Содержание

ФУНКЦИИ БЕЛКОВ. «БИОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ», Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф.

Белки выполняют множество самых разнообразных функций, характерных для живых организмов, с некоторыми из которых мы познакомимся более подробно при дальнейшем изучении курса. Ниже рассматриваются главные и в некотором смысле уникальные биологические функции белков, несвойственные или лишь частично присущие другим классам биополимеров.

Каталитическая функция. К 1995 г. было идентифицировано более 3400 ферментов. Большинство известных в настоящее время ферментов, называемых биологическими катализаторами, является белками. Эта функция белков, хотя и не оказалась уникальной, определяет скорость химических реакций в биологических системах.

Транспортная функция. Дыхательная функция крови, в частности перенос кислорода, осуществляется молекулами гемоглобина – белка эритроцитов. В транспорте липидов принимают участие альбумины сыворотки крови. Ряд других сывороточных белков образует комплексы с жирами, медью, железом, тироксином, витамином А и другими соединениями, обеспечивая их доставку в соответствующие органы-мишени.

Защитная функция. Основную функцию защиты в организме выполняет иммунная система, которая обеспечивает синтез специфических защитных белков-антител в ответ на поступление в организм бактерий, токсинов, вирусов или чужеродных белков. Высокая специфичность взаимодействия антител с антигенами (чужеродными веществами) по типу белок-белковое взаимодействие способствует узнаванию и нейтрализации биологического действия антигенов. Защитная функция белков проявляется и в способности ряда белков плазмы крови, в частности фибриногена, к свертыванию. В результате свертывания фибриногена образуется сгусток крови, предохраняющий от потери крови при ранениях.

Сократительная функция. В акте мышечного сокращения и расслабления участвует множество белковых веществ. Однако главную роль в этих жизненно важных процессах играют актин и миозин – специфические белки мышечной ткани. Сократительная функция присуща не только мышечным белкам, но и белкам цитоскелета, что обеспечивает тончайшие процессы жизнедеятельности клеток (расхождение хромосом в процессе митоза).

Структурная функция. Белки, выполняющие структурную (опорную) функцию, занимают по количеству первое место среди других белков тела человека. Среди них важнейшую роль играют фибриллярные белки, в частности коллаген в соединительной ткани, кератин в волосах, ногтях, коже, эластин в сосудистой стенке и др. Большое значение имеют комплексы белков с углеводами в формировании ряда секретов: мукоидов, муцина и т.д. В комплексе с липидами (в частности, с фосфолипидами) белки участвуют в образовании биомембран клеток.

Гормональная функция. Обмен веществ в организме регулируется разнообразными механизмами. В этой регуляции важное место занимают гормоны, синтезируемые не только в железах внутренней секреции, но и во многих других клетках организма (см. далее). Ряд гормонов представлен белками или полипептидами, например гормоны гипофиза, поджелудочной железы и др. Некоторые гормоны являются производными аминокислот.

Питательная (резервная) функция.

Эту функцию выполняют так называемые резервные белки, являющиеся источниками питания для плода, например белки яйца (овальбумины). Основной белок молока (казеин) также выполняет главным образом питательную функцию. Ряд других белков используется в организме в качестве источника аминокислот, которые в свою очередь являются предшественниками биологически активных веществ, регулирующих процессы метаболизма.

Можно назвать еще некоторые другие жизненно важные функции белков. Это, в частности, экспрессия генетической информации, генерирование и передача нервных импульсов, способность поддерживать онкотическое давление в клетках и крови, буферные свойства, поддерживающие физиологическое значение рН внутренней среды, и др.

Таким образом, из этого далеко не полного перечня основных функций белков видно, что указанным биополимерам принадлежит исключительная и разносторонняя роль в живом организме. Если попытаться выделить главное, решающее свойство, которое обеспечивает многогранность биологических функций белков, то следовало бы назвать способность белков строго избирательно, специфически соединяться с широким кругом разнообразных веществ. В частности, эта высокая специфичность белков (сродство) обеспечивает взаимодействие ферментов с субстратами, антител с антигенами, транспортных белков крови с переносимыми молекулами других веществ и т.д. Это взаимодействие основано на принципе биоспецифического узнавания, завершающегося связыванием фермента с соответствующей молекулой субстрата, что содействует протеканию химической реакции. Высокой специфичностью действия наделены также белки, которые участвуют в таких процессах, как дифференцировка и деление клеток, развитие живых организмов, определяя их биологическую индивидуальность.

Предыдущая страница | Следующая страница

СОДЕРЖАНИЕ

Функции белков в организме | Химия онлайн

Функции белков в природе универсальны. Белки входят в состав всех живых организмов. Мышцы, кости, покровные ткани, внутренние органы, хрящи, шерсть, кровь — все это белковые вещества.

Растения синтезируют белки из углекислого газа и воды за счет фотосинтеза. Животные организмы получают, в основном, готовые аминокислоты с пищей и на их базе строят белки своего организма.

Ни один из известных нам живых организмов не обходится без белков. Белки служат питательными веществами, они регулируют обмен веществ, исполняя роль ферментов – катализаторов обмена веществ, способствуют переносу кислорода по всему организму и его поглощению, играют важную роль в функционировании нервной системы, являются механической основой мышечного сокращения, участвуют в передаче генетической информации и т.д.

Видеофильм «Функции белков»

Разнообразные функции белков определяются a-аминокислотным составом и строением их высокоорганизованных макромолекул.

1. Каталитическая (ферментативная) функция

Каталитическая функция — одна из основных функций белков. Абсолютно все биохимические процессы в организме протекают в присутствии катализаторов – ферментов. Все известные ферменты представляют собой белковые молекулы.

Белки – это очень мощные катализаторы. Они ускоряют реакции в миллионы раз, причем для каждой реакции существует свой фермент.

В настоящее время известно свыше 2000 различных ферментов, которые являются биологическими катализаторами.

Например, фермент пепсин расщепляет белки в процессе пищеварения.

Даже такая простая реакция как гидратация углекислого газа катализируется ферментом карбоангидразой.

Ферменты катализируют реакции расщепления сложных молекул (катаболизм) и их синтеза (анаболизм), а также репликации ДНК и матричного синтеза РНК.

2. Транспортная функция 

Некоторые белки способны присоединять и переносить (транспортировать) различные вещества по крови от одного органа к другому и в пределах клетки.

Белки транспортируют липиды (липопротеиды), углеводы (гликопротеиды), ионы металлов (глобулины), кислород и углекислый газ (гемоглобин), некоторые витамины, гормоны и др.

Например, альбумины крови транспортируют липиды и высшие жирные кислоты (ВЖК), лекарственные вещества, билирубин.

Белок эритроцитов крови гемоглобин соединяется в легких с кислородом, превращаясь в оксигемоглобин. Достигая с током крови органов и тканей, оксигемоглобин расщепляется и отдает кислород, необходимый для обеспечения окислительных процессов в тканях.

Белок миоглобин запасает кислород в мышцах.

Специфические белки-переносчики обеспечивают проникновение минеральных веществ и витаминов через мембраны клеток и субклеточных структур.

3. Защитная функция 

Защитную функцию выполняют специфические белки (антитела — иммуноглобулины), которые вырабатываются иммунной системой организма. Они обеспечивают физическую, химическую и иммунную защиту организма путем связывания и обезвреживания веществ, поступающих в организм или появляющихся в результате жизнедеятельности бактерий и вирусов.

Например, белок плазмы крови фибриноген участвует в свертывании крови (образовывает сгусток). Это защищает организм от потери крови при ранениях.

Альбумины обезвреживают ядовитые вещества (ВЖК и билирубин) в крови.

Антитела, вырабатываемые лимфоцитами, блокируют чужеродные белки. Интерфероны — универсальные противовирусные белки.

Многие живые существа для обеспечения защиты выделяют белки, называемые токсинами, которые в большинстве случаев являются сильными ядами. В свою очередь, некоторые организмы способны вырабатывать антитоксины, которые подавляют действие этих ядов.

4. Сократительная (двигательная) функция

Важным признаком жизни является подвижность, в основе которой лежит данная функция белков, таких как актин и миозин – белки мышц. Кроме мышечных сокращений к этой функции относят изменение форм клеток и субклеточных частиц.

B результате взаимодействия белков происходит передвижение в пространстве, сокращение и расслабление сердца, движение других внутренних органов.

5. Структурная функция

Структурная функция — одна из важнейших функций белков. Белки играют большую роль в формировании всех клеточных структур.

Белки – это строительный материал клеток. Из них построены опорные, мышечные, покровные ткани.

Некоторые из них (коллаген соединительной ткани, кератин волос, ногтей, эластин стенок кровеносных сосудов, фиброин шелка и др.) выполняют почти исключительно структурную функцию.

Кератин синтезируется кожей. Волосы и ногти – это производные кожи.

В комплексе с липидами белки участвуют в построении мембран клеток и внутриклеточных образований.

6. Гормональная (регуляторная) функция 

Регуляторная функция присуща белкам-гормонам (регуляторам). Они регулируют различные физиологические процессы.

Например, наиболее известным гормоном является инсулин, регулирующий содержание глюкозы в крови. При недостатке инсулина в организме возникает заболевание, известное как сахарный диабет.

 Интересно знать!

В плазме некоторых антарктических рыб содержатся белки со свойствами антифриза, предохраняющие рыб от замерзания, а у ряда насекомых в местах прикрепления крыльев находится белок резилин, обладающий почти идеальной эластичностью. В одном из африканских растений синтезируется белок монеллин с очень сладким вкусом.

7. Питательная (запасная) функция

Питательная функция осуществляется резервными белками, которые запасаются в качестве источника энергии и вещества.

Например: казеин, яичный альбумин, белки яйца обеспечивают рост  и развитие плода, а белки молока служат источником питания для новорожденного.

8. Рецепторная (сигнальная) функция

Некоторые белки (белки-рецепторы), встроенные в клеточную мембрану, способны изменять свою структуру под воздействием внешней среды. Так происходит прием сигналов извне и передача информации в клетку.

Например, действие света на сетчатку глаза воспринимается фоторецептором родопсином.

Рецепторы, активизируемые низкомолекулярными веществами типа ацетилхолина, передают нервные импульсы в местах соединения нервных клеток.

 9. Энергетическая функция

Белки могут выполнять энергетическую функцию, являясь одним из источников энергии в клетке (после их гидролиза). Обычно белки расходуются на энергетические нужды в крайних случаях, когда исчерпаны запасы углеводов и жиров.

При полном расщеплении 1 г белка до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж энергии. Но в качестве источника энергии белки используются крайне редко. Аминокислоты, высвобождающиеся при расщеплении белковых молекул, используются для построения новых белков.

Белки

Карта сайта

Страница не найдена. Возможно, карта сайта Вам поможет.

