизация из-за размера и формы
Ile
Gly - слишком высокая конформационаня подвижность (образует другие спиралевидные полимеры)
Pro - не имеет атом водорода, из-за жесткой структуры нарушает конформацию
БЕТА-СТРУКТУРА
Структура, образованная за счет образования водородных связей междлу соседними цепями, а не внутри одной. Зигзагообразные структуры формируются межцепочными водородными связями.
Бывают:
параллельные y = +113 j = -119
антипараллельные. y = +135 j - 139
β-повороты - непостоянные структуры, возникающие в глобулярных белках и связывающие соседние участник антипараллельного бета-слоя.
Представляет собой повернутую на 180° петлю, в которой задействовано четыре аминокислотных остатка, где кислород карбонильной группы первого остатка образует водородную связь с водородом аминогруппы четвертого остатка.
Часто в этих структурах встречаются остатки Gly и Pro: первый благодаря своему малому размеру и гибкости, а второй благодаря способности пептидной связи с участием азота иминогруппы пролина принимать цис-конфигурацию, которая особенно предрасположена к образованию ста.бильного поворота
Супервторичная структура укладки бета-структур
Ортогональный
Продольный
Шпилька
"Шестилопастный пропеллер"
a-КЕРАТИН
Фибриллярный белок. Семейство промежуточных филаментов. Полипептидная цепь образует альфа-спираль.
Суперскрученная спираль - две параллельно ориентированные нити кератина (т. е. с N-концами с одной и той же стороны) закручиваются одна вокруг другой, образуя суперскрученную спирализованную спираль. Закручена влево.
Поверхности соприкосновения состоят из гидрофобных аминокислотных остатков (Ala, Val, Leu, Ile, Met и Phe), а их R-группы сцеплены друг с другом
КОЛЛАГЕН
Полипептидная цепь образует левую спираль (3 аминолкислтных остатка). Три левые спирали = правая суперспираль.
35% Gly, 11% Ala, а также 21% Pro и 4-Hyp (4-гидроксипролин)
Стандартный паттерн:
Gly–X–Y, где часто: X — пролин (Pro), а Y — 4-гидроксипролин (Hyp) [образуется в процессе посттранясляционной модицифкации, пролил-4-гидроксилаза, сожержит Fe2+ требует аскорбиновую кислоту и кетоглутарат]
Gly может поместиться в узкую щель между отдельными альфа-цепями
Pro и 4-Hyp обеспечивают крутой поворот спирали коллагена
Лизин часто гидроксилирован по 5-положению (место присоединения углеводов в процессе гликозилирования под действием галактоз- и глюкотрансферазы)
Нити коллагена представляют собой над-молекулярные структуры, состоящие из тройных спиралей коллагена (иногда называемых тропо-
коллагеном), связанных между собой различным образом, что приводит к образованию структур с высокой прочностью.
Связывание альфа-цепей коллагена и коллагеновых фибрилл между собой происходит за счет необычной ковалентной сшивки с участием остатков Lys, HyLys (5-ги- дроксилизина, см. рис. 3-8, а) или His, время от времени встречающихся в позициях X либо Y трипептидного звена коллагена.
По мере старения организма в фибриллах коллагена появляется больше поперечных сшивок.
Gly имеет ключевое значение, его замена приводит к нарушению структуры белка.
ФИБРОИН ШЕЛКА
Антипараллельный складчатый лист. Радикалы вертикально ориентированы вверх и вниз. Повторяющийся участок: Gly-Ala-Gly-Ala-Gly-Ser. Cпособствует плотной упаковке бета-слоев и взаимному проникновению их R-групп.
Шелк не растягивается, поскольку полипептид-
ные цепи в бета-конформации и так максимально вытянуты. Однако подобная структура довольно гибкая, поскольку слои удерживаются вместе не ковалентными связями, такими как дисульфидные связи в альфа-кератинах, а множеством слабых взаимодействий.
СУПЕРВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКА
Мотив - устойчивое, узнаваемое взаимное расположение одного или нескольких элементов вторичной структуры, Эволюционно консервативны. Их наличие связано с выполнением определенных функций.
a-мотивы
Спираль-поврот спираль Пример: ДНК-связывающие белки, регулирующие экспрессию генов (за счет формы связывается с большой бороздкой ДНК)
Спираль-петля-спираль Пример: кальмодулин, тропопнин С
Лейциновая молния (застежка) - лейцин в каждом 8 положении альфа-спирали, из-за чего все остатки лейцина оказываются на одной стороне, делая ее гидрофобной. Образует димеры, соединенные "застежкой". Пример: ДНК-связывающие факторы транскрипции
a-β-мотивы
Цинковые пальцы - мотив, стабилизированный ионом цинка, связывающим 2 гистидины и 2 цистеина (или 4 цистеина) Примеры: ДНК-связывающие факторы транскрипции, рецепторы стероидных гормонов
β -β-мотивы
β-бочонок (порины) - бета-лист, состоящий из тандемных поворотов. Первая цепь связана с последней водородной связью. Бывает ортагональный и продольный или бета-сендвич (зависит от силы поворота листов друг относительно друга). 4 соседних тяжа антипараллельны, первый и последний тяж связан водородными связями Пример: трансмембранные белки, в частности порины, ретинол-связывающий белок
Бета-шпилька (бета-лента, бета-бета единица) - две бета-нити, похожие на шпильку
Бета-пропеллер - 4-8 высокосимметричных бета-листа в виде тороида вокруг оси, похожи на воронку
Структурная классификация белков на основе мотивов
Полностью a Примеры: цитохром с, сывороточный альбумин человека в комплексе с пальмитиновой кислотой и диклофенаком
a + Β - участки с альфа и бета структурами разделены. Бета-слои расположены антипараллельно. Пример: панкреатическая рибонуклеаза
a\Β - участки рассеяны по по последовательности или чередуются Пример: алкогольдигидрогеназа человека, фосфофруктокиназа мышц Циллиндр - триозофосфатизомераза Россмана - надсвязывающий домен маладегидрогеназы
ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКА
<…> - общая организация всех атомов белка в пространстве. Основа функциональности белка. Факторы стабилизации: слабые взаимодействия (водородные, гидрофобные, ионные) и ковалентные дисульфидные связи.
Домен - относительно стабильная и независимая область третичной структуры белка, обладающая определенной автономностью. Формируется элементами супервторичной структуры. Характерны для белков с массой больше 15 кДа.
Белок может иметь несколько доменов
При расщеплении белка домен сохраняет свою нативную конформацию, например, при протеолизе. Пример доменного белка: пируваткиназа
Нуклеотид-связывающий домен (β)
Субстрат-связывающий домен (a\Β)
Регуляторный домен (a\Β)
МИОГЛОБИН Молекулярная масса: 16,7 кДа Одна полипептидная цепь (8 альфа-спиралей разной длины, от 7 до 23 остатков), 153 аминокислотных остатка [гидрофобные радикалы обращены внутрь, образуя ядро, защищающее гем от окисления, полярные - наружу в гидративном состоянии], гем - комплекс железа-2 с протопарафином, форма глобулы.
3 из 4 остатков пролина на изгибах, 4 - формирует петлю внутри спирали, обеспечивает плотную упаковку
4 координационные связи железа параллельны кольцам. Одна из связей, препендикулярных парафиновому кольцу, занята атомами азота остатка His, вторая нужна для связывания кислорода.
ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКА <.…> - способ укладки в пространстве отдельных полипептидных цепей (субъединиц) различной структуры, формирующих единый структурно-функциональный комплекс. Результат объединения субъединиц. Факторы стабилизации: слабые взаимодействия (водородные, гидрофобные, ионные). Субъединицы в составе белка имеют контактные поверхности, строго комплиментарные друг другу.
ЛАКТАТДЕГИДРОГЕНАЗА Восстанавливает пировиноградную кислоту до лактата. Тетрамер - имеет 4 субъединицы (Н и М). Изоферменты ЛДГ - комбинации разных субъединиц.
ЛДГ1 - Н4 ЛДГ2 - Н3М - преобладают в сердечной ткани
ЛДГ4 М3Н ЛДГ5 - преобладает в скелетной мышце
ГЕМОГЛОБИН Молекулярная масса 64,5 кДа. Состоит из 4 суьъединиц, включающих гем типа b. HbA состоит из двух a и двух β цепей (!!! Название не связано со вторичной структурой!!!). Цепи обозначаются от А до Н Факторы стабилизации: водородные, гидрофобные и ИОННЫЕ взаимодействия - солевые мостики.
Солевой мостик - это ионная связь между COO- группами аспарагиновой или глутаминовой кислоты и NH3+ группами лизина или аргинина, по длине не превышающая 3.5 ангстрема.