biopolimery (1)

и жесткой: она обладает цис- и транс-конфигурацией относительно -

углеродных атомов, расположенных по обе стороны этой связи. Однако транс-

конфигурация предпочтительна, т.к. она менее стерически затруднена R-

группами.

Первичная структура предопределяет различные виды специфичности:

видовую, индивидуальную (поверхностные гликопротеиды мембран),

групповую (гликопротеиды стенки эритроцитов, система АВО).

In vitro белки гидролизуются в 6 м. НС1 при 100 оС в течение 20 и более часов в отсутствие воздуха.

In vivo белки гидролизуются под действием ферментов – пептидаз до АК.

Это имеет определенное значение, т.к. белки усваиваются в виде АК.

Известны три вида вторичной структуры пептидных цепей: -спираль, -

структура (складчатый лист), и статистический (беспорядочный) клубок.

В -спирали NH2-группа данного аминокислотного остатка взаимодействует с СО-группой четвертого от нее остатка. В результате полипептидная цепь образует спираль, на каждый виток которой приходится

3.6 остатка АК.

-спираль характеризуется:

1.-Спираль стабилизируется водородными связями между атомами водорода, присоединенными к атому азота пептидной группы и карбонильным кислородом остатка, отстоящего от данного вдоль цепи на четыре позиции.

2.В образовании водородной связи участвуют все пептидные группы. Это обеспечивает максимальную стабильность -спирали.

3.В образование водородных связей вовлечены все атомы N и О пептидных групп, что в значительной мере снижает гидрофильность -

спиральных областей.

4. -Спираль образуется самопроизвольно и является наиболее устойчивой конформацией полипептидной цепи, отвечающей минимуму свободной энергии.

59

5. В цепи L-аминокислот правая спираль, обычно обнаруживаемая в белках, намного стабильнее левой.

Содержание -спирали в глобулярных белках – от 75% в глобинах до значения, близкого к нулю в иммуноглобулине.

Вфибриллярных белках, например, кератине, может происходить дополнительное скручивание нескольких -спиралей, расположенных параллельно (суперспирализация). Развертывание -спиралей в неупорядоченный клубок происходит обычно скачкообразно.

В-структуре («складчатом листе») пептидные цепи располагаются параллельно друг другу в один слой, образуя фигуру, подобную «складчатому листу». Слой может быть образован двумя или большим количеством пептидных цепей. Смежные цепи ориентированы N-концами в противоположные стороны (параллельно и антипараллельно). Во многих белках (химотрипсин, иммуноглобулины) такие протяженные листы, нередко изогнутые или скрученные, пронизывают белковую глобулу, составляя основу

еепространственной структуры (супервторичная структура).

-Структура встречается и в фибриллярных белках ( -кератин).

межцепочные водородные связи

-Изгиб обеспечивает поворот пептидной цепи на угол 180о на протяжении отрезка, содержащего четыре аминокислотных остатка, из которых

1-й и 4-й соединены водородной связью. Аминокислоты, расположенные в -

изгибе, нередко функционально важны: они входят, в частности, в состав детерминированных групп, определяющих иммунные реакции белков.

60

Наиболее точные сведения о -структуре дает рентгеноструктурный анализ. Для оценки содержания упорядоченных структур, ее видов в растворах белков используют и оптические методы:

1.дисперсию оптического вращения

2.круговой дихроизм.

Содержание -спиралей и -структур в разных белках неодинаково. Не

вся пептидная цепь может быть уложена в -спирали и -структуры.

Некоторые участки не имеют какой-либо организации, их обозначают как статистический или беспорядочный клубок. Спирали и складчатый слой представляют собой жесткие структуры.

Третичная структура белка – способ укладки полипептидной цепи в

пространстве. По форме третичной структуры белки делятся на:

3.-структуры и статистический клубок

4.100% статистический клубок

При образовании третичной структуры полипептидная цепь изгибается в трехмерном пространстве. Она изгибается («ломается») в слабых точках, где находятся пролин и оксопролин, т.к. эти АК более подвижны в цепи, образуя

61

только одну водородную связь с другими пептидными группами. Другим местом изгиба является глицин, у которого вместо R – атом водорода. Поэтому

R-группы других АК стремятся занять свободное пространство в месте нахождения глицина. При укладке полипептидная цепь белка стремится принять энергетически выгодную форму, характеризующуюся минимумом свободной энергии. Неполярные R-АК погружаются вовнутрь и связываются гидрофобными взаимодействиями. Полярные R-АК располагаются на поверхности глобулы, взаимодействуют с водой, что приводит к образованию гидратной оболочки на поверхности. Ионизированные функциональные группы определяют заряд белковой молекулы.