  • Главная
  • Университет
    • Об университете
    • Структура
    • Нормативные документы и процедуры
    • Лечебная деятельность
    • Международное сотрудничество
    • Пресс-центр
      • Новости
      • Анонсы
      • События
      • Объявления и поздравления
      • Online конференции
      • Фотоальбом
        • Студенты военной кафедры ГрГМУ приняли присягу
        • День освобождения Гродно-2021
        • Ремонтные и отделочные работы
        • Итоговая практика по военной подготовке
        • День Независимости-2021
        • Студенты военной кафедры ГрГМУ: итоговая практика-2021
        • Выпускной лечебного факультета-2021
        • Выпускной медико-психологического и медико-диагностического факультетов-2021
        • Выпускной педиатрического факультета-2021
        • Выпускной факультета иностранных учащихся-2021
        • Вручение дипломов выпускникам-2021
        • Митинг-реквием, посвященный 80-й годовщине начала Великой Отечественной войны
        • Акция "Память", приуроченная к 80-летию начала Великой Отечественной войны
        • Республиканский легкоатлетический студенческий забег «На старт, молодежь!»
        • Актуальные вопросы гигиены питания
        • Торжественное мероприятие к Дню медицинских работников-2021
        • Совет университета
        • Выездное заседание Республиканского совета ректоров
        • Церемония вручения медалей и аттестатов особого образца выпускникам 2021 года
        • Предупреждение деструктивных проявлений в студенческой среде и влияния агрессивного информационного контента сети интернет
        • Онлайн-выставка «Помнить, чтобы не повторить»
        • Областная межвузовская конференция «Подвиг народа бессмертен»
        • Финал первого Республиканского интеллектуального турнира ScienceQuiz
        • Конференция «Актуальные вопросы коморбидности заболеваний в амбулаторной практике: от профилактики до лечения»
        • День семьи-2021
        • Диалоговая площадка с председателем Гродненского областного Совета депутатов
        • Праздничные городские мероприятия к Дню Победы
        • Областной этап конкурса "Королева студенчества-2021"
        • Праздничный концерт к 9 мая 2021
        • IV Республиканский гражданско-патриотический марафон «Вместе – за сильную и процветающую Беларусь!»
        • Университетский кубок КВН-2021
        • Музыкальная планета студенчества (завершение Дней ФИУ-2021)
        • Молодёжный круглый стол "Мы разные, но мы вместе"
        • Дни ФИУ-2021. Интеллектуальная игра "Что?Где?Когда?"
        • Неделя донорства в ГрГМУ
        • Творческая гостиная. Дни ФИУ-2021
        • Открытие XVIII студенческого фестиваля национальных культур
        • Передвижная мультимедийная выставка "Партизаны Беларуси"
        • Республиканский субботник-2021
        • Семинар "Человек внутри себя"
        • Международный конкурс "Здоровый образ жизни глазами разных поколений"
        • Вручение нагрудного знака "Жена пограничника"
        • Встреча с представителями медуниверситета г. Люблина
        • Королева Студенчества ГрГМУ - 2021
        • День открытых дверей-2021
        • Управление личными финансами (встреча с представителями «БПС-Сбербанк»)
        • Весенний "Мелотрек"
        • Праздничный концерт к 8 Марта
        • Диалоговая площадка с председателем Гродненского облисполкома
        • Расширенное заседание совета университета
        • Гродно - Молодежная столица Республики Беларусь-2021
        • Торжественное собрание, приуроченное к Дню защитника Отечества
        • Вручение свидетельства действительного члена Белорусской торгово-промышленной палаты
        • Новогодний ScienceQuiz
        • Финал IV Турнира трех вузов ScienseQuiz
        • Областной этап конкурса "Студент года-2020"
        • Семинар дистанционного обучения для сотрудников университетов из Беларуси «Обеспечение качества медицинского образования и образования в области общественного здоровья и здравоохранения»
        • Студент года - 2020
        • День Знаний - 2020
        • Церемония награждения лауреатов Премии Правительства в области качества
        • Военная присяга
        • Выпускной лечебного факультета-2020
        • Выпускной медико-психологического факультета-2020
        • Выпускной педиатрического факультета-2020
        • Выпускной факультета иностранных учащихся-2020
        • Распределение - 2020
        • Стоп коронавирус!
        • Навстречу весне - 2020
        • Профориентация - 18-я Международная специализированная выставка "Образование и карьера"
        • Спартакиада среди сотрудников "Здоровье-2020"
        • Конференция «Актуальные проблемы медицины»
        • Открытие общежития №4
        • Встреча Президента Беларуси со студентами и преподавателями медвузов
        • Новогодний утренник в ГрГМУ
        • XIX Республиканская студенческая конференция «Язык. Общество. Медицина»
        • Alma mater – любовь с первого курса
        • Актуальные вопросы коморбидности сердечно-сосудистых и костно-мышечных заболеваний в амбулаторной практике
        • Областной этап "Студент года-2019"
        • Финал Science Qiuz
        • Конференция "Актуальные проблемы психологии личности и социального взаимодействия"
        • Посвящение в студенты ФИУ
        • День Матери
        • День открытых дверей - 2019
        • Визит в Азербайджанский медицинский университет
        • Семинар-тренинг с международным участием «Современные аспекты сестринского образования»
        • Осенний легкоатлетический кросс - 2019
        • 40 лет педиатрическому факультету
        • День Знаний - 2019
        • Посвящение в первокурсники
        • Акция к Всемирному дню предотвращения суицида
        • Турслет-2019
        • Договор о создании филиала кафедры общей хирургии на базе Брестской областной больницы
        • День Независимости
        • Конференция "Современные технологии диагностики, терапии и реабилитации в пульмонологии"
        • Выпускной медико-диагностического, педиатрического факультетов и факультета иностранных учащихся - 2019
        • Выпускной медико-психологического факультета - 2019
        • Выпускной лечебного факультета - 2019
        • В добрый путь, выпускники!
        • Распределение по профилям субординатуры
        • Государственные экзамены
        • Интеллектуальная игра «Что? Где? Когда?»
        • Мистер и Мисс факультета иностранных учащихся-2019
        • День Победы
        • IV Республиканская студенческая военно-научная конференция «Этих дней не смолкнет слава»
        • Республиканский гражданско-патриотический марафон "Вместе - за сильную и процветающую Беларусь!"
        • Литературно-художественный марафон «На хвалях спадчыны маёй»
        • День открытых дверей-2019
        • Их имена останутся в наших сердцах
        • Областной этап конкурса "Королева Весна - 2019"
        • Королева Весна ГрГМУ - 2019
        • Профориентация «Абитуриент – 2019» (г. Барановичи)
        • Мероприятие «Карьера начинается с образования!» (г. Лида)
        • Итоговое распределение выпускников - 2019
        • "Навстречу весне - 2019"
        • Торжественная церемония, посвященная Дню защитника Отечества
        • Торжественное собрание к Дню защитника Отечества - 2019
        • Мистер ГрГМУ - 2019
        • Предварительное распределение выпускников 2019 года
        • Митинг-реквием у памятника воинам-интернационалистам
        • Профориентация «Образование и карьера» (г.Минск)
        • Итоговая коллегия главного управления здравоохранения Гродненского областного исполнительного комитета
        • Спартакиада «Здоровье - 2019»
        • Итоговая научно-практическая конференция «Актуальные проблемы медицины».
        • Расширенное заседание Совета университета.
        • Научно-практическая конференция «Симуляционные технологии обучения в подготовке медицинских работников: актуальность, проблемные вопросы внедрения и перспективы»
        • Конкурс первокурсников «Аlma mater – любовь с первого курса»
        • XVI съезд хирургов Республики Беларусь
        • Итоговая практика
        • Конкурс «Студент года-2018»
        • Совет университета
        • 1-й съезд Евразийской Аритмологической Ассоциации (14.09.2018 г.)
        • 1-й съезд Евразийской Аритмологической Ассоциации (13.09.2018 г.)
        • День знаний
        • День независимости Республики Беларусь
        • Церемония награждения победителей конкурса на соискание Премии СНГ
        • День герба и флага Республики Беларусь
        • «Стань донором – подари возможность жить»
        • VIII Международный межвузовский фестиваль современного танца «Сделай шаг вперед»
        • Конкурс грации и артистического мастерства «Королева Весна ГрГМУ – 2018»
        • Окончательное распределение выпускников 2018 года
        • Митинг-реквием, приуроченный к 75-летию хатынской трагедии
        • Областное совещание «Итоги работы терапевтической и кардиологической служб Гродненской области за 2017 год и задачи на 2018 год»
        • Конкурсное шоу-представление «Мистер ГрГМУ-2018»
        • Предварительное распределение выпускников 2018 года
        • Итоговая научно-практическая конференция «Актуальные проблемы медицины»
        • II Съезд учёных Республики Беларусь
        • Круглый стол факультета иностранных учащихся
        • «Молодежь мира: самобытность, солидарность, сотрудничество»
        • Заседание выездной сессии Гродненского областного Совета депутатов
        • Областной этап республиканского конкурса «Студент года-2017»
        • Встреча с председателем РОО «Белая Русь» Александром Михайловичем Радьковым
        • Конференция «Актуальные вопросы инфекционной патологии», 27.10.2017
        • XIX Всемирный фестиваль студентов и молодежи
        • Республиканская научно-практическая конференция «II Гродненские аритмологические чтения»
        • Областная научно-практическая конференция «V Гродненские гастроэнтерологические чтения»
        • Праздник, посвящённый 889-летию города Гродно
        • Круглый стол на тему «Место и роль РОО «Белая Русь» в политической системе Республики Беларусь» (22.09.2017)
        • ГрГМУ и Университет медицины и фармации (г.Тыргу-Муреш, Румыния) подписали Соглашение о сотрудничестве
        • 1 сентября - День знаний
        • Итоговая практика на кафедре военной и экстремальной медицины
        • Квалификационный экзамен у врачей-интернов
        • Встреча с Комиссией по присуждению Премии Правительства Республики Беларусь
        • Научно-практическая конференция «Амбулаторная терапия и хирургия заболеваний ЛОР-органов и сопряженной патологии других органов и систем»
        • День государственного флага и герба
        • 9 мая
        • Республиканская научно-практическая конференция с международным участием «V белорусско-польская дерматологическая конференция: дерматология без границ»
        • «Стань донором – подари возможность жить»
        • «Круглый стол» Постоянной комиссии Совета Республики Беларусь Национального собрания Республики Беларусь по образованию, науке, культуре и социальному развитию
        • Весенний кубок КВН «Юмор–это наука»
        • Мисс ГрГМУ-2017
        • Распределение 2017 года
        • Общегородской профориентационный день для учащихся гимназий, лицеев и школ
        • Праздничный концерт, посвященный Дню 8 марта
        • Конкурсное шоу-представление «Мистер ГрГМУ–2017»
        • «Масленица-2017»
        • Торжественное собрание и паздничный концерт, посвященный Дню защитника Отечества
        • Лекция профессора, д.м.н. О.О. Руммо
        • Итоговая научно-практическая конференция «Актуальные проблемы медицины»
        • Меморандум о сотрудничестве между областной организацией Белорусского общества Красного Креста и региональной организацией Красного Креста китайской провинции Хэнань
        • Визит делегации МГЭУ им. А.Д. Сахарова БГУ в ГрГМУ
        • «Студент года-2016»
        • Визит Чрезвычайного и Полномочного Посла Королевства Швеция в Республике Беларусь господина Мартина Оберга в ГрГМУ
        • Конкурс первокурсников «Аlma mater – любовь с первого курса»
        • День матери в ГрГМУ
        • Итоговая практика-2016
        • День знаний
        • Визит китайской делегации в ГрГМУ
        • Визит иностранной делегации из Вроцлавского медицинского университета (Республика Польша)
        • Торжественное мероприятие, посвященное профессиональному празднику – Дню медицинского работника
        • Визит ректора ГрГМУ Виктора Александровича Снежицкого в Индию
        • Республиканская университетская суббота-2016
        • Республиканская акция «Беларусь против табака»
        • Встреча с поэтессой Яниной Бокий
        • 9 мая — День Победы
        • Митинг, посвященный Дню Государственного герба и Государственного флага Республики Беларусь
        • Областная межвузовская студенческая научно-практическая конференция «1941 год: трагедия, героизм, память»
        • «Цветы Великой Победы»
        • Концерт народного ансамбля польской песни и танца «Хабры»
        • Суботнiк ў Мураванцы
        • «Мисс ГрГМУ-2016»
        • Визит академика РАМН, профессора Разумова Александра Николаевича в УО «ГрГМУ»
        • Визит иностранной делегации из Медицинского совета Мальдивской Республики
        • «Кубок ректора Гродненского государственного медицинского университета по дзюдо»
        • «Кубок Дружбы-2016» по мини-футболу среди мужских и женских команд медицинских учреждений образования Республики Беларусь
        • Распределение выпускников 2016 года
        • Визит Министра обороны Республики Беларусь на военную кафедру ГрГМУ
        • Визит Первого секретаря Посольства Израиля Анны Кейнан и директора Израильского культурного центра при Посольстве Израиля Рей Кейнан
        • Визит иностранной делегации из провинции Ганьсу Китайской Народной Республики в ГрГМУ
        • Состоялось открытие фотовыставки «По следам Библии»
        • «Кубок декана» медико-диагностического факультета по скалолазанию
        • Мистер ГрГМУ-2016
        • Приём Первого секретаря Посольства Израиля Анны Кейнан в ГрГМУ
        • Спартакиада «Здоровье» УО «ГрГМУ» среди сотрудников 2015-2016 учебного года
        • Визит Посла Республики Индия в УО «ГрГМУ»
        • Торжественное собрание и концерт, посвященный Дню защитника Отечества
        • Митинг-реквием, посвященный Дню памяти воинов-интернационалистов
        • Итоговое заседание коллегии главного управления идеологической работы, культуры и по делам молодежи Гродненского облисполкома
        • Итоговая научно-практическая конференция Гродненского государственного медицинского университета
        • Новогодний концерт
        • Открытие профессорского консультативного центра
        • Концерт-акция «Молодёжь против СПИДа»
        • «Студент года-2015»
        • Открытые лекции профессора, академика НАН Беларуси Островского Юрия Петровича
        • «Аlma mater – любовь с первого курса»
        • Открытая лекция Регионального директора ВОЗ госпожи Жужанны Якаб
        • «Открытый Кубок по велоориентированию РЦФВиС»
        • Совместное заседание Советов университетов г. Гродно
        • Встреча с Министром здравоохранения Республики Беларусь В.И. Жарко
        • День города
        • Дебаты «Врач - выбор жизни»
        • День города
        • Праздничный концерт «Для вас, первокурсники!»
        • Акция «Наш год – наш выбор»
        • День знаний
        • Открытое зачисление абитуриентов в УО «Гродненский государственный медицинский университет»
        • Принятие военной присяги студентами ГрГМУ
        • День Независимости Республики Беларусь
        • Вручение дипломов выпускникам 2015 года
        • Республиканская олимпиада студентов по педиатрии
        • Открытие памятного знака в честь погибших защитников
        • 9 мая
        • «Вторая белорусско-польская дерматологическая конференция: дерматология без границ»
        • Мистер университет
        • Мисс универитет
        • КВН
        • Гродненский государственный медицинский университет
        • Чествование наших ветеранов
        • 1 Мая
        • Cовместный субботник
      • Наши издания
      • Медицинский календарь
      • Университет в СМИ
      • Видео-презентации
    • Общественные объединения
    • Комиссия по противодействию коррупции
    • Образовательная деятельность
  • Абитуриентам
  • Студентам
  • Выпускникам
  • Слайдер
  • Последние обновления
  • Баннеры
  • Иностранному гражданину
  • Научная деятельность
  • Поиск

Функции белков | Кинезиолог

 

Лекция 4. Функции белков

 

Определение:

Белок - это отдельный полипептид или агрегат нескольких полипептидов, выполняющий биологическую функцию.

Полипетид - понятие химическое. Белок - понятие биологическое.

Например, иммуноглобулин состоит из четырех полипептидных цепей, которые по отдельности не являются белками, белок - только их функциональный агрегат.

 

Функции белков

 

1. Структурная функция.

Белки входят в состав всех клеточных органелл: мембранных - плазмалемма, ядерная оболочка, эндоплазматическая или ретику-лярная сеть (ЭР), комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы, вакуоль, митохондрии, пластиды - и немембранных - хромосомы, рибосомы, клеточный центр (центриоли), реснички и жгутики, микрофиламенты.

2. Каталитическая функция.

Все ферменты - белки. Эта функция в 1982 году перестала считаться уникальной. Выяснилось, что некоторые РНК тоже обладают каталитической активностью. Их называют РНКзимами.

3. Защитная функция (пока уникальна).

Антитела - это белки особого класса (иммуноглобулины).

Иммуноглобулины «склеивают» антигены и образуется преципитат

4. Регуляторная функция.

На клеточном уровне: белки - репрессоры и белки – активаторы транскрипции.

На организменном уровне: некоторые гормоны - белки.

Например, инсулин - гормон поджелудочной железы. Регулирует переход глюкозы через плазмалемму. При недостаточной секреции инсулина развивается тяжелое заболевание - сахарный диабет.

Соматотропин - гормон роста. Образуется в передней доле гипофиза.

Там же образуется и адренокортикотропный гормон (АКТГ). Он действует на кору надпочечников, регулируя синтез стероидных гормонов.

5. Трансформация энергии.

Белки сетчатки глаза родопсин и ретинен трансформируют световую энергию в электрическую. Актино-миозиновые комплексы в мышцах преобразуют энергию химических связей в механическую.

6. Транспортная функция.

Гемоглобин осуществляет транспорт О2, СО2.

Трансферрин - транспорт железа.

 

Системы пермеаз - это мембранные белки, которые переносят полярные соединения через мембрану как по, так и против градиента концентрации.

7. Энергетическая функция.

11 из 20 аминокислот, входящих в состав белков, в организме человека "сгорают" с выделением энергии. Это - заменимые аминокислоты. Они могут быть синтезированы в клетке из продуктов расщепления углеводов и липидов.

8. Питательная функция.

а) Поставка незаменимых аминокислот. У человека 9 из 20 аминокислот не
могут быть синтезированы в организме. Они должны поступать извне.

Понятие "заменимые и незаменимые аминокислоты" видоспецифическое и касается только животных и грибов.

б) Запасные белки для развития зародыша и вскармливания младенца.
Например, казеин - белок молока, овальбумин - яичный белок, глиадин -
белок зерен пшеницы.

9. Буферная функция.

Любой белок - амфотерный полиэлектролит. Белки способствуют поддержанию определенных значений рН в разных отсеках клетки, обеспечивая этим компартментализацию.

Источники: Дымшиц Г.М. Молекулярная биология: http://www.medliter.ru/?page=get&id=012131

Видеолекция: Общие свойства прионов. Лектор: Виталий Кушниров, д.б.н., ведущий научный сотрудник лаборатории молекулярной генетики, Институт биохимии имени А.Н. Баха РАН, Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН, 27.08.2015

Строение и функции белков - конспект

  
Вернуться к теме "Строение и функции белков"

Белки – полимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

Среди органических веществ белки занимают первое место по количеству и по значению. В организме человека встречаются 5 млн разнообразных белковых молекул, отличающихся не только друг от друга, но и от белков других организмов. Несмотря на такое разнообразие и сложность строения они построены всего из 20 различных аминокислот.

Строение аминокислоты:

 

В левой части молекулы расположены группа h3N–, которая обладает свойствами основания; справа - группа –COOH - кислотная, характерная для всех органических кислот. Следовательно, аминокислоты – амфотерные соединения, совмещающие свойства и кислоты и основания. Этим обусловлена их способность взаимодействовать друг с другом. Соединяясь, молекулы аминокислот образуют связи между углеродом кислотной и азотом основной групп. Такие связи называются ковалентными, а в данном случае – пептидными связями:

Соединение двух аминокислот в одну молекулу называется дипептидом, трех аминокислот – трипептидом и т. д., а соединение, состоящее из 20 и более аминокислотных остатков, – полипептидом.

Последовательность аминокислот в полипептидной цепи принято называть первичной структурой белка.

Однако молекула белка в виде цепи аминокислотных остатков, последовательно соединенных между собой пептидными связями, еще не способна выполнять специфические функции. Для этого необходима более высокая структурная организация. Путем образования водородных связей между остатками карбоксильных и аминогрупп разных аминокислот белковая молекула принимает вид спирали (α-структура) или складчатого слоя – «гармошки» (β-структура). Это вторичная структура белка. Но и ее часто недостаточно для приобретения характерной биологической активности.

Часто только молекула, обладающая третичной структурой, может выполнять роль катализатора или любую другую. Третичная структура образуется благодаря взаимодействию радикалов, в частности радикалов аминокислоты цистеина, которые содержат серу. Атомы серы двух аминокислот, находящихся на некотором расстоянии друг от друга в полипептидной цепи, соединяются, образуя так называемые дисульфидные, или S–S, связи. Благодаря этим взаимодействиям, а также другим, менее сильным связям, белковая спираль сворачивается и приобретает форму шарика, или глобулы. Способ укладки полипептидных спиралей в глобуле называют третичной структурой белка. Многие белки, обладающие третичной структурой, могут выполнять свою биологическую роль в клетке. Однако для осуществления некоторых функций организма требуется участие белков с еще более высоким уровнем организации.

Такую организацию называют четвертичной структурой. Присутствует не у всех белков. Она представляет собой функциональное объединение нескольких (двух, трех и более) молекул белка, обладающих третичной структурной организацией. Пример такого сложного белка – гемоглобин. Его молекула состоит из четырех связанных между собой молекул. Другим примером может служить гормон поджелудочной железы – инсулин, включающий два компонента. В состав четвертичной структуры некоторых белков включаются помимо белковых субъединиц и разнообразные небелковые компоненты. Тот же гемоглобин содержит сложное гетероциклическое соединение, в состав которого входит железо.

Строение белковой молекулы: А – первичная; Б – вторичная; В – третичная; Г – четвертичная структура

Строение молекулы гемоглобина

Гемоглобин – белок четвертичной структуры. В молекуле гемоглобина белковый компонент представлен белком глобином, небелковый компонент – гем. Глобин состоит из 4 субъединиц. Внутри каждой субъединицы имеется гидрофобный «карман», в котором располагается гем. Содержащийся в геме атом железа связывает кислород.

Свойства белка

Белки, как и другие неорганические и органические соединения, обладают рядом физико-химических свойств:

  1. Белки – преимущественно водорастворимые молекулы и, следовательно, могут проявлять свою функциональную активность только в водных растворах.
  2. Белковые молекулы несут большой поверхностный заряд. Это определяет целый ряд электрохимических эффектов, например изменение проницаемости мембран каталитической активности и других функций.
  3. Белки термолабильны, то есть проявляют свою активность в узких температурных рамках.

Денатурация и ренатурация белков

Денатурация  – это утрата белковой молекулой своей структурной организации: четвертичной, третичной, вторичной, а при более жестких условиях – и первичной структуры. В результате денатурации белок теряет способность выполнять свою функцию. Причинами денатурации могут быть высокая температура, ультрафиолетовое излучение, действие сильных кислот и щелочей, тяжелых металлов и органических растворителей. Если изменение условий среды не приводит к разрушению первичной структуры молекулы, то при восстановлении нормальных условий среды полностью воссоздается структура белка и его функциональная активность. Такой процесс носит название ренатурации.

Функции белков

1. Каталитическая (ферментативная) функция:

Многие белки являются ферментами. Ферменты — это биологические катализаторы, т. е. вещества, ускоряющие протекание химических реакций в живых организмах. Ферменты участвуют в процессах синтеза и расщепления различных веществ. Они обеспечивают фиксацию углерода в процессе фотосинтеза, расщепление питательных веществ в пищеварительном тракте и т. д. 

 

2. Транспортная функция

Многие белки способны присоединять и переносить различные вещества. Гемоглобин связывает и переносит кислород и углекислый газ. Альбумины крови транспортируют жирные кислоты, глобулины — ионы металлов и гормоны. Многие белки, входящие в состав цитоплазматической мембраны, участвуют в транспорте веществ в клетку и из нее.

3. Защитная функция

Белки предохраняют организм от вторжения чужеродных организмов и от повреждений. Так, в ответ на проникновение чужеродных объектов (антигенов) определенные лейкоциты вырабатывают специфические белки — иммуноглобулины (антитела), участвующие в иммунном ответе организма. Белок плазмы крови фибриноген, участвуя в свертывании крови и тем самым уменьшая кровопотери.

4. Двигательная (сократительная) функция

Сократительные белки обеспечивают способность клеток, тканей, органов и целых организмов изменять форму, двигаться. Так, актин и миозин обеспечивают работу мышц и немышечные внутриклеточные сокращения.

5. Структурная (строительная, пластическая) функция

Белки входят в состав всех клеток и тканей живых организмов. Белки являются обязательным компонентом всех клеточных мембран и органоидов клетки. Из белков построены элементы цитоскелета, сократительные элементы мышечных волокон. Преимущественно из белков состоят хрящи и сухожилия. В их состав входит белок коллаген. Важнейшим структурным компонентом перьев, волос, ногтей, когтей, рогов, копыт у животных является белок кератин. В состав связок, стенок артерий и лёгких входит структурный белок эластин.

6. Сигнальная (рецепторная) функция

Некоторые белки клеточных мембран способны изменять свою структуру в ответ на действие внешних факторов. С помощью этих белков происходит прием сигналов из внешней среды и передача информации в клетку.

7. Регуляторная функция

Некоторые белки являются гормонами. Они влияют на различные физиологические процессы. Например, инсулин и глюкагон регулируют содержание глюкозы в крови, а соматотропин (гормон роста) — процессы роста и физического развития.

8. Запасающая (питательная) функция

В семенах растений запасаются резервные белки, которые используются при прорастании зародышем.

9. Энергетическая функция

При полном окислении 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии. Однако белки расходуются на энергетические нужды лишь в крайних случаях, когда исчерпаны запасы углеводов и жиров.

§4. Свойства и функции белков

 

1. Как называется процесс нарушения природной структуры белка, при котором сохраняется его первичная структура? Действие каких факторов может приводить к нарушению структуры белковых молекул?

Процесс нарушения природной структуры белков под влиянием каких-либо факторов без разрушения первичной структуры называется денатурацией. Денатурация белков может быть вызвана действием различных факторов, например, высокой температуры, концентрированных кислот и щелочей, тяжёлых металлов.

 

2. Чем фибриллярные белки отличаются от глобулярных? Приведите примеры фибриллярных и глобулярных белков.

Молекулы фибриллярных белков имеют вытянутую, нитевидную форму. Глобулярные белки характеризуются компактной округлой формой молекул. К фибриллярным белкам относятся, например, кератин, коллаген, миозин. Глобулярными белками являются глобулины и альбумины крови, фибриноген, гемоглобин и др.

 

3. Назовите основные биологические функции белков, приведите соответствующие примеры.

● Структурная функция. Белки входят в состав всех клеток и межклеточного вещества, являются компонентами различных структур живых организмов. Например, у животных белок коллаген входит в состав хрящей и сухожилий, эластин – в состав связок и стенок кровеносных сосудов, кератин является важнейшим структурным компонентом перьев, волос, ногтей, когтей, рогов, копыт.

● Ферментативная (каталитическая) функция. Белки-ферменты являются биологическими катализаторами, ускоряя протекание химических реакций в живых организмах. Например, пищеварительные ферменты амилаза и мальтаза расщепляют сложные углеводы до простых, пепсин – белки до пептидов, под действием липаз происходит расщепление жиров до глицерина и карбоновых кислот.

● Транспортная функция. Многие белки способны присоединять и переносить различные вещества. Например, гемоглобин связывает и переносит кислород и углекислый газ. Альбумины крови транспортируют высшие карбоновые кислоты, а глобулины – ионы металлов и гормоны. Многие белки, входящие в состав цитоплазматической мембраны, участвуют в транспорте веществ в клетку и из неё.

● Сократительная (двигательная) функция. Сократительные белки обеспечивают способность клеток, тканей, органов и целых организмов изменять форму, двигаться. Например, актин и миозин обеспечивают работу мышц и немышечные внутриклеточные сокращения, тубулин входит в состав микротрубочек веретена деления, ресничек и жгутиков эукариотических клеток.

● Регуляторная функция. Некоторые белки и пептиды участвуют в регуляции различных физиологических процессов. Например, гормоны белково-пептидной природы инсулин и глюкагон регулируют содержание глюкозы в крови, а соматотропин (гормон роста) – процессы роста и физического развития.

● Сигнальная функция заключается в том, что некоторые белки, входящие в состав цитоплазматической мембраны клеток, в ответ на действие внешних факторов изменяют свою пространственную конфигурацию, тем самым обеспечивая приём сигналов из внешней среды и передачу информации в клетку. Например, белок опсин, входящий в состав пигмента родопсина, воспринимает свет и обеспечивает возникновение зрительного возбуждения рецепторов (палочек) сетчатки глаза.

● Защитная функция. Белки предохраняют организм от вторжения чужеродных объектов и от повреждений. Например, иммуноглобулины (антитела) участвуют в иммунном ответе, интерферон защищает организм от вирусной инфекции. Фибриноген, тромбопластин и тромбин обеспечивают свёртывание крови, предотвращая кровопотерю.

● Токсическая функция. Многие живые организмы выделяют белки-токсины, которые являются ядами для других организмов.

● Энергетическая функция. После расщепления до аминокислот белки могут служить источником энергии в клетке. При полном окислении 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии.

● Запасающая функция. Например, в семенах растений запасаются особые белки, которые используются при прорастании зародышем, а затем и проростком в качестве источника азота.

 

4. Что такое ферменты? Почему без их участия протекание большинства биохимических процессов в клетке было бы невозможным?

Ферменты – белки, которые выполняют функцию биологических катализаторов, т. е. ускоряют протекание химических реакций в живых организмах. Они катализируют реакции синтеза и расщепления различных веществ. Без участия ферментов эти процессы протекали бы слишком медленно или не протекали бы вовсе. Практически все процессы жизнедеятельности организмов обусловлены ферментативными реакциями.

 

5. В чем заключается специфичность ферментов? Какова её причина? Почему ферменты активно функционируют лишь в определённом диапазоне температуры, рН и других факторов?

Специфичность ферментов заключается в том, что каждый фермент ускоряет только одну реакцию либо действует только на определённый тип связи. Эта особенность объясняется соответствием пространственной конфигурации активного центра фермента тому или иному субстрату (субстратам).

Ферменты являются белками. Изменение рН, температуры и других факторов может вызвать денатурацию ферментов, в результате чего они теряют способность связываться со своими субстратами.

 

6. Почему белки, как правило, используются в качестве источников энергии лишь в крайних случаях, когда в клетках исчерпаны запасы углеводов и жиров?

Белки – основа жизни. Они выполняют чрезвычайно важные биологические функции, многие из которых (ферментативную, транспортную, двигательную и др.) не способны выполнять ни углеводы, ни жиры. Белки, использованные в качестве энергетического субстрата, дают столько же энергии, сколько и углеводы (1 г – 17,6 кДж) и в 2,2 раза меньше, чем жиры (1 г – около 39 кДж). Кроме того, при полном расщеплении белков (в отличие от углеводов и жиров) образуются не только СО2 и Н2О, но также соединения азота и серы, причём некоторые из них токсичны для организма (например, NH3). Поэтому энергетическую функцию у живых организмов выполняют прежде всего углеводы и жиры.

 

7*. У многих бактерий в процессах синтеза веществ, необходимых для нормального роста и размножения, участвует парааминобензойная кислота (ПАБК). В то же время в медицине для лечения ряда бактериальных инфекций используются сульфаниламиды — вещества, по структуре сходные с ПАБК. Как вы думаете, на чём основано лечебное действие сульфаниламидов?

С помощью фермента (дигидроптероатсинтетазы) бактерии осуществляют превращение ПАБК в продукт (дигидроптероевую кислоту), который далее используется для синтеза необходимых ростовых факторов. Из-за структурного сходства с ПАБК, сульфаниламиды также способны связываться с активным центром этого фермента, блокируя его работу (т.е. наблюдается конкурентное ингибирование). Это ведёт к нарушению синтеза ростовых факторов и нуклеиновых кислот у бактерий.

* Задания, отмеченные звёздочкой, предполагают выдвижение учащимися различных гипотез. Поэтому при выставлении отметки учителю следует ориентироваться не только на ответ, приведённый здесь, а принимать во внимание каждую гипотезу, оценивая биологическое мышление учащихся, логику их рассуждений, оригинальность идей и т. д. После этого целесообразно ознакомить учащихся с приведённым ответом.

Дашков М.Л.

Сайт: dashkov.by

Вернуться к оглавлению

 

< Предыдущая   Следующая >

Урок "Состав и функции белков"

Состав и функции белков

Цель урока: продолжить углубление и расширение знаний о химическом составе клетки, раскрыв состав и функции белков

Задачи урока:

Образовательные:

  1. Расширить и углубить знания учащихся о важнейших органических веществах в клетке на основе изучения строения и функции белков.

  2. Раскрыть состав и строение белков.

  3. Раскрыть функции белков, показать их разнообразие и значимость для жизнедеятельности живых организмов.

Развивающие:

  1. Сформировать у учащихся познавательный интерес к процессу изучения функций белков в клетке и организме.

  2. Продолжить формирование умений выявлять связь между строением и функциями

Тип урока: урок изучения нового материала.

Форма проведения: групповая работа.

Методы: фронтальная беседа, проблемные вопросы.

Оборудование: штативы, пробирки, реактивы: растворы гидроксида натрия, хлорида натрия, сульфата меди, глицин, глутаминовая кислота, лизин, лакмусовая бумага, мультимедийный проектор, презентация (приложение 1)

Ход урока:

1. Приветствие. Здравствуйте! Я очень рада видеть вас в этой аудитории. Меня зовут Чернова Ольга Геннадьевна. Я учитель биологии средней школы №33.

2. Мотивация учебной деятельности. Начать урок я хочу словами Сергея Яковлевича Надсона: (слайд 1)

Меняя каждый миг свой образ прихотливый

Капризна, как дитя, и призрачна, как дым,

Кипит повсюду ЖИЗНЬ в тревоге суетливой,

Великое смешав с ничтожным и смешным

Что такое жизнь? Откуда она взялась на Земле? Эти вопросы давно интересовали людей в разные времена.

Академик Опарин говорил:

«Путь к живым организмам лежит через белки. Жизнь и белки – понятия неотделимые одно от другого»

Белок - основа жизни, верно ли это? Вот основной проблемный вопрос нашего урока.

Поэтому тема нашего урока – Состав и функции белка. (слайд 2)

3. Новый материал. Белки – это сложные органические вещества, состоящие из углерода, кислорода, водорода, азота. В некоторых молекулах белков содержится железо, сера, фосфор, цинк, медь и др. Белки, или протеины – это биополимеры, нерегулярные полимеры.

Белков в клетках больше, чем каких бы то ни было других органических веществ. На их долю приходится в среднем около 50 % общей массы клетки. Так, например, в мышцах на долю белка приходится 80%, в коже-63%, печени – 57%, мозге - 45%, костях - 28%. Интересны формулы некоторых белков. Так, формула всем нам известного гемоглобина, белка крови, C3032 H4816 O872 N780 S8 Fe4 . Глядя на формулу гемоглобина, какой можно сделать вывод? Молекулярные массы молекул огромны: белок куриного яйца 36 000, белок мышц 1500 000. (слайд 3)

4. Итак, вернемся к нашему проблемному вопросу. Для ответа на этот вопрос мы проведем небольшое исследование. Любое исследование всегда подразумевает изучение теории, т.е. изучение литературы на эту тему. Мы с вами пойдем от противного, и начнем разговор с функций. В течение всего урока мы работаем на рабочих листах, которые перед вами. (приложение 2)

Давайте вспомним, какие функции выполняют белки в клетке? (Рассказ о функциях или фронтальная беседа). (слайды 4-14)

Функции белков

Белки выполняют чрезвычайно важные и многообразные функции. Всего функций белков насчитывается около 30. Мы рассмотрим лишь главные из них.

1. Структурная или строительная. Белки являются основой всех биологических мембран, всех органоидов клетки. Многие белки образуют волокна, перевитые друг с другом или уложенные плотным слоем. Они выполняют опорную или защитную функцию, скрепляя биологические структуры и придавая им прочность. Так, коллаген является важным составным компонентом соединительной ткани (хрящей и сухожилий), кератин – компонентом перьев, волос, ногтей, эластин – эластичный компонент связок, стенок кровеносных сосудов.

2.Двигательная. Некоторые белки наделяют клетку или организм способностью сокращаться, изменять форму или передвигаться. Актин и миозин представляют собой нитевидные белки, функционирующие в сократительной системе скелетной мышцы, а также во многих немышечных клетках. Другим примером таких белков служит тубулин – белок, из которого построены микротрубочки, являющиеся важным элементом ресничек и жгутиков, при помощи которых клетки передвигаются.

3. Важное значение имеет транспортная функция. Так, гемоглобин переносит кислород из легких к клеткам других тканей и органов. Транспортные белки в наружной мембране клеток переносят различные вещества из окружающей среды в цитоплазму. Белки сыворотки крови способствуют переносу липидов и жирных кислот, различных биологически активных веществ.

4. Специфические белки выполняют защитную функцию. Они предохраняют организм от вторжения чужеродных белков и микроорганизмов. Так, антитела, вырабатываемые лимфоцитами, блокируют чужеродные белки; фибрин и тромбин предохраняют организм от кровопотери.

5. Регуляторная функция присуща белкам – гормонам. Они поддерживают постоянные концентрации веществ в крови и клетках, участвуют в росте, размножении и других жизненно важных процессах. Например, инсулин регулирует содержание сахара в крови.

6. Рецепторная. С помощью этих белков клетка воспринимает информацию о состоянии внешней среды, сигналы от низкомолекулярных физиологически активных веществ. Они играют важную роль при передаче нервного возбуждения

7.Энергетическая. Белки могут служить источником энергии для клетки. При недостатке углеводов или жиров окисляются молекулы аминокислот. Освободившаяся при этом энергия используется на поддержание процессов жизнедеятельности организма.

8. Токсическая. Многие живые организмы для обеспечения защиты выделяют белки – токсины, которые в большинстве случаев являются сильными ядами.

9.Ферментативная. В каждой живой клетке непрерывно происходят сотни биохимических реакций, в ходе которых идут распад и окисление поступающих извне питательных веществ. Клетка использует энергию, полученную вследствие их окисления, продукты расщепления служат для синтеза необходимых клетке органических соединений. Быстрое протекание реакций обеспечивают биокатализаторы – ферменты. Известно более двух тысяч ферментов, каждый из которых способен осуществлять от тысячи до сотен тысяч реакций в минуту. В ходе биохимических превращений ферменты не расходуются. Они соединяются с реагирующими веществами, ускоряет их превращения и выходит из реакции неизменным. Ферменты выполняют работу наилучшим образом только при оптимальной температуре.

9.Запасающая. В семенах многих растений запасены пищевые белки, потребляемые зародышем на первых стадиях развития. Наиболее известны такие белки в семенах кукурузы, пшеницы, риса.

5. Как мы видим, белки выполняют огромное количество функций. Как вы думаете, с чем это связано? Почему такое многообразие функций? Вот еще один проблемный вопрос.

Для его решения проведем небольшую практическую работу. Для этого делимся на 3 группы по рядам. Первая выясняет состав белковой молекулы. Вторая - её структуру. Третья – изучает свойства белков. Перед вами информационные листы (приложение 3) Внимательно изучите алгоритм работы. В своем рабочем листе отобразите основные моменты вашей работы. Затем, мы посмотрим, что у нас получилось.

6. Итоги работы в группах

1 группа. Выводы: мономеры белков – аминокислоты, строение. Амфотерность. 20 аминокислот Рассказ об опыте.

Есть АК с основными свойствами (лизин; 2 аминогруппы), есть с кислотными (глутаминовая кислота; 2 карбоксильные группы)

2 группа. Пептидная связь.

Доказательства пептидной связи. Рассказ об опыте

Структуры белка.

Вывод: белки очень разнообразны, так как каждый из них характеризуется специфической последовательностью аминокислот. Свойства белков зависят от химического строения.

3 группа Денатурация. Её значение. Повышенная температура тела, спирт и т.д. Денатурация приводит к нарушению антигенной чувствительности белка, а иногда к полному блокированию иммунных реакций, к инактивации ферментов, нарушению обмена веществ. Ученые предполагают, что процессы старения связаны с медленной денатурацией.

Рассказ об опыте.

7. Строение изучили, изучили и функции. Давайте вернемся к нашему проблемному вопросу. Белки – основа жизни?