Заряд и гидратная оболочка – это факторы устойчивости белка в растворе. Характер пространственной укладки определяется аминокислотным составом и определенным их чередованием в первичной структуре.

Основную роль в образовании глобулы играют слабые нековалентные связи (гидрофобные, водородные, ионные). Из них наиболее значимые гидрофобные. К ковалентным связям относятся дисульфидные связи (-S-S-)

между пространственно сближенными двумя остатками цистеина,

находящимися в разных участках полипептидной цепи.

62

C

CH2

пептид-HN - CH - C O

Между полярными незаряженными (серин и аспарагин) АК образуется водородная связь

Белковая глобула не является абсолютно жесткой структурой: в

известных пределах возможны обратимые перемещения частей полипептидной цепи относительно друг друга, с разрывом слабых связей и образованием новых. Многие глобулярные белки в норме претерпевают конформационные изменения при выполнении ими биологических функций. У белков в третичной структуре формируется активный центр или центр связывания с лигандами.

Лигандом может быть как низкомолекулярное вещество, так и макромолекула,

в том числе и другой белок. Связи между белком и лигандом могут быть ковалентными и нековалентными. На молекуле белка может быть один, два и больше активных центров, имеющих одинаковую или разную специфичность.

Например, каждый протомер гемоглобина имеет три центра для связывания с тремя другими протомерами и один центр для связывания с гемом.

Часто в третичной структуре удается выделить более или менее автономные области – домены. Устройство доменных белков легко понять из такого сравнения: если конец нити смотать в клубок, а затем не обрывая нить начать новый клубок, то получится два клубка (домена), соединенных нитью.

По функциональным свойствам доменные белки подобны олигомерам.

Коллаген – фибриллярный, волокнистый нерастворимый в воде белок.

Вместе с другими компонентами он образует коллагеновые волокна,

составляющие основу соединительной ткани. Полипептид, лежащий в основе коллагена, называется тропоколлаген и содержит в своем составе до 30%

63

глицина, 20% пролина, 4% аланина и в небольшом количестве оксипролин и оксилизин. Единичная полипептидная цепь включает примерно 1000 АК и имеет форму спирали. Три параллельно вытянутые единичные спирали скручиваются в суперспираль, стабилизируются водородными связями. Внутрь погружены только атомы Н от глицина, а остальные R вывернуты наружу.

Поэтому он нерастворим. Ступенчато уложенные в длину тропоколлагеновые единицы образуют коллагеновое волокно, т.е. наблюдается межфибриллярное взаимодействие.

Четвертичная структура. Олигомерными называют белки, содержащие

две или большее число полипептидных цепей. Одни из них имеют две цепи,

другие могут состоять из десятков цепей. Полипептидные цепи в олигомерных белках могут быть либо одинаковыми, либо разными. Каждая из полипептидных цепей, образующая субъединицу, характеризуется своей вторичной и третичной структурой.

Под четвертичной структурой понимают расположение полипептидных цепей, входящих в состав субъединиц относительно друг друга, т.е. способ их

совместной укладки с образованием нативной конформации олигомерного белка. Например, гемоглобин содержит четыре субъединицы. Способ укладки в пространстве 1 1 и 2 2 цепей установлен рентгеноструктурным анализом.

Белок, выполняющий определенную функцию в клетке, может быть

представлен несколькими формами – изобелками, например, в эритроцитах человека обнаружено 3 формы гемоглобина (Нв).

Доля от общего Нв (%)

Общим для всех гемоглобинов является наличие -протомеров и одинаковая функция – перенос О2. При этом Нв F имеет большее сродство к О2,

чем Нв А и может отнимать кислород от Нв А.

64

Физико-химические свойства белков Ионизация. Растворимость. Радикалы лизина, аргинина, гистидина,

аспартата и глутамата содержат группы, способные к ионизации. На концах полипептидной цепи имеются свободные NH3+ и СОО—группы. Ионогенных групп в молекуле белка может быть 15-20 на 100 АК-остатков. В совокупности ионогенные группы определяют заряд белка. При определенном значении рН число положительно и отрицательно заряженных групп становится одинаковым: такое состояние называется изоэлектрическим (суммарный заряд равен нулю). Значение рН, при котором белок находится в изоэлектрическом состоянии, называется изоэлектрической точкой (ИЭТ).

ИЭТ для нейтральных белков лежит в слабокислой среде для кислых – в кислой среде для щелочных – в щелочной среде.

В изоэлектрическом состоянии растворимость белков снижена, т.к.

отсутствует электростатическое отталкивание между молекулами, они склонны образовывать крупные агрегаты и выпадают в осадок.

Растворимость белков зависит от свойств белков и свойств и природы растворителя:

1) свойства белка:

а) в зависимости от молекулярной массы (М(х))

Например, альбумины имеют небольшую М(х) и хорошо растворимы в воде. Полифункциональные глобулины с большей М(х) трудно растворимы в воде, но растворимы в слабосолевых растворах.

б) от формы белка Глобулярные белки отличаются шарообразной формой – хорошо

растворимы в воде и слабосолевых растворах. Хорошая растворимость объясняется локализацией на поверхности заряженных АК-остатков,

окруженных гидратной оболочкой.

К этой группе относятся все ферменты, гормоны, альбумины, глобулины.

65

Фибриллярные белки имеют нитевидную форму (коллаген, фиброин, - и

-кератины) нерастворимы в воде.

в) суммарного заряда белка г) наличия гидратной оболочки.

2) свойства растворов:

а) от природы растворителя:

В полярных – воде – растворимы, в органических растворителях – выпадают в осадок, денатурируют.

б) от рН раствора В изоэлектрическом состоянии белки менее устойчивы, т.к. в рН < 7.36

нейтрализуются отрицательные ионизированные группы, а при рН > 7.36

нейтрализуются положительные группы АК. Незаряженные частицы белка могут слипаться друг с другом.

в) от наличия в растворе солей В слабосолевых растворах (с низкой ионной силой) белки хорошо

растворимы, т.к. заряд незначительно нейтрализуется и белки отталкиваются друг от друга. При высоких концентрациях нейтральных солей [NaCl, (NH4)2SO4] белки выпадают в осадок – высаливаются. При высокой ионной силе ионы конкурируют с белками за молекулы воды и нейтрализуют заряд белков. Для высаливания разных белков требуются разные соли. Этим способом можно фракционировать белки. После удаления соли (например,

путем диализа) белок вновь растворяется: при этом сохраняются его нативные свойства. Высаливание процесс обратимый.

Денатурация - необратимое разрушение нативной структуры белка.

Первичная структура при денатурации сохраняется. У денатурированных белков снижается растворимость, а главное, исчезает биологическая активность.

Денатурация белков происходит при:

нагревании до 60оС и выше;

механическом воздействии;

66

повторном замораживании – оттаивании;

действии ряда органических веществ (спиртов, фенолов) в кислых и щелочных средах;

действии солей тяжелых металлов и ряда других химических соединений;

действии ультрафиолетового и ионизирующего излучения.

Для разделения белков используют электрофорез - метод, основанный на различном знаке и величине заряда белков. Следовательно, белки с различной скоростью перемещаются в электрическом поле к аноду или катоду. В качестве носителя применяют бумагу, толстый блок крахмала, целлюлозного порошка,

полимеры, образующие гели, агар, полиакриламид.

Лиофилизация – высушивание белков в замороженном состоянии в вакууме с сохранением нативных свойств.

Классификация белков

I. По составу белки делятся на

1.простые - протеины

2.сложные – протеиды

1.Протеины – их структура представлена полипептидной цепью, при их гидролизе образуются только аминокислоты.

2.Протеиды – кроме белковой части содержат небелковый компонент – простетическую группу. Сложные белки классифицируются в зависимости от природы простетических групп:

1)Нуклеопротеиды – простетическая группа - ДНК или РНК.

2)Гликопротеиды - простетическая группа – моносахариды, олигосахариды.

3)Липопротеиды - простетическая группа – ТГ или сложные липиды.

4)Фосфопротеиды - простетическая группа – Н3РО4.

5)Металлопротеиды - простетическая группа – ионы металлов, например, Zn.

6)Хромопротеиды - простетическая группа – гем, окрашенные группы.

II.По биологическим функциям:

1.Каталитическая (ферменты-белки: пепсин, липаза).

67

2. Регуляторная: а) белковые факторы матричных синтезов; б) белки сигнал-

трансдукторных систем (циклазы, рецепторы, протеинкиназы); в) гормоны.

3.Опорно-защитная (белки костей, хряща и соединительной ткани).

4.Транспортная: а) белки плазмы крови; б) белки плазматических мембран; в)

белки пор, каналов в мембранах.

5.Структурно-образовательная – 50% сухого веса клетки составляют белки.

6.Защитная (антитела, интерферон, комплемент).

7.Сократительная (миозин, тубулин и др.).

8.Энергетическая.

9.Токсины.

10.Специфические функции.

68