Понятия жизнь и белок неразрывно связаны. Чтобы ответить на вопрос «Что такое жизнь»? надо знать, что такое белки. Насколько многообразны белки, настолько сложна, многолика и загадочна жизнь. Подтверждением этого может стать высказывание Гёте: «Я всегда говорил и не устаю повторять, что мир бы не мог существовать, если бы был так просто устроен»

Если остается время: либо тест, либо ответ на вопрос:

Довольно часто происходит такое явление: животные получают достаточно калорийную пищу, но при отсутствии в ней белка, наблюдается отставание в росте, изменение в составе крови и пр. Объясните причины этих негативных явлений.

Что такое белки и для чего они нужны ?: MedlinePlus Genetics

Белки - это большие сложные молекулы, которые играют важную роль в организме. Они выполняют большую часть работы в клетках и необходимы для структуры, функции и регулирования тканей и органов тела.

Белки состоят из сотен или тысяч более мелких единиц, называемых аминокислотами, которые связаны друг с другом длинными цепями. Существует 20 различных типов аминокислот, которые можно комбинировать для получения белка.Последовательность аминокислот определяет уникальную трехмерную структуру каждого белка и его конкретную функцию. Аминокислоты кодируются комбинациями трех строительных блоков ДНК (нуклеотидов), определяемых последовательностью генов.

Белки можно описать в соответствии с их широким спектром функций в организме, перечисленных в алфавитном порядке:

Примеры функций белков

Функция

Описание

Пример

Антитело

Антитела связываются с определенными инородными частицами, такими как вирусы и бактерии, чтобы защитить организм.

Иммуноглобулин G (IgG)

Фермент

Ферменты осуществляют почти все тысячи химических реакций, протекающих в клетках. Они также помогают формированию новых молекул, считывая генетическую информацию, хранящуюся в ДНК.

Фенилаланингидроксилаза

Посланник

Белки-мессенджеры, такие как некоторые типы гормонов, передают сигналы для координации биологических процессов между различными клетками, тканями и органами.

Гормон роста

Компонент конструкции

Эти белки обеспечивают структуру и поддержку клеток. В большем масштабе они также позволяют телу двигаться.

Актин

Транспортировка / хранение

Эти белки связывают и переносят атомы и небольшие молекулы внутри клеток и по всему телу.

Ферритин

Структурная функция белка | Протокол

4.15: Структурная функция белка

Структурные белки - это категория белков, отвечающих за различные функции, от формы и движения клеток до поддержки основных структур, таких как кости, хрящи, волосы и мышцы. В эту группу входят такие белки, как коллаген, актин, миозин и кератин.

Коллаген, самый распространенный белок у млекопитающих, встречается по всему телу. В соединительной ткани, такой как кожа, связки и сухожилия, он обеспечивает прочность на разрыв и эластичность.В костях и зубах он минерализуется с образованием твердых тканей и способствует их несущей способности. Помимо структурной поддержки, коллаген также может взаимодействовать с рецепторами клеточной поверхности и другими промежуточными молекулами для регулирования клеточных процессов, таких как рост и миграция, которые включают изменения формы клеток и тканей.

Структурные белки составляют основу цитоскелета клетки. Цитоскелет состоит из трех типов нитей, микрофиламентов, промежуточных нитей и микротрубочек, каждый из которых состоит из различных структурных белков.Микрофиламент образуется, когда актин самополимеризуется в длинные повторяющиеся структуры. Эти актиновые филаменты вносят вклад в форму и организацию клеток; Кроме того, микрофиламенты также могут способствовать перемещению и делению клеток, когда они действуют вместе с миозином. Состав промежуточных волокон варьируется в зависимости от типа клетки. Существует около 70 различных генов, кодирующих различные промежуточные филаменты. Промежуточные филаменты в эпителиальных клетках содержат кератин, периферические нейроны содержат периферин, а саркомеры в мышечных клетках содержат десмин.Основная структурная функция этих нитей - укреплять клетки и организовывать их в ткани. Микротрубочки состоят из структурных белков, называемых тубулинами. Тубулины самоорганизуются с образованием микротрубочек, которые способствуют организации цитоплазмы, включая расположение органелл. Микротрубочки также необходимы для митоза и деления клеток.

Поскольку структурные белки широко распространены, мутация в гене, кодирующем любой из этих белков, может иметь серьезные пагубные последствия.Например, мутация в гене, кодирующем коллаген, может привести к состоянию, известному как несовершенный остеогенез, которое характеризуется слабостью костей и деформациями соединительных тканей. Различные мутации в гене коллагена могут привести к синдрому Альпорта, который характеризуется проблемами в таких органах, как почки, глаза и уши.


Рекомендуемая литература

  1. Лодиш, Х., Берк, А., Зипурски, С.Л., Мацудаира, П., Балтимор, Д., И Дарнелл, Дж. (2000). Молекулярная клеточная биология 4-е издание. Национальный центр биотехнологической информации, книжная полка .
  2. Ricard-Blum, S. (2011). Семейство коллагена. Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии , 3 (1), a004978.
  3. Домингес, Р., и Холмс, К. К. (2011). Структура и функции актина. Годовой обзор биофизики , 40 , 169-186.
  4. Даунинг, К. Х., & Ногалес, Э. (1998). Строение тубулина и микротрубочек. Текущее мнение в области клеточной биологии , 10 (1), 16-22.
  5. Гейслер Ф. и Лейбе Р. Э. (2016). Эпителиальные промежуточные нити: защитники от микробной инфекции ?. Ячейки , 5 (3), 29. doi: 10.3390 / Cell5030029

Структура и функции белка

Структура белка закладывает основу для его взаимодействия с другими молекулами организма и, следовательно, определяет его функцию. В этой статье будут рассмотрены структурные принципы белков и их влияние на функцию белка.

Первичная структура белка

Белки состоят из длинной цепи аминокислот. Даже при ограниченном количестве аминокислотных мономеров - в организме человека обычно встречается только 20 аминокислот - их можно расположить множеством способов, чтобы изменить трехмерную структуру и функцию белка. Простое секвенирование белка известно как его первичная структура.

Вторичная структура белка

Вторичная структура белка зависит от локальных взаимодействий между частями белковой цепи, которые могут влиять на укладку и трехмерную форму белка.Есть две основные вещи, которые могут изменить вторичную структуру:

  • α-спираль: группы N-H в основной цепи образуют водородную связь с группой C = O четырех аминокислотных остатков ранее в спирали.
  • β-складчатый лист: группы N-H в основной цепи одной цепи образуют водородные связи с группами C = O в основной цепи полностью вытянутой цепи рядом с ней.

Также может быть несколько функциональных групп, таких как спирты, карбоксамины, карбоновые кислоты, тиоэфиры, тиолы и другие основные группы, связанные с каждым белком.Эти функциональные группы также влияют на складывание белков и, следовательно, на их функцию в организме.

Третичная структура

Третичная структура белков относится к общей трехмерной форме после вторичных взаимодействий. К ним относится влияние полярных, неполярных, кислотных и основных R-групп, которые существуют на белке.

Четвертичный белок

Четвертичная структура белка относится к ориентации и расположению субъединиц в белках с несколькими субъединицами.Это актуально только для белков с несколькими полипептидными цепями.

Белки складываются в определенные формы в соответствии с последовательностью аминокислот в полимере, и функция белка напрямую связана с полученной трехмерной структурой.

Белки могут также взаимодействовать друг с другом или с другими макромолекулами в организме, создавая сложные сборки. В этих сборках белки могут развивать функции, которые были невозможны в автономном белке, такие как выполнение репликации ДНК и передача клеточных сигналов.

Природа белков также очень разнообразна. Например, некоторые из них довольно жесткие, а другие - несколько гибкие. Эти характеристики также соответствуют функции белка. Например, более жесткие белки могут играть роль в структуре цитоскелета или соединительных тканей. С другой стороны, те, у кого есть некоторая гибкость, могут действовать как шарниры, пружины или рычаги, помогая в работе других белков.

Функции белка

Белки играют важную роль во многих важных биологических процессах и функциях.Они очень универсальны и выполняют множество различных функций в организме, как указано ниже:

  • Действуют как катализаторы
  • Транспорт других молекул
  • Хранить другие молекулы
  • Обеспечьте механическую поддержку
  • Обеспечивает иммунную защиту
  • Создать движение
  • Передавать нервные импульсы
  • Контроль роста и дифференцировки клеток

Степень, в которой структура белков влияет на их функцию, демонстрируется влиянием изменений в структуре белка.Любое изменение белка на любом структурном уровне, включая небольшие изменения в укладке и форме белка, может сделать его нефункциональным.

Список литературы

  1. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21177/
  2. http://genome.tugraz.at/MolecularBiology/WS11_Chapter03.pdf
  3. https://www.boundless.com/biology/textbooks/boundless-biology-textbook/biological-macromolecules-3/proteins-56/protein-structure-304-11437/

Структурные белки - обзор

Выводы

Структурные классификации белков классифицируют белковые структуры, депонированные в PDB, в соответствии с их трехмерными структурными характеристиками и эволюционными отношениями.Публично доступны три основных классификации: SCOP, CATH и ECOD. Был разработан ряд алгоритмов для распознавания границ доменов в белковых структурах с использованием методов, основанных на последовательностях, структурах и ab initio. Также были разработаны алгоритмы для обнаружения гомологичных отношений, которые используются для отнесения этих доменов к гомологичным суперсемейским группам и, таким образом, их классификации в иерархии классификации.

Методы кластеризации ближайших соседей являются альтернативным способом поиска структурных гомологов.Методы структурного сравнения (например, Dali и VAST +) используются, например, для сравнения одной или нескольких структур запроса друг с другом или со всем архивом PDB. Предоставляется только информация о структурном сходстве, предлагая быстрый способ создания списков потенциальных структурных родственников и аналогов.

SCOP, CATH и ECOD имеют много общего в иерархиях структурной классификации белков, которые обсуждаются в разделе «Иерархическая структурная классификация». Консенсусные данные суперсемейства SCOP и CATH были определены в рамках проекта Genome3D и в настоящее время интегрируются в ресурс InterPro для увеличения охвата данных для ресурсов SUPERFAMILY и Gene3D (см. Раздел «Интеграция ресурсов SCOP и CATH»).

Взгляд на текущее состояние структурной вселенной белков подчеркивает большие объемы структурных данных, которые были проанализированы и стали общедоступными. Как было замечено в последние годы, наблюдается неравномерное распределение доменов, относящихся к белковым складкам и суперсемействам. Например, на 100 наиболее населенных суперсемейств CATH постоянно приходится около половины всех последовательностей структурных доменов.

В разделе «Структурные семейства в геномную эру» рассматривается огромное количество доступных данных о геномных последовательностях, в котором описывается, как данные структурных семейств используются для аннотирования этих данных, которые не имеют каких-либо известных структур.Библиотеки HMM строятся на основе данных структурных доменов в CATH, которые затем используются сестринским ресурсом Gene3D для сканирования последовательностей генома с целью поиска значимых структурных совпадений для определения домена и гомологии. Эти методы сканирования и библиотеки предоставляют очень эффективный способ аннотировать геномные данные.

Суперсемейства и функциональные семейства

CATH можно использовать для изучения эволюции белковой последовательности, структуры и функции. Механизмы этих расхождений обсуждаются в разделе «Эволюция структуры, последовательности и функции белков».Суперпозиции суперсемейства иллюстрируют любое структурное разнообразие внутри суперсемейства, но ясно показывают, что даже различные суперсемейства имеют высококонсервативное структурное ядро. Данные о функциональном семействе являются важной частью при изучении функционального разнообразия внутри суперсемейства, определении функциональных родственников и при аннотировании функции белка для неизвестных последовательностей.

Устройство и функции

Структура макромолекул определяет функцию и регуляцию

Студенты должны уметь объяснять и применять основные концепции макромолекулярной структуры и функции, включая природу биологических макромолекул, их взаимодействие с водой, взаимосвязь между структурой и функцией, а также часто встречающиеся механизмы регулирования их функции.

Цели обучения, указанные ниже, подразделяются на вводные A, промежуточные B и верхние C.

1. Биологические макромолекулы большие и сложные

Макромолекулы состоят из основных молекулярных единиц. Они включают белки (полимеры аминокислот), нуклеиновые кислоты (полимеры нуклеотидов), углеводы (полимеры сахаров) и липиды (с различными модульными составляющими). Биосинтез и разложение биологических макромолекул включает линейную полимеризацию, стадии разрушения (белки, нуклеиновые кислоты и липиды), а также могут включать разветвление / разветвление (углеводы).Эти процессы могут включать мультибелковые комплексы (например, рибосомы, протеасомы) со сложной регуляцией.

Связанные цели обучения
  • Учащиеся должны уметь обсуждать разнообразие и сложность различных биологически значимых макромолекул и макромолекулярных ансамблей с точки зрения эволюционной пригодности. A
  • Учащиеся должны уметь описывать основные единицы макромолекул и типы связей между ними. A
  • Учащиеся должны уметь сравнивать и противопоставлять процессы, участвующие в биосинтезе основных типов макромолекул (белков, нуклеиновых кислот и углеводов).B
  • Учащиеся должны уметь сравнивать и противопоставлять процессы, участвующие в деградации основных типов макромолекул (белков, нуклеиновых кислот и углеводов).
  • Студенты должны понимать, что белки состоят из доменов, и уметь обсуждать, как семейства белков возникают в результате дублирования первичного гена. C

2. Структура определяется несколькими факторами

Ковалентные и нековалентные связи определяют трехмерные структуры белков и нуклеиновых кислот, влияющие на их функцию.Аминокислотные последовательности, наблюдаемые в природе, тщательно отбираются по биологической функции, но не обязательно имеют уникальную складчатую структуру. Структура (и, следовательно, функция) макромолекул регулируется основополагающими принципами химии, такими как ковалентные связи и полярность, вращения и колебания связей, нековалентные взаимодействия, гидрофобный эффект и динамические аспекты молекулярной структуры. Последовательность (и, следовательно, структура и функция) белков и нуклеиновых кислот могут быть изменены путем альтернативного сплайсинга, мутации или химической модификации.Последовательности (и, следовательно, структура и функция) макромолекул могут развиваться, создавая измененные или новые биологические активности.

Связанные цели обучения
  • Учащиеся должны уметь распознавать повторяющиеся единицы в биологических макромолекулах и уметь обсуждать структурные воздействия вовлеченных ковалентных и нековалентных взаимодействий. A
  • Учащиеся должны уметь обсуждать состав, эволюционные изменения и, следовательно, структурное разнообразие различных типов биологических макромолекул, обнаруженных в организмах.A
  • Студенты должны уметь обсуждать химические и физические отношения между составом и структурой макромолекул. A
  • Учащиеся должны уметь сравнивать и противопоставлять первичные, вторичные, третичные и четвертичные структуры белков и нуклеиновых кислот. B
  • Студенты должны уметь использовать различные биоинформатические подходы для анализа первичной последовательности и структуры макромолекул. B
  • Учащиеся должны уметь сравнивать и противопоставлять эффекты химической модификации конкретных аминокислот на трехмерную структуру белка.B
  • Учащиеся должны уметь сравнивать и противопоставлять способы, которыми конкретная макромолекула может принимать новые функции в результате эволюционных изменений. B
  • Студенты должны уметь использовать различные биоинформатические и вычислительные подходы для сравнения первичных последовательностей и определения влияния сохранения и / или эволюционных изменений на структуру и функцию макромолекул. C
  • Учащиеся должны уметь предсказывать влияние мутаций на активность, структуру или стабильность белка и разрабатывать соответствующие эксперименты для оценки эффектов мутаций.C
  • Студенты должны уметь предлагать подходящие химические или химические биологические подходы для изучения локализации и взаимодействия биологических макромолекул. C
  • Студенты должны быть в состоянии обсудить, как мутации дублированного гена создают функциональное разнообразие. C
  • Студенты должны уметь оценивать химический и энергетический вклад в соответствующие уровни структуры макромолекулы и предсказывать влияние конкретных изменений структуры на динамические свойства молекулы.C

3. Структура и функции взаимосвязаны

Макромолекулы взаимодействуют с другими молекулами, используя множество нековалентных взаимодействий. Специфичность и сродство этих взаимодействий имеют решающее значение для биологической функции. Некоторые макромолекулы катализируют химические реакции или способствуют физическим процессам (например, молекулярному переносу), позволяя им протекать в условиях окружающей среды. Эти процессы могут быть количественно описаны с помощью законов скорости и термодинамических принципов (например,грамм. теория столкновений, теория переходного состояния, законы скорости и равновесия, эффекты температуры и структуры и химической реакционной способности, закон Кулона, законы движения Ньютона, энергия и стабильность, трение, диффузия, термодинамика и концепция случайности и вероятности).

Связанные цели обучения
  • Учащиеся должны уметь использовать механистические рассуждения, чтобы объяснить, как фермент или рибозим катализирует определенную реакцию. A
  • Студенты должны уметь обсуждать основы различных типов ферментативных механизмов.A
  • Студенты должны уметь рассчитывать ферментативные уровни, сравнивать их и соотносить эти скорости с гомеостазом клеток или организма. B
  • Студенты должны уметь обсуждать различные методы, которые можно использовать для определения сродства и стехиометрии комплекса лиганд-макромолекула, и соотносить результаты как с термодинамическими, так и с кинетическими данными. B
  • Студенты должны уметь критически оценивать вклад в специфичность комплекса лиганд-макромолекула и планировать эксперименты для оценки вкладов в специфичность и проверки гипотез о специфичности лиганда в комплексе.C
  • Учащиеся должны уметь предсказывать биологические и химические эффекты мутации или структурных изменений лиганда на аффинность связывания и планировать соответствующие эксперименты для проверки своих прогнозов. C

4. Макромолекулярные взаимодействия

Взаимодействия между макромолекулами и другими молекулами основаны на тех же слабых, нековалентных взаимодействиях, которые играют главную роль в стабилизации трехмерных структур самих макромолекул.Важны гидрофобный эффект, ионные взаимодействия и взаимодействия водородных связей. Структурная организация взаимодействующих химических групп в сайте связывания или активном сайте придает этим взаимодействиям высокую степень специфичности. Специфичность и сродство этих взаимодействий имеют решающее значение для биологической функции.

Связанные цели обучения
  • Учащиеся должны уметь обсуждать влияние изменений специфичности или аффинности на биологическую функцию и любое потенциальное эволюционное влияние.A
  • Студенты должны уметь обсуждать различные методы, которые можно использовать для определения сродства и стехиометрии для комплекса лиганд-макромолекула, и соотносить результаты как с термодинамическими, так и с кинетическими данными. B
  • Учащиеся должны уметь обсуждать взаимодействия между различными биологическими молекулами (включая белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы, мелкие органические вещества и т. Д.) И описывать, как эти взаимодействия влияют на специфичность или сродство, приводя к изменениям биологической функции.B
  • Студенты должны быть в состоянии предсказать эффекты мутации или структурных изменений лиганда на аффинность связывания и спланировать соответствующие эксперименты для проверки своих прогнозов. C
  • Учащиеся должны уметь обсуждать взаимосвязь между температурой, необходимой для денатурации (Tm), и структурой макромолекул. C

5. Структура макромолекул динамична

Макромолекулярная структура является динамичной в широком диапазоне временных масштабов, и динамические структурные изменения, большие и малые, часто имеют решающее значение для биологической функции.Небольшие изменения могут проявляться в виде локализованных молекулярных колебаний, которые могут облегчить доступ малых молекул к внутренним частям макромолекулы. Большие конформационные изменения могут происходить в виде движений различных макромолекулярных доменов относительно друг друга, чтобы облегчить катализ или другие формы работы. Белки могут содержать внутренне неструктурированные домены. Отсутствие структуры в растворе может способствовать функции, при которой взаимодействия должны происходить беспорядочно с несколькими другими молекулами.Динамическая структура макромолекул делает возможными быстрые изменения, влияющие на гомеостаз биохимических и молекулярно-биологических процессов.

Связанные цели обучения
  • Студенты должны быть в состоянии обсудить временные масштабы различных конформационных эффектов в биологических макромолекулах А и спланировать соответствующие эксперименты для исследования лиганд-индуцированных изменений конформации и динамики. C
  • Учащиеся должны уметь обсуждать структурную основу динамических свойств макромолекул и предсказывать эффекты изменений динамических свойств A, которые могут возникнуть в результате изменения первичной последовательности.C
  • Студенты должны уметь предсказать, является ли последовательность упорядоченной или неупорядоченной C, и обсудить потенциальную роль неупорядоченных областей белков. B
  • Студенты должны уметь критически обсуждать доказательства за и против роли динамики в функции макромолекул. C

6. Биологическая активность макромолекул часто регулируется

Биологическая активность макромолекул часто регулируется одним или несколькими иерархическими способами (например,грамм. ингибиторы, активаторы, модификаторы, синтез, разложение и компартментализация).

Связанные цели обучения
  • Учащиеся должны уметь сравнивать и противопоставлять различные механизмы регулирования функции макромолекулы, ферментативной реакции или пути. A
  • Студенты должны уметь аллостерически обсуждать преимущества и недостатки регулирования реакции. B
  • Студенты должны уметь обсуждать примеры аллостерической регуляции, ковалентной регуляции и изменений на уровне генов макромолекулярной структуры-функции.B
  • Студенты должны использовать экспериментальные данные для оценки типа регуляции в ответ на гомотропные или гетеротропные лиганды на макромолекуле. C
  • Студенты должны уметь создать модель, объясняющую регуляцию структуры-функции макромолекул. C
  • Учащиеся должны уметь описывать, как эволюция повлияла на регуляцию макромолекул и процессов. C
  • Студенты должны быть в состоянии описать, как изменения клеточного гомеостаза влияют на сигнальные и регуляторные молекулы и промежуточные продукты метаболизма.C

7. Структура (и, следовательно, функция) макромолекул регулируется основополагающими принципами химии и физики

Структура (и, следовательно, функция) макромолекул регулируется основополагающими принципами химии (включая ковалентные связи и полярность; вращения и колебания связей; водородные связи и нековалентные взаимодействия; гидрофобный эффект; динамические аспекты молекулярной структуры; теория столкновений ; теория переходного состояния; законы скорости и равновесия; эффекты температуры и структуры и химической реактивности) и физика (включая закон Кулона; законы движения Ньютона; энергия и стабильность; трение; диффузия; термодинамика; а также концепция случайности и вероятности). .

Связанные цели обучения
  • Учащиеся должны уметь связывать основные принципы законов скорости и равновесия с реакциями и взаимодействиями и вычислять соответствующие термодинамические параметры для реакций и взаимодействий. A
  • Студенты должны быть в состоянии объяснить, как лиганд, введенный в раствор, содержащий макромолекулу, с которой он может связываться, взаимодействует с макромолекулой. A
  • Студенты должны уметь объяснять, используя основные принципы, влияние температуры на реакцию, катализируемую ферментами.B
  • Учащиеся должны уметь обсуждать динамические свойства макромолекул, используя фундаментальные принципы физики. B

8. Для наблюдения и количественного измерения структуры, динамики и функции биологических макромолекул могут использоваться различные экспериментальные и вычислительные подходы

Для наблюдения и количественного измерения структуры, динамики и функций биологических макромолекул можно использовать различные экспериментальные и вычислительные подходы.Уравнения можно выводить из моделей и использовать для прогнозирования результатов или анализа данных. Данные можно анализировать статистически, чтобы оценить правильность модели и надежность данных.

Связанные цели обучения
  • Студенты должны быть в состоянии предложить схему очистки для конкретной молекулы в смеси с учетом биофизических свойств различных молекул в смеси. B
  • Студенты должны уметь либо предлагать эксперименты, которые определяют четвертичную структуру молекулы, либо уметь интерпретировать данные, относящиеся к третичной и четвертичной структуре молекул.B
  • Студенты должны быть в состоянии объяснить, как вычислительные подходы могут быть использованы для изучения взаимодействий белок-лиганд, и обсудить, как результаты таких вычислений могут быть исследованы экспериментально. C
  • Студенты должны уметь сравнивать и противопоставлять доступные вычислительные подходы, чтобы предложить трехмерную структуру макромолекулы, и обсудить, как предложенная структура может быть подтверждена экспериментально. C
  • Учащиеся должны уметь анализировать кинетические или связывающие данные для получения соответствующих параметров и оценки достоверности модели, используемой для описания явления.C

Глава 2: Структура белка - химия

Глава 2: Структура белка

2.1 Структура и свойства аминокислот

2.2 Образование пептидной связи и структура первичного белка

2.3 Структура вторичного белка

2.4 Супервторичная структура и белковые мотивы

2,5 Структура третичного и четвертичного белка

2.6 Сворачивание, денатурация и гидролиз белков

2.7 Ссылки

2.1 Структура и свойства аминокислот

Белки являются одними из наиболее распространенных органических молекул в живых системах и обладают самым разнообразным набором функций среди всех макромолекул. Белки могут быть структурными, регуляторными, сократительными или защитными; они могут служить для транспортировки, хранения или перепонки; или они могут быть токсинами или ферментами.Каждая клетка живой системы может содержать тысячи различных белков, каждый из которых выполняет уникальную функцию. Их структуры, как и их функции, сильно различаются. Однако все они представляют собой полимеры альфа-аминокислот, расположенные в линейной последовательности и связанные друг с другом ковалентными связями.

Структура альфа-аминокислот

Основными строительными блоками белков являются альфа (α) аминокислот . Как следует из их названия, они содержат функциональную группу карбоновой кислоты и функциональную группу амина.Обозначение альфа используется, чтобы указать, что эти две функциональные группы отделены друг от друга одной углеродной группой. Помимо амина и карбоновой кислоты, альфа-углерод также присоединен к водороду и одной дополнительной группе, которая может различаться по размеру и длине. На схеме ниже эта группа обозначена как R-группа. В живых организмах в качестве строительных блоков белка используются 20 аминокислот. Они отличаются друг от друга только положением R-группы. Основная структура аминокислоты показана ниже:

Рисунок 2.1 Общая структура альфа-аминокислоты


Всего в белковые структуры обычно включаются 20 альфа-аминокислот (рис. 2.x). Различные R-группы имеют разные характеристики в зависимости от природы атомов, включенных в функциональные группы. Есть R-группы, которые преимущественно содержат углерод и водород и очень неполярны или гидрофобны. Другие содержат полярные незаряженные функциональные группы, такие как спирты, амиды и тиолы. Некоторые аминокислоты являются основными (содержащие функциональные аминогруппы) или кислотными (содержащими функциональные группы карбоновых кислот).Эти аминокислоты способны образовывать полные заряды и могут взаимодействовать с ионами. Каждая аминокислота может быть сокращена с использованием трехбуквенного и однобуквенного кода.

Рис. 2.2 Структура 20 альфа-аминокислот, используемых в синтезе белка. R-группы обозначены обведенными / окрашенными участками каждой молекулы. Цвета указывают на определенные классы аминокислот: гидрофобные - зеленый и желтый, гидрофильные полярные незаряженные - оранжевый, гидрофильные кислые - синие, гидрофильные основные - розовые.

Щелкните здесь, чтобы загрузить версию таблицы аминокислот


Неполярные (гидрофобные) аминокислоты

Неполярные аминокислоты можно в значительной степени подразделить на два более конкретных класса: алифатические аминокислоты, аминокислоты и ароматические аминокислоты. , алифатических аминокислот (глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин и пролин) обычно содержат разветвленные углеводородные цепи, от простейших - от глицина до более сложных структур лейцина и валина.Пролин также классифицируется как алифатическая аминокислота, но обладает особыми свойствами, поскольку углеводородная цепь циклизуется с концевым амином, создавая уникальную 5-членную кольцевую структуру. Как мы увидим в следующем разделе, посвященном первичной структуре, пролин может значительно изменить трехмерную структуру из-за структурной жесткости кольцевой структуры, когда он включен в полипептидную цепь и обычно находится в областях белка, где возникают складки или повороты.

Ароматические аминокислоты , (фенилаланин, тирозин и триптофан), , как следует из их названия, содержат ароматические функциональные группы в своей структуре, что делает их в значительной степени неполярными и гидрофобными из-за высокого содержания углерода / водорода. Однако следует отметить, что гидрофобность и гидрофильность представляют собой скользящую шкалу, и каждая из различных аминокислот может иметь разные физические и химические свойства в зависимости от их структуры. Например, гидроксильная группа, присутствующая в тирозине, увеличивает его реакционную способность и растворимость по сравнению с фенилаланином.

Метионин, одна из серосодержащих аминокислот обычно классифицируется как неполярные, гидрофобные аминокислоты, поскольку концевая метильная группа создает функциональную группу тиоэфира, которая обычно не может образовывать постоянный диполь внутри молекулы и сохраняет низкую растворимость.

Полярные (гидрофильные) аминокислоты

Полярные гидрофильные аминокислоты можно подразделить на три основных класса: полярные незаряженные, кислотные и основные функциональные группы.В пределах полярного незаряженного класса боковые цепи содержат гетероатомы (O, S или N), которые способны образовывать постоянные диполи в R-группе. К ним относятся гидроксил- и сульфоксил-содержащие аминокислоты, серин, треонин и цистеин и амидосодержащие аминокислоты , глутамин и аспаригин. Две аминокислоты, глутаминовая кислота (глутамат) и аспарагиновая кислота (аспартат) составляют кислые аминокислоты и содержат боковые цепи с функциональными группами карбоновых кислот, способными полностью ионизироваться в растворе.Основные аминокислоты , лизин, аргинин и гистидин содержат функциональные аминогруппы, которые можно протонировать для обеспечения полного заряда.

Многие аминокислоты с гидрофильными R-группами могут участвовать в активном сайте ферментов. Активный центр - это часть фермента, которая напрямую связывается с субстратом и осуществляет реакцию. Белковые ферменты содержат каталитических групп , состоящих из R-групп аминокислот, которые способствуют образованию и разрушению связей.Аминокислоты, которые играют значительную роль в специфичности связывания активного сайта, обычно не соседствуют друг с другом в первичной структуре, а образуют активный сайт в результате сворачивания при создании третичной структуры, как вы увидите позже в глава.

Белковые структуры, построенные из основных аминокислот, могут состоять из сотен аминокислот. Таким образом, для простоты 20 аминокислот, используемых для синтеза белка, имеют аббревиатуры как трехбуквенного, так и однобуквенного кода (Таблица 2.1). Эти сокращения обычно используются для обозначения белковых последовательностей в биоинформатических и исследовательских целях.

Таблица 2.1 Аббревиатуры α-аминокислот



Мысленный вопрос: Триптофан содержит функциональную группу амина, почему триптофан не является основным?

Ответ: Триптофан содержит индольную кольцевую структуру, которая включает функциональную группу амина. Однако из-за близости и электроноакцепторной природы ароматической кольцевой структуры неподеленная пара электронов на азоте недоступна для принятия протона.Вместо этого они участвуют в образовании связей p- в нескольких различных резонансных структурах, возможных для индольного кольца. На рис. 2.3A показаны четыре возможные резонансные структуры для индола. И наоборот, в структуре имидазольного кольца, обнаруженной в гистидине, есть два атома азота, один из которых участвует в образовании резонансных структур (азот № 1 на рисунке 2.3B) и не может принимать протон, а другой (азот № 3 ), которая имеет неподеленную пару электронов, которая может принять протон.

Рис. 2.3 Сравнение структурной доступности неподеленной пары электронов на азоте для принятия протона в кольцевой структуре индола и иммидизола . (A) Показаны четыре резонансные структуры индольной кольцевой структуры, демонстрирующие, что неподеленная пара электронов на азоте участвует в образовании pi -связей. (B) Кольцевая структура имидазола имеет один азот (1), который участвует в резонансных структурах (не показаны) и не может принимать протон, в то время как второй азот (3) имеет неподеленную пару электронов, доступных для принятия протона. как показано.

Работай самостоятельно:

В приведенном выше примере опишите с помощью химической диаграммы, почему амидные атомы азота, содержащиеся в аспарагине и глутамине, не являются основными.



Альфа-аминокислоты - хиральные молекулы

Если вы изучите структуру альфа-углерода в каждой из аминокислот, вы заметите, что все аминокислоты, за исключением глицина, являются хиральными молекулами (Рисунок 2.4) Хиральная молекула - это молекула, которая не накладывается на свое зеркальное отображение. Подобно левой и правой руке, у которых есть большой палец и пальцы в одном порядке, но являются зеркальными, а не одинаковыми, к хиральным молекулам прикреплены одни и те же предметы в одном и том же порядке, но они являются зеркальными, а не одинаковыми. Варианты зеркального отображения хиральных молекул имеют физические свойства, которые почти идентичны друг другу, что очень затрудняет их различение или разделение.Из-за этой природы им дано специальное название стереоизомера - энантиомеры , и фактически сами соединения получили такое же название! Эти молекулы действительно различаются тем, как они вращают простой поляризованный свет, и тем, как они реагируют и взаимодействуют с биологическими молекулами. Молекулы, вращающие свет в правостороннем направлении, называются правовращающими и обозначаются буквой D. Молекулы, которые вращают свет в левом направлении, называются левовращающими и обозначаются буквой L, чтобы отличить один энантиомер от другого.D- и L-формы аланина показаны на рисунке 2.4B.

Хотя большинство аминокислот могут существовать как в левосторонней, так и в правосторонней формах, жизнь на Земле состоит почти исключительно из левосторонних аминокислот. Протеогенные аминокислоты, включенные в белки рибосомами, всегда находятся в L-конформации. Некоторые бактерии могут включать D-аминокислоты в пептиды, не кодируемые рибосомами, но D-аминокислоты в природе используются редко. Интересно, что когда мы обсудим структуру сахаров в главе XX, мы обнаружим, что сахара, которые включены в углеводные структуры, почти исключительно находятся в D-конформации.Никто не знает, почему это так. Однако доктор. Джон Кронин и Сандра Пиццарелло показали, что из аминокислот, которые падают на Землю из космоса на метеоритах, больше находится в L-конформации, чем в D-конформации. Таким образом, тот факт, что мы состоим преимущественно из L-аминокислот, может быть вызван аминокислотами из космоса.

Почему аминокислоты в космосе благоприятствуют L-конформации? Никто точно не знает, но известно, что излучение также может существовать в левосторонней и правосторонней формах. Итак, существует теория под названием гипотеза Боннера , которая предполагает, что преобладающие формы излучения в космосе (т. Е.от вращающейся нейтронной звезды, например) может привести к селективному образованию гомохиральных молекул, таких как L-аминокислоты и D-сахара. Это все еще спекулятивно, но недавние открытия метеоритов делают эту гипотезу гораздо более правдоподобной.

Рисунок 2.4 Хиральность аминокислот. За исключением простейшей аминокислоты, глицина, все другие аминокислоты, которые включены в белковые структуры, имеют хиральную природу. (A) Демонстрирует хиральность структуры основной альфа-аминокислоты при использовании неспецифической R-группы.(B) Пара энантиомеров D- и L-аланина, верхняя диаграмма представляет модель шара и клюшки, а нижняя диаграмма представляет линейную структуру.

Изображение (A) из NASA


Обратите внимание, что обозначения D и L - это особые термины, используемые для того, как молекула вращает простой поляризованный свет. Это не означает абсолютную стереоконфигурацию молекулы. Абсолютная конфигурация относится к пространственному расположению атомов хирального молекулярного объекта (или группы) и его стереохимическому описанию. E.грамм. R или S , имея в виду Rectus или Sinister соответственно.

Абсолютные конфигурации хиральной молекулы (в чистом виде) чаще всего получают с помощью рентгеновской кристаллографии. Альтернативными методами являются оптическая вращательная дисперсия, колебательный круговой дихроизм, использование реагентов хирального сдвига в протонном ЯМР и визуализации кулоновского взрыва. После получения абсолютной конфигурации назначение R или S основано на правилах приоритета Кан – Ингольда – Прелога, , которые можно просмотреть, перейдя по ссылке и на рисунке 2.5. Все хиральные аминокислоты, кроме цистеина, также находятся в S-конформации. Цистеин содержит атом серы, из-за чего R-группа имеет более высокий приоритет, чем функциональная группа карбоновой кислоты, что приводит к R-конформации для абсолютной стереохимии. Однако цистеин действительно вращает простой поляризованный свет в левовращающем или левовращающем направлении. Таким образом, R- и S-обозначения не всегда соответствуют D- и L-конформации.

Рисунок 2.5 Абсолютная конфигурация определяется обозначениями Rectus (R) и Sinister (S). В системе Кан-Ингольда Прелога для наименования хиральных центров группы, присоединенные к хиральному центру, ранжируются в соответствии с их атомным номером, причем наивысший атомный номер получает наивысший приоритет (A на диаграмме выше), а наименьший атомный номер получает наименьший приоритет (D на диаграмме выше). Затем зритель с самым низким приоритетом не видит, чтобы правильно сориентировать молекулу для дальнейшей оценки.Затем отслеживается путь приоритетов №1, №2 и №3 (соответствующих A, B и C выше). Если путь идет по часовой стрелке, хиральному центру присваивается R-обозначение, тогда как если путь идет против часовой стрелки, ему присваивается S-обозначение.

Изображение из Википедия


Аминокислоты - цвиттерионы

В химии цвиттер-ион представляет собой молекулу с двумя или более функциональными группами, из которых по крайней мере одна имеет положительный, а другая отрицательный электрический заряд, а суммарный заряд всей молекулы равен нулю при определенном pH.Поскольку они содержат по крайней мере один положительный и один отрицательный заряд, цвиттерионы также иногда называют внутренними солями . Заряды на различных функциональных группах уравновешивают друг друга, и молекула в целом может быть электрически нейтральной при определенном pH. Значение pH, при котором это происходит, называется изоэлектрической точкой .

В отличие от простых амфотерных соединений, которые могут образовывать только или катионные или анионные частицы, цвиттерион одновременно имеет оба ионных состояния.Аминокислоты являются примерами цвиттерионов (рис. 2.6). Эти соединения содержат аммонийную и карбоксилатную группы, и их можно рассматривать как возникающие в результате своего рода внутримолекулярной кислотно-основной реакции: аминогруппа депротонирует карбоновую кислоту.

Рисунок 2.6 Аминокислоты - это цвиттерионы. Аминокислота содержит как кислотные (фрагмент карбоновой кислоты), так и основные (фрагмент амина) центры. Изомер справа - это цвиттерионная форма.


Поскольку аминокислоты являются цвиттерионами, а некоторые из них также содержат потенциал для ионизации в своих R-группах, их состояние заряда in vivo , и, таким образом, их реакционная способность может варьироваться в зависимости от pH, температуры и статуса сольватации локальных микросреда, в которой они расположены.Таблица стандартных значений pK и для аминокислот показана в таблице 2.1 и может использоваться для прогнозирования состояния ионизации / заряда аминокислот и получаемых ими пептидов / белков. Однако следует отметить, что статус сольватации в микроокружении аминокислоты может изменять относительные значения pK a этих функциональных групп и обеспечивать уникальные реактивные свойства в активных центрах ферментов (таблица 2.1). Более подробное обсуждение эффектов десольватации будет дано в главе XX, посвященной механизмам ферментативных реакций.

Таблица 2.1

Версия для печати значений pKa


Как видно из таблицы 2.1, семь аминокислот содержат R-группы с ионизируемыми боковыми цепями и обычно находятся в активных центрах ферментов. Напомним, что pK a определяется как pH, при котором ионизированная и неионизированная формы ионизируемой функциональной группы в молекуле существуют в равных концентрациях. Таким образом, когда функциональная группа сдвигается выше или ниже ее значения pK - , будет происходить сдвиг в концентрациях ионизированных и неионизированных форм, в пользу одного состояния по сравнению с другим.На рис. 2.7 показаны различные R-группы в их неионизированном и ионизированном состояниях и их предпочтительные состояния выше или ниже значения pK a .

Рис. 2.7 Ионизируемые функциональные группы в обычных аминокислотах. Во всех аминокислотах как функциональная группа карбоновой кислоты (C-конец), так и функциональная группа амина (N-конец) способны к ионизации. Кроме того, семь аминокислот (аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, аргинин, гистидин, лизин, тирозин и цистеин) также содержат ионизируемые функциональные группы в своих R-группах.Предпочтительные состояния функциональной группы показаны либо выше, либо ниже их соответствующих значений pK a .


Обычно ионизируемая группа будет благоприятствовать протонированному состоянию в условиях pH ниже ее соответствующих значений pK a и будет благоприятствовать депротонированному состоянию в условиях pH выше ее соответствующего значения pK a . Таким образом, значения pK a могут использоваться для помощи в прогнозировании общих зарядовых состояний аминокислот и их результирующих пептидов / белков в определенной среде.Например, если мы посмотрим на кривую титрования основной аминокислоты, гистидина (рис. 2.8). При достижении каждого pK a состояние заряда аминокислоты изменяется в пользу депротонированного состояния. Таким образом, гистидин будет медленно прогрессировать от общего заряда +2 при очень низком pH (полностью протонированный) до общего заряда -1 при очень высоком pH (полностью депротонирован).

Рис. 2.8 Состояние ионизации гистидина в среде с различным pH. (A) Кривая титрования гистидина от низкого pH до высокого pH.Указывается каждая точка эквивалентности (pK a ). (B) Показывает благоприятное состояние ионизации гистидина после прохождения каждого pK значения .

Изображение адаптировано из L. Van Warren



Дополнительная практика:

Изобразите глутаминовую кислоту и спрогнозируйте общее состояние заряда аминокислоты при pH = 1, pH = 3, pH = 7 и pH = 12.



Образование цистеиновой и дисульфидной связи

Цистеин также является уникальной аминокислотой, поскольку эта боковая цепь способна подвергаться обратимой окислительно-восстановительной ( редокс ) реакции с другими остатками цистеина, создавая ковалентную дисульфидную связь в окисленном состоянии (Рисунок 2.9). Вспомните, что когда молекулы окисляются, они теряют электроны, а когда молекулы восстанавливаются, они приобретают электроны. Во время биологических окислительно-восстановительных реакций ионы водорода ( протонов ) часто удаляются с электронами из молекулы во время окисления и возвращаются во время восстановления. Таким образом, если реакция теряет или набирает протоны, это хороший признак того, что она также теряет или получает электроны и что происходит окислительно-восстановительная реакция.Таким образом, получение или потеря протонов может быть простым способом идентифицировать этот тип реакции.

Дисульфидные связи являются неотъемлемой частью образования трехмерной структуры белков и поэтому могут сильно влиять на функцию получаемого белка. В клеточных системах образование / разрыв дисульфидной связи является ферментно-опосредованной реакцией и может использоваться в качестве механизма для контроля активности белка. Дисульфидные связи будут обсуждаться более подробно в разделе 2.xx данной главы и в главе XX.

Рис. 2.9. Цистеин может окисляться с образованием дисульфидных связей. Во время образования дисульфидной связи два цистеина окисляются с образованием молекулы цистина. Это требует потери двух протонов и двух электронов.

обратно наверх

2.2 Образование пептидных связей и структура первичного белка

В клеточных системах белки связаны между собой большим ферментным комплексом, который содержит смесь РНК и белков.Этот комплекс называется рибосомой . Таким образом, поскольку аминокислоты связаны друг с другом, чтобы сформировать определенный белок, они расположены в очень определенном порядке, который диктуется генетической информацией, содержащейся в молекуле информационной РНК (мРНК). Этот специфический порядок аминокислот известен как первичная последовательность белка . Механизм трансляции, используемый рибосомой для синтеза белков, будет подробно рассмотрен в главе XX.В этой главе основное внимание будет уделено химической реакции, происходящей во время синтеза, и физическим свойствам полученных пептидов / белков.

Первичная последовательность белка связана вместе с использованием дегидратационного синтеза (потеря воды), которые объединяют карбоновую кислоту вышележащей аминокислоты с аминогруппой нижележащей аминокислоты с образованием амидной связи (рис. 2.10). ). Аналогично, обратная реакция - это гидролиз и требует включения молекулы воды для разделения двух аминокислот и разрыва амидной связи.Примечательно, что рибосома служит ферментом, который опосредует реакции синтеза дегидратации, необходимые для построения белковых молекул, тогда как класс ферментов, называемых протеазами , , необходим для гидролиза белка.

В белковых структурах амидная связь между аминокислотами известна как пептидная связь . Последующие аминокислоты будут добавлены на конце карбоновой кислоты растущего белка.Таким образом, белки всегда синтезируются направленным образом, начиная с амина и заканчивая хвостом карбоновой кислоты. Новые аминокислоты всегда добавляются к хвосту карбоновой кислоты, а не к амину первой аминокислоты в цепи. Направленность синтеза белка определяется рибосомой и известна как синтез N- в C .

Рис. 2.10. Образование пептидной связи. Добавление двух аминокислот для образования пептида требует синтеза дегидратации.


Как отмечалось выше в разделе о цвиттерионе, амидные связи имеют резонансную структуру, которая не позволяет атомной неподеленной паре электронов действовать как основание (рис. 2.11).

Рисунок 2.11 Резонансная структура амида. Во время амидного резонанса неподеленные пары электронов азота участвуют в образовании pi -связи с карбонильным углеродом, образующим двойную связь. Таким образом, амидные атомы азота не являются основными. Кроме того, связь C-N в амидной структуре зафиксирована в пространстве и не может вращаться из-за характера связи pi- .

Изображение В.К. Чанг


Вместо этого они участвуют в образовании связи - с карбонильным углеродом. Кроме того, связь C-N в амидной структуре зафиксирована в пространстве и не может вращаться из-за характера связи pi- . Это создает фиксированные физические положения R-групп в растущем пептиде либо в конформации цис или транс . Поскольку R-группы могут быть довольно объемными, они обычно чередуются по обе стороны от растущей белковой цепи в конформации trans .Конформация цис предпочтительна только с одной конкретной аминокислотой, пролином . Это связано с циклической структурой R-группы пролина и стерическими препятствиями, которые возникают, когда пролин принимает конформацию trans (рис. 2.12). Таким образом, остатки пролина могут иметь большое влияние на трехмерную структуру полученного пептида.

Рисунок 2.12. Конформация Cis и Trans R-групп аминокислот. Верхняя диаграмма отображает конформации цис и транс двух соседних аминокислот, обозначенных как X и Y, которые обозначают любую из 20 аминокислот, за исключением пролина. В конформации trans R-группа из аминокислоты X повернута в сторону и находится на другой стороне молекулы по сравнению с R-группой из аминокислоты Y. Эта конформация дает наименьшее количество стерических препятствий по сравнению с cis конформация, в которой R-группы расположены с одной стороны и в непосредственной близости друг от друга.На нижней диаграмме любая аминокислота X расположена перед остатком пролина. Из-за циклизации пролиновой R-группы с амидным азотом в основной цепи это смещает положение пролиновой R-группы, чтобы быть ближе к R-группе от аминокислоты X, когда она принимает конформацию trans . . Таким образом, пролин отдает предпочтение конформации цис , которая имеет меньшие стерические препятствия.


Белки - очень большие молекулы, содержащие много аминокислотных остатков, связанных вместе в очень определенном порядке.Белки имеют размер от 50 аминокислот до самого большого известного белка, содержащего 33 423 аминокислоты. Макромолекулы, содержащие менее 50 аминокислот, известны как пептиды (рис. 2.13).


Рис. 2.13. Пептиды и белки - это макромолекулы, состоящие из длинных цепочек аминокислот, соединенных вместе амидными связями. Порядок и природа аминокислот в первичной последовательности белка определяют структуру укладки белка на основе окружающей среды, окружающей белок (то есть, если он находится внутри клетки, он, вероятно, окружен водой в очень полярной среде. , тогда как если белок встроен в плазматическую мембрану, он будет окружен очень неполярными углеводородными хвостами).


Благодаря большому количеству аминокислот, которые могут быть включены в каждое положение в белке, существуют миллиарды различных возможных комбинаций белков, которые можно использовать для создания новых белковых структур! Например, подумайте о трипептиде, полученном из этого пула аминокислот. В каждой позиции есть 20 различных опций, которые могут быть включены. Таким образом, общее возможное количество образующихся трипептидов составило бы 20 X 20 X 20 или 20 3 , что равняется 8000 различных вариантов трипептидов! А теперь подумайте, сколько вариантов было бы для небольшого пептида, содержащего 40 аминокислот.Было бы 20 40 вариантов или ошеломляющее 1,09 X 10 52 возможных вариантов последовательности! Каждый из этих вариантов будет различаться по общей форме белка, поскольку природа боковых цепей аминокислот помогает определить взаимодействие белка с другими остатками в самом белке и с окружающей его средой.

Характер аминокислот по всему белку помогает белку складываться и формировать его трехмерную структуру. Именно эта трехмерная форма требуется для функциональной активности белка (т. Е. форма белка = функция белка ). Для белков, находящихся в водной среде клетки, гидрофобные аминокислоты часто находятся внутри структуры белка, тогда как водолюбивые гидрофильные аминокислоты будут на поверхности, где они могут связываться водородом и взаимодействовать с молекулами воды. Пролин уникален, потому что он имеет единственную R-группу, которая образует циклическую структуру с аминогруппой в основной цепи. Эта циклизация заставляет пролин принимать конформацию цис , а не конформацию транс в основной цепи.Этот сдвиг в структуре часто означает, что пролины представляют собой положения, в которых происходят изгибы или изменения направления внутри белка. Метионин уникален тем, что он служит исходной аминокислотой почти для всех многих тысяч белков, известных в природе. Цистеины содержат тиоловые функциональные группы и, таким образом, могут окисляться другими остатками цистеина с образованием ковалентных дисульфидных связей в структуре белка (рис. 2.14). Дисульфидные мостики добавляют дополнительную стабильность трехмерной структуре и часто требуются для правильного сворачивания и функционирования белка (Рисунок 2.14).

Рисунок 2.14 Дисульфидные связи. Дисульфидные связи образуются между двумя остатками цистеина в пептидной или белковой последовательности или между различными пептидными или белковыми цепями. В приведенном выше примере изображены две пептидные цепи, которые образуют гормон инсулин. Дисульфидные мостики между двумя цепями необходимы для правильного функционирования этого гормона по регулированию уровня глюкозы в крови.

Изображение предоставлено: CNX OpenStax через Wikimedia Commons


Форма и функции белка

Первичная структура каждого белка приводит к уникальному паттерну сворачивания, который характерен для этого конкретного белка.Таким образом, первичная последовательность - это линейный порядок аминокислот, поскольку они связаны вместе в белковой цепи (рис. 2.15). В следующем разделе мы обсудим сворачивание белка, которое приводит к образованию вторичных, третичных, а иногда и четвертичных белковых структур.

Рис. 2.15. Первичная структура белка представляет собой линейную последовательность аминокислот.

(кредит: модификация работы Национального исследовательского института генома человека)

обратно наверх

2.3 Структура вторичного белка

В предыдущем разделе мы отметили жесткость, создаваемую связью CN в амидной связи, когда аминокислоты соединяются друг с другом, и узнали, что это приводит к тому, что R-группы аминокислот благоприятствуют конфромации транс (за исключением пролина, который поддерживает конформацию цис ). Эта жесткость каркаса белка ограничивает потенциал сворачивания и структуру получаемого белка. Однако связи, прикрепленные к α-углероду, могут свободно вращаться и вносить свой вклад в гибкость и уникальные паттерны сворачивания, наблюдаемые внутри белков.Чтобы оценить возможные модели вращения, которые могут возникнуть вокруг α-углерода, обычно измеряются торсионные углы Phi (Φ) и Psi (ψ). Угол кручения Phi (Φ) измеряет вращение вокруг связи α-углерод-азот, оценивая угол между двумя соседними карбонильными атомами углерода, когда вы смотрите прямо вниз по связи α-углерод-азот в плоскость бумаги (рис. 2.16). ). И наоборот, торсионный угол Psi (ψ) измеряет вращение вокруг связи α-углерод - карбонильный углерод, оценивая угол между двумя соседними атомами азота, когда вы смотрите прямо вниз на связь α-углерод - карбонильный углерод (Рисунок 2.16).

Рисунок 2.16 Торсионные углы Phi (Φ) и Psi (ψ). (A) Торсионный угол Phi (Φ) является мерой вращения вокруг связи между α-углеродом и амидным азотом. Он измеряется как угол между двумя карбонильными атомами углерода, примыкающими к связи, показанный на нижней панели. (B) Торсионный угол Psi (ψ) является мерой вращения вокруг связи между α-углеродом и карбонильным углеродом. Он измеряется как угол между двумя атомами азота, примыкающими к связи, показанный на нижней панели.


В то время как связи вокруг α-углерода могут свободно вращаться, предпочтительные торсионные углы ограничены меньшим набором возможностей, поскольку соседние атомы избегают конформаций, которые имеют связанные с ними высокие стерические препятствия. Г. Рамачандран создал компьютерные модели небольших пептидов для определения стабильных конформаций торсионных углов Phi (Φ) и Psi (ψ). На основе своих результатов он создал так называемый график Рамачандрана, который графически отображает области перекрытия наиболее благоприятных торсионных углов Phi (Φ) и Psi (ψ) (Рисунок 2.17)

Рисунок 2.17 График Рамачандрана. Благоприятный и очень благоприятный торсионные углы Phi (Φ) и Psi (ψ) обозначены желтым и красным соответственно. Указаны углы связи для общих вторичных белковых структур.

Изображение изменено с: J. Cooper


Внутри каждого белка небольшие участки белка могут принимать определенные повторяющиеся паттерны сворачивания. Эти конкретные мотивы или узоры называются вторичной структурой .Две из наиболее распространенных вторичных структурных особенностей включают альфа-спираль и бета-гофрированный лист (рис. 2.18). Внутри этих структур внутримолекулярные взаимодействия, особенно водородная связь между амином основной цепи и карбонильными функциональными группами, имеют решающее значение для поддержания трехмерной формы.

Рис. 2.18. Вторичные структурные особенности в структуре белка. Правая альфа-спираль и бета-складчатый лист являются общими структурными мотивами, обнаруженными в большинстве белков.Они удерживаются вместе за счет водородной связи между амином и карбонильным кислородом в основной цепи аминокислоты.

Изображение изменено из: The School of Biomedical Sciences Wiki


Альфа-спираль

Для альфа-спиральных структур очень распространена правая спираль, тогда как левые спирали очень редки. Это связано с торсионными углами Phi (Φ) и Psi (ψ), необходимыми для получения левой альфа-спиральной структуры.Чтобы получить правильную ориентацию левой спирали, белку придется складываться и закручиваться под множеством неблагоприятных углов. Таким образом, они не очень распространены в природе.

Для правой альфа-спирали каждый виток спирали содержит 3,6 аминокислотных остатка (рис. 2.19). Группы R (вариантные группы) полипептида выступают из α -спиральной цепи. Основная цепь полипептида образует повторяющуюся спиральную структуру, которая стабилизируется водородными связями между кислородом карбонила и водородом амина.Эти водородные связи возникают с регулярными интервалами, по одной водородной связи на каждую четвертую аминокислоту, и заставляют основу полипептида образовывать спираль. Каждая аминокислота продвигает спираль вдоль своей оси на 1,5 Å. Каждый виток спирали состоит из 3,6 аминокислот; следовательно, шаг спирали составляет 5,4 Å. На спираль приходится в среднем десять аминокислотных остатков. Различные аминокислоты по-разному склонны к образованию α -спирали. Аминокислоты, которые предпочитают принимать спиральные конформации в белках, включают метионин, аланин, лейцин, глутамат и лизин.Пролин и глицин почти не склонны к образованию спиралей.

Рис. 2.19. Структура правой альфа-спирали. (A) Модель шара и рукояти, вид сбоку. Всего для образования одного витка α -спирали требуется 3,6 аминокислоты. Водородная связь между кислородом карбонила и азотом 4-й аминокислоты стабилизирует спиральную структуру. На показанной структуре черные атомы представляют собой альфа-углерод, серый - карбонильные углероды, красный - кислород, синий - азот, зеленый - R-группы и светло-фиолетовый - атомы водорода.(B) Расширенный вид сбоку, линейная структура и модель заполнения пространства (C) Расширенный вид сверху, линейная структура и модель заполнения пространства

Изображение A изменено с: Максим Изображение B и C от: Генри Якубовски


Ключевые моменты об альфа-спирали:
  • Альфа-спираль более компактна, чем полностью вытянутая полипептидная цепь с углами phi / psi 180 o
  • В белках среднее количество аминокислот в спирали составляет 11, что дает 3 витка.
  • Левая альфа-спираль, хотя и разрешенная при осмотре графика Рамачандрана, наблюдается редко, поскольку аминокислоты, используемые для построения структуры белка, являются L-аминокислотами и смещены в сторону образования правой спирали. Когда левосторонние спирали все же образуются, они часто имеют решающее значение для правильного сворачивания белка, стабильности белка или непосредственно участвуют в формировании активного центра.

Рисунок 2.20 Левосторонняя структура альфа-спирали. На этой диаграмме левая альфа-спираль, показанная желтым цветом, является частью витка шпильки в структуре белка и стабилизирована двумя дисульфидными мостиками, показанными желтым цветом.

Рисунок из: Annavarapu, S., Nanda, V. (2009) BMC Struct Biol 9, 61


  • Сердцевина спирали плотно упакована. В спирали нет отверстий и пор.
  • Все R-группы простираются наружу и от оси спирали. R-группы могут быть гидрофильными или гидрофобными и могут располагаться в определенных положениях на спирали, образуя амфипатические области на белке, или полностью гидрофобные спирали могут также проходить через плазматическую мембрану, как показано на рис. 2.21

Рис. 2.21. Расположение R-групп в альфа-спиральных структурах. R-группы могут быть расположены внутри альфа-спирали для создания амфипатических областей внутри белка, где гидрофильные остатки расположены на одной стороне спирали, а гидрофобные - на другой, как показано на виде сбоку (A) или виде сверху вниз ( ДО Н.Э).R-группы также могут быть полностью гидрофобными в альфа-спиралях, охватывающих плазматическую мембрану, как показано на (D).

Рисунок изменен по: Khara, J.S., et al. (2017) Acta Biomat 57: 103-114 и Ryu, H., et al. (2019) Int J Mol Sci 20 (6) 1437


  • Некоторые аминокислоты чаще встречаются в альфа-спиралях, чем другие. Вот аминокислоты, которые обычно НЕ обнаруживаются в альфа-спиральных структурах: Gly слишком мал и конформационно гибок, чтобы его можно было найти с высокой частотой в альфа-спиралях, в то время как Pro слишком жесткий и в цис -конформация. Pro часто нарушает спиральную структуру, вызывая изгибы белка. Некоторые аминокислоты с боковыми цепями, которые могут связывать H-связь ( Ser, Asp, и Asn ) и не слишком долго, по-видимому, действуют как конкуренты донора и акцептора H-связи основной цепи и дестабилизируют альфа спирали. R-группы с ранним ветвлением, такие как Val и Ile, , дестабилизируют альфа-спираль из-за стерических взаимодействий объемных боковых цепей с основной цепью спирали.
  • Сводная информация о склонностях аминокислот к альфа-спиралям (а также к бета-структуре)
  • Альфа-кератины, основной компонент волос, кожи, меха, клювов и ногтей, почти полностью представляют собой альфа-спираль.

Jmol: Обновлено Изолированная спираль из антифриза белка Jmol14 (Java) | JSMol (HTML5)

Бета-плиссированный лист:

В β-складчатом листе «складки» образованы водородными связями между атомами в основной цепи полипептидной цепи.Группы R присоединены к атомам углерода и простираются выше и ниже складок складки в конформации trans . Складчатые сегменты выстраиваются параллельно или антипараллельно друг другу, а водородные связи образуются между частично положительным атомом азота в аминогруппе и частично отрицательным атомом кислорода в карбонильной группе остова пептида (рис. 2.21).

Рисунок 2.21 Бета-гофрированная листовая структура. β-гофрированный лист может быть ориентирован в параллельной или антипараллельной ориентации, как показано на (A) выше, с β-гофрированным листом, представленным красными стрелками.Направление стрелки указывает ориентацию белка, при этом стрелка проходит в направлении от N к C. Водородная связь между карбонилом основной цепи и функциональными аминогруппами основной цепи стабилизировала как антипараллельные (B слева), так и параллельные (B справа) β-складчатые листовые структуры.

Изображение (A) с: Xenoblast Изображение (B) с: Fvasconcellos


Другие мотивы вторичной структуры:

Другие важные вторичные структуры включают витков, петель, шпильки и гибкие линкеры .Существует множество различных классификаций витков в структуре белка, включая α-витков, β-витков, γ-витков, δ-витков и π-витков . β-витки (наиболее распространенная форма) обычно содержат четыре аминокислотных остатка (рис. 2.22). Пролин и глицин обычно встречаются в поворотных мотивах, так как цис-конформация пролина способствует более резким конформационным изгибам, в то время как минимальная боковая цепь глицина позволяет более плотно упаковывать аминокислоты, чтобы способствовать структуре поворота.

Рис. 2.22. Схема β-витков типа I и II.

Изображение из: Muskid


ω-петля - это универсальный термин для более длинных, расширенных или нерегулярных петель без фиксированной внутренней водородной связи. Шпилька - это особый случай поворота, при котором направление основной цепи белка меняется на противоположное и фланкирующие элементы вторичной структуры взаимодействуют. Например, шпилька beta соединяет две антипараллельные β-нити с водородными связями.Иногда повороты обнаруживаются внутри гибких линкеров или петель, соединяющих белковые домены. Линкерные последовательности различаются по длине и обычно богаты полярными незаряженными аминокислотами. Гибкие линкеры позволяют соединительным доменам свободно скручиваться и вращаться, чтобы рекрутировать своих связывающих партнеров через динамику белковых доменов.

обратно наверх

2.4 Супервторичная структура и белковые мотивы

Между вторичной структурой и третичной структурой белков находятся более крупные трехмерные особенности, которые были идентифицированы во множестве различных белковых структур.Они известны как супервторичная структура и как белок мотивы . Супервторичная структура обычно состоит из двух вторичных структур, связанных между собой витком, и включает спираль-виток-спираль, спираль-петля-спираль, α-α-углы, β-β-углы и β-шпилька-β (рис. 2.23).

Рисунок 2.23 Примеры сверхвторичных структур. (A) β-шпилька-β-структуры характеризуются резким поворотом шпильки, который не нарушает водородные связи двух β-складчатых листовых структур.(B) Предполагаемая структура спирали-поворот-спираль белка Taspase1, (C) угловая структура α-α, присутствующая в белке Myoglobin.

Изображение A предоставлено: Isabella Daidone Изображение B: Johannes van den Boom, et al. (2016) PLosONE 11 (3): e0151431

Изображение C изменено с: Belles14104


Белковые мотивы представляют собой более сложные структуры, созданные из вторичных и супервторичных структурных компонентов, которые являются повторяющимися модальностями, визуализированными во многих белковых структурах.

Бета-нити имеют тенденцию закручиваться в правильном направлении, чтобы минимизировать конформационную энергию. Это приводит к образованию интересных структурных мотивов, обнаруженных во многих типах белков. Две из этих структур включают скрученные листы или опоры, а также бета-стволы (рис. 2.24)

Рис. 2.24. Общие структурные мотивы бета-цепей. (A) Скрученный лист для правой руки, вид сверху и сбоку, (B) Вид сбоку бета-ствола и (C) Вид сверху бета-ствола

Автор изображения: Генри Якубовски


Структурные мотивы могут выполнять определенные функции в белках, такие как обеспечение связывания субстратов или кофакторов.Например, складка Россмана отвечает за связывание с кофакторами нуклеотидов, такими как никотинамидадениндинуклеотид (NAD + ) (рис. 2.25). Складка Россмана состоит из шести параллельных бета-нитей, которые образуют протяженный бета-лист. Первые три нити соединены α-спиралями, в результате чего получается структура бета-альфа-бета-альфа-бета. Этот образец дублируется один раз, чтобы получить перевернутый тандемный повтор, содержащий шесть нитей. В целом жилы расположены в порядке 321456 (1 = N-концевой, 6 = C-концевой).Пять многонитевых складок, подобных Россманну, расположены в порядке 32145. Общая третичная структура складки напоминает трехслойный сэндвич, в котором начинка состоит из удлиненного бета-листа, а два ломтика хлеба образованы соединяющимися параллельными альфами. спирали.

Рис. 2.25. Фолд Россмана. (A) Структура никотинамид-адениндинуклеотида (NAD + ) (B) Мультяшная диаграмма складки Россмана (спирали A-F красные и нити 1-6 желтые) из E.coli фермент малатдегидрогеназа. Показано, что кофактор NAD + связывается как молекула, заполняющая пространство. (C) Схематическая диаграмма шестицепочечной складки Россмана.

Изображение изменено с: Boghog


Одной из особенностей складки Россмана является ее специфичность связывания кофакторов. Наиболее консервативный сегмент складок Россмана - это первый бета-альфа-бета-сегмент. Поскольку этот сегмент находится в контакте с ADP-частью динуклеотидов, таких как FAD, NAD и NADP, его также называют «ADP-связывающей бета-бета складкой».

Интересно, что подобные структурные мотивы не всегда имеют общего эволюционного предка и могут возникать в результате конвергентной эволюции. Так обстоит дело с TIM Barrel, консервативной белковой складкой, состоящей из восьми α-спиралей и восьми параллельных β-цепей, которые чередуются вдоль пептидного остова. Структура названа в честь триозофосфатизомеразы, консервативного метаболического фермента. Бочки TIM - одна из самых распространенных белковых складок. Одна из самых интригующих особенностей представителей этого класса белков заключается в том, что хотя все они демонстрируют одну и ту же третичную складку, между ними очень мало сходства последовательностей.По крайней мере, 15 различных семейств ферментов используют этот каркас для создания соответствующей геометрии активного сайта, всегда на С-конце восьми параллельных бета-цепей цилиндра.

Рисунок 2.26 Ствол TIM. Бочки TIM считаются α / β-складками белка, потому что они включают в себя чередующийся паттерн α-спиралей и β-цепей в одном домене. В цилиндре TIM спирали и нити (обычно по 8 штук) образуют соленоид, который изгибается вокруг себя и замыкается в форме пончика, топологически известной как тороид.Параллельные β-нити образуют внутреннюю стенку бублика (следовательно, β-бочонок), тогда как α-спирали образуют внешнюю стенку бублика. Каждая β-нить соединяется со следующей смежной нитью в цилиндре через длинную правую петлю, которая включает одну из спиралей, так что раскрашивание ленты N-C на виде сверху (A) происходит в радужном порядке вокруг бочка. Ствол TIM можно также рассматривать как состоящий из 8 перекрывающихся правосторонних супервторичных структур β-α-β, как показано на виде сбоку (B).

Изображение изменено с: WillowW


Хотя ленточная диаграмма TIM Barrel показывает отверстие в центральном ядре белка, боковые цепи аминокислот на этом изображении не показаны (рис. 2.26). Ядро белка на самом деле плотно упаковано, в основном с объемными гидрофобными аминокислотными остатками, хотя необходимо несколько глицинов, чтобы дать пространство для маневра для сильно ограниченного центра из 8 приблизительных повторов, чтобы соответствовать друг другу. В упаковочных взаимодействиях между цепями и спиралями также преобладает гидрофобность, и разветвленные алифатические остатки валина, лейцина и изолейцина составляют около 40% от общего количества остатков в β-цепях.

По мере того, как наши знания о бесчисленном множестве структурных мотивов, обнаруженных в сокровищнице природы белковых структур, продолжают расти, мы продолжаем понимать, как структура белка связана с функцией, и мы можем лучше охарактеризовать вновь приобретенные последовательности белка, используя in silico технологии.

обратно наверх

2.5 Структура третичного и четвертичного белка

Полная трехмерная форма всего белка (или сумма всех вторичных структурных мотивов) известна как третичная структура белка и является уникальной и определяющей особенностью этого белка (Рисунок 2.27). В первую очередь, взаимодействия между группами R создают сложную трехмерную третичную структуру белка. Природа групп R, обнаруженных в задействованных аминокислотах, может противодействовать образованию водородных связей, описанных для стандартных вторичных структур, таких как альфа-спираль. Например, группы R с одинаковыми зарядами отталкиваются друг от друга, а группы с разными зарядами притягиваются друг к другу (ионные связи). Незаряженные неполярные боковые цепи могут образовывать гидрофобные взаимодействия.Взаимодействие между боковыми цепями цистеина может приводить к образованию дисульфидных связей.

Рисунок 2.27. Структура третичного белка. Третичная структура белков определяется множеством химических взаимодействий. К ним относятся гидрофобные взаимодействия, ионные связи, водородные связи и дисульфидные связи.

Изображение предоставлено: School of Biomedical Sciences Wiki


Все эти взаимодействия, сильные и слабые, определяют окончательную трехмерную форму белка.Когда белок теряет свою трехмерную форму, он обычно больше не функционирует.

В природе некоторые белки образованы из нескольких полипептидов, также известных как субъединицы, и взаимодействие этих субъединиц образует четвертичную структуру . Слабые взаимодействия между субъединицами помогают стабилизировать общую структуру. Например, инсулин (глобулярный белок) имеет комбинацию водородных и дисульфидных связей, из-за которых он в основном собирается в шар.Инсулин начинается как единый полипептид и теряет некоторые внутренние последовательности во время клеточного процессинга, которые образуют две цепи, удерживаемые вместе дисульфидными связями, как показано на рисунке 2.14. Затем три из этих структур группируются, образуя неактивный гексамер (рис. 2.28). Гексамерная форма инсулина - это способ для организма хранить инсулин в стабильной и неактивной конформации, чтобы он был доступен для высвобождения и реактивации в мономерной форме.

Рисунок 2.28 Гормон инсулина - хороший пример четвертичной структуры. Инсулин вырабатывается и хранится в организме в виде гексамера (единица из шести молекул инсулина), в то время как активной формой является мономер. Гексамер представляет собой неактивную форму с долговременной стабильностью, которая служит средством защиты высокореактивного инсулина, но при этом остается легкодоступным.

Рисунок: Исаак Йонемото


Прогнозирование паттерна сворачивания белка на основе его первичной последовательности является чрезвычайно сложной задачей из-за присущей аминокислотным остаткам гибкости, которые можно использовать для образования различных вторичных признаков.Как описано Fujiwara и др., Классификация SCOP (структурная классификация белков) и SCOPe (расширенная версия) являются основными базами данных, предоставляющими подробные и всесторонние описания всех известных структур белков. Классификация SCOP основана на иерархических уровнях: первые два уровня, семейство , и суперсемейство , описывают близкие и дальние эволюционные отношения, тогда как третий, крат , описывает геометрические отношения и структурные мотивы внутри белка.В рамках схемы складчатой ​​классификации большинство белков отнесено к одному из четырех структурных классов: (1) все α-спирали, (2) все β-листы, (3) α / β для белков с дисперсными структурами и (4) α + β для белков с участками, в которых преобладает тот или иной тип паттерна.

На основании их формы, функции и местоположения белки в целом можно охарактеризовать как волокнистые, глобулярные, мембранные или неупорядоченные.

Волокнистые белки

Волокнистые белки характеризуются удлиненными белковыми структурами.Эти типы белков часто объединяются в филаменты или пучки, образуя структурные каркасы в биологических системах. У животных два наиболее распространенных семейства волокнистых белков - это α-кератин и коллаген.

α-кератин

α-кератин - ключевой структурный элемент, из которого состоят волосы, ногти, рога, когти, копыта и внешний слой кожи. Благодаря своей плотно намотанной структуре, он может функционировать как один из самых прочных биологических материалов и находить различное применение у млекопитающих, от хищных когтей до волос для тепла.α-кератин синтезируется путем биосинтеза белка с использованием транскрипции и трансляции, но когда клетка созревает и наполняется α-кератином, она умирает, создавая прочную несосудистую единицу ороговевшей ткани.

Первые последовательности α-кератинов были определены Ханукоглу и Фуксом. Эти последовательности показали, что существует два различных, но гомологичных семейства кератинов, которые были названы кератином типа I и кератином типа II. У человека 54 гена кератина, 28 из которых кодируют тип I, а 26 - тип II. Белки типа I являются кислыми, что означает, что они содержат больше кислых аминокислот, таких как аспарагиновая кислота, в то время как белки типа II являются основными, что означает, что они содержат больше основных аминокислот, таких как лизин. Эта дифференциация особенно важна для α-кератинов, потому что при синтезе его димера субъединицы, спиральной спирали , одна белковая спираль должна быть типа I, а другая - типа II (рис. 2.29). Даже в пределах типа I и II есть кислые и основные кератины, которые особенно дополняют друг друга в каждом организме.Например, в коже человека K5, α-кератин типа II, соединяется в основном с K14, α-кератином I типа, с образованием комплекса α-кератина клеточного слоя эпидермиса.

Димеры Coiled-coil затем собираются в протофиламенты, очень стабильный левосторонний сверхспиральный мотив, который далее мультимеризуется, образуя филаменты, состоящие из множества копий мономеров кератина (рис. 2.29). Основная сила, которая удерживает структуры coiled-coil, связанные друг с другом, - это гидрофобные взаимодействия между аполярными остатками вдоль спиральных сегментов кератина.

Рисунок 2.29. Формирование промежуточной нити. Промежуточные филаменты состоят из супспирального комплекса α-кератина. Первоначально два мономера кератина (A) образуют структуру димера спиральной спирали (B) Два димера спиральной спирали соединяются, образуя шахматный тетрамер (C), тетрамеры начинают соединяться вместе (D), в конечном итоге формируя лист из восьми тетрамеров (E ). Затем лист из восьми тетрамеров скручивают в левую спираль, образуя конечную промежуточную нить (E). Электронная микрофотография промежуточной нити показана в верхнем левом углу.

Автор изображения: Правительство США


Коллаген

Волокнистый белок Коллаген является наиболее распространенным белком у млекопитающих, составляя от 25% до 35% от общего содержания белка в организме. Он находится преимущественно во внеклеточном пространстве в различных соединительных тканях организма. Коллаген содержит уникальную четвертичную структуру из трех белковых цепей, соединенных вместе, образуя тройную спираль.В основном он находится в фиброзных тканях, таких как сухожилия, связки и кожа.

В зависимости от степени минерализации коллагеновые ткани могут быть жесткими (кость), податливыми (сухожилия) или иметь градиент от жесткого к податливому (хрящ). Его также много в роговице, кровеносных сосудах, кишечнике, межпозвонковых дисках и дентине зубов. В мышечной ткани он служит основным компонентом эндомизия. Коллаген составляет от одного до двух процентов мышечной ткани и составляет 6% веса сильных сухожильных мышц.Фибробласт - наиболее обычная клетка, вырабатывающая коллаген. Желатин, который используется в пище и промышленности, представляет собой необратимо гидролизованный коллаген. Кроме того, в качестве пищевых добавок используются порошки частично или полностью гидролизованного коллагена. Коллаген имеет множество медицинских применений при лечении костей и кожи.

Название коллаген происходит от греческого ( kólla ), что означает «клей», и суффикса -gen , что означает «производство». Это относится к раннему использованию соединения в процессе кипячения кожи и сухожилий лошадей и других животных для получения клея.

Более 90% коллагена в организме человека относится к типу I. Однако по состоянию на 2011 год было идентифицировано, описано и разделено на несколько групп в зависимости от структуры, которую они образуют. Пять наиболее распространенных типов:

  • Тип I: кожа, сухожилие, сосудистая сеть, органы, кость (основной компонент органической части кости)
  • Тип II: хрящ (основной коллагеновый компонент хряща)
  • Тип III: сетчатый (основной компонент ретикулярных волокон), обычно встречается вместе с типом I
  • Тип IV: образует базальную пластинку, секретируемый эпителием слой базальной мембраны
  • Тип V: поверхности клеток, волосы и плацента

Здесь мы сосредоточимся на уникальных свойствах коллагена типа I.Коллаген I типа имеет необычный аминокислотный состав и последовательность:

.
  • Глицин содержится почти в каждом третьем остатке.
  • Пролин составляет около 17% коллагена.
  • Коллаген содержит две необычные производные аминокислоты, не вставленные непосредственно во время трансляции. Эти аминокислоты находятся в определенных местах относительно глицина и посттрансляционно модифицируются различными ферментами, оба из которых требуют витамина С в качестве кофактора (рис. 2.30).
    • Гидроксипролин, производный от пролина
    • Гидроксилизин, полученный из лизина - в зависимости от типа коллагена различное количество гидроксилизинов гликозилировано (в основном с присоединенными дисахаридами).

Рисунок 2.30. Гидроксилирование пролина и лизина во время посттрансляционной модификации коллагена типа I. Ферменты пролилгидроксилаза и лизилгидроксилаза необходимы для гидроксилирования остатков пролина (A) и лизина (B) соответственно. (Примечание: хотя положение 3 показано выше, пролиловые остатки альтернативно могут быть гидроксилированы в положении 4). Ферменты гидроксилазы модифицируют аминокислотные остатки после того, как они были включены в белок в качестве посттрансляционной модификации, и требуют витамина С (аскорбата) в качестве кофактора.(C) Дальнейшая модификация остатков гидроксилизина путем гликозилирования может привести к включению дисахарида (галактоза-глюкоза) в гидрокси-кислород.


Большинство коллагена образуется аналогичным образом. Процесс синтеза коллагена типа I описан ниже и демонстрирует сложность сворачивания и обработки белка (рис. 2.31).

  1. Внутри ячейки
    1. Два типа альфа-цепей образуются во время трансляции на рибосомах вдоль шероховатого эндоплазматического ретикулума (RER): альфа-1 и альфа-2 цепи.Эти пептидные цепи (известные как препроколлаген) имеют регистрирующие пептиды на каждом конце и сигнальный пептид.
    2. Полипептидные цепи высвобождаются в просвет RER.
    3. Сигнальные пептиды расщепляются внутри RER, и теперь эти цепи известны как про-альфа-цепи.
    4. Внутри просвета происходит гидроксилирование аминокислот лизина и пролина. Этот процесс зависит от кофактора аскорбиновой кислоты (витамина С).
    5. Происходит гликозилирование определенных остатков гидроксилизина.
    6. Тройная альфа-спиральная структура образована внутри эндоплазматического ретикулума из двух цепей альфа-1 и одной цепи альфа-2.
    7. Проколлаген доставляется в аппарат Гольджи, где он упаковывается и секретируется путем экзоцитоза.
  2. Вне камеры
    1. Регистрационные пептиды расщепляются, а тропоколлаген образуется проколлагеновой пептидазой.
    2. Множественные молекулы тропоколлагена образуют фибриллы коллагена посредством ковалентного сшивания (альдольная реакция) лизилоксидазой, которая связывает остатки гидроксилизина и лизина.Множественные коллагеновые фибриллы образуют коллагеновые волокна.
    3. Коллаген может быть прикреплен к клеточным мембранам через несколько типов белков, включая фибронектин, ламинин, фибулин и интегрин.


Рисунок 2.31. Синтез коллагена типа I. Полипептидные цепи синтезируются в эндоплазматическом ретикулуме и высвобождаются в просвет, где они гидроксилируются и гликозилируются. Тройная спираль проколлагена образуется и транспортируется через аппарат Гольджи, где подвергается дальнейшей обработке.Проколлаген секретируется во внеклеточный матрикс, где расщепляется на тропоколлаген. Тропоколлаген собирается в коллагеновые фибриллы, где происходит сшивание и водородные связи с образованием конечного коллагенового волокна.

Изображение изменено: E.V. Вонг и Британская энциклопедия


Дефицит витамина С вызывает цингу, серьезное и болезненное заболевание, при котором дефектный коллаген препятствует образованию прочной соединительной ткани. Десны портятся и кровоточат, с потерей зубов; кожа меняет цвет, а раны не заживают.До 18 века это состояние было печально известно среди длительных военных, особенно военно-морских, экспедиций, во время которых участников лишали продуктов, содержащих витамин С.

Аутоиммунное заболевание, такое как красная волчанка или ревматоидный артрит, может поражать здоровые коллагеновые волокна. Кортизол стимулирует расщепление коллагена до аминокислот, предполагая, что стресс может усугубить эти болезненные состояния.

Многие бактерии и вирусы выделяют факторы вирулентности, такие как фермент коллагеназа, который разрушает коллаген или препятствует его производству.

обратно наверх
Глобулярные белки

Глобулярные белки или сферопротеины представляют собой сферические («шарообразные») белки и являются одним из распространенных типов белков. Глобулярные белки в некоторой степени растворимы в воде (образуют коллоиды в воде), в отличие от волокнистых или мембранных белков. Существует несколько классов складок глобулярных белков, поскольку существует множество различных архитектур, которые могут складываться в примерно сферическую форму.

Термин глобин может более конкретно относиться к белкам, включая глобиновую складку. Глобиновая складка представляет собой обычную трехмерную складку в белках и определяет суперсемейство глобиноподобных белков (рис. 2.32). Эта складка обычно состоит из восьми альфа-спиралей, хотя некоторые белки имеют дополнительные удлинения спирали на концах. Глобиновая складка встречается в одноименных семействах белков глобина: гемоглобинах и миоглобинах, а также в фикоцианинах.Поскольку миоглобин был первым белком, структура которого была решена, глобиновая складка была, таким образом, первой обнаруженной белковой складкой. Поскольку глобиновая складка содержит только спирали, она классифицируется как полностью альфа-белковая складка.

Рисунок 2.32 Глобиновая складка. (A) Пример глобиновой складки, переносящего кислород белка миоглобина (PBD ID 1MBA) из моллюска Aplysia limacina. (B) Структура тетрамерного белка гемоглобина, содержащего в общей сложности четыре глобиновых складки.

Изображение A: Википедия Изображение B: Zephyris


Термин глобулярный белок довольно старый (датируется, вероятно, 19-м веком) и теперь несколько архаичен, учитывая сотни тысяч белков и более элегантный и описательный словарь структурных мотивов. Сферическая структура индуцируется третичной структурой белка. Неполярные (гидрофобные) аминокислоты молекулы связаны внутри молекулы, тогда как полярные (гидрофильные) аминокислоты связаны снаружи, что позволяет диполь-дипольным взаимодействиям с растворителем, что объясняет растворимость молекулы.

В отличие от волокнистых белков, которые выполняют преобладающую структурную функцию, глобулярные белки могут действовать как:

  • Ферменты, катализируя органические реакции, происходящие в организме в мягких условиях и с высокой специфичностью. Эту роль выполняют разные эстеразы.
  • Посланники, передающие сообщения для регулирования биологических процессов. Эту функцию выполняют гормоны, например, инсулин и т. Д.
  • Транспортеры других молекул через мембраны
  • Запасы аминокислот.
  • Регуляторные роли также выполняются глобулярными белками, а не волокнистыми белками.
  • Структурные белки, например актин и тубулин, которые являются глобулярными и растворимыми как мономеры, но полимеризуются с образованием длинных жестких волокон

Многие из белков, которые будут подробно описаны в следующих главах, относятся к этому классу белков.

Мембранные белки

Мембранные белки - это белки, которые являются частью биологических мембран или взаимодействуют с ними.Они включают: 1) интегральные мембранные белки, которые являются частью мембраны или постоянно прикреплены к ней, и 2) периферические мембранные белки, которые временно прикрепляются к мембране через интегральные белки или липидный бислой. Интегральные мембранные белки далее классифицируются как трансмембранные белки, которые проходят через мембрану, или интегральные монотопные белки, которые прикрепляются только к одной стороне мембраны.

Мембранные белки, такие как растворимые глобулярные белки, волокнистые белки и неупорядоченные белки, являются обычными. Обладая символической важностью в медицине, мембранные белки являются мишенью для более 50% всех современных лекарственных препаратов. Подсчитано, что 20–30% всех генов в большинстве геномов кодируют мембранные белки. По сравнению с другими классами белков, определение структур мембранных белков остается проблемой в значительной степени из-за сложности создания экспериментальных условий, которые могут сохранить правильную конформацию белка в изоляции от его нативной среды (рис. 2.33).

Мембранные белки выполняют множество функций, жизненно важных для выживания организмов:

  • Белки мембранных рецепторов передают сигналы между внутренней и внешней средой клетки.
  • Транспортные белки перемещают молекулы и ионы через мембрану. Их можно разделить на категории в соответствии с базой данных классификации транспортеров.
  • Мембранные ферменты могут обладать многими видами активности, такими как оксидоредуктаза, трансфераза или гидролаза.
  • Молекулы клеточной адгезии позволяют клеткам идентифицировать друг друга и взаимодействовать.Например, белки, участвующие в иммунном ответе.

Рис. 2.33. Схематическое изображение трансмембранных белков. 1. одиночная трансмембранная α-спираль (битопический мембранный белок) 2. политопный трансмембранный α-спиральный белок 3. политопный трансмембранный β-листовой белок. Мембрана представлена ​​светло-коричневым цветом.

Интегральные мембранные белки постоянно прикреплены к мембране. Такие белки можно отделить от биологических мембран только с использованием детергентов, неполярных растворителей или иногда денатурирующих агентов.Их можно классифицировать в зависимости от их отношения к бислою:

  • Интегральные политопные белки - это трансмембранные белки, которые проходят через мембрану более одного раза. Эти белки могут иметь различную трансмембранную топологию. Эти белки имеют одну из двух структурных архитектур:
    • белков спирального пучка, которые присутствуют во всех типах биологических мембран;
    • бета-стволовых белков, которые обнаруживаются только в наружных мембранах грамотрицательных бактерий, а также в наружных мембранах митохондрий и хлоропластов.
  • Битопические белки - это трансмембранные белки, которые проходят через мембрану только один раз. Трансмембранные спирали из этих белков имеют значительно отличающиеся распределения аминокислот от трансмембранных спиралей политопных белков.
  • Интегральные монотопные белки представляют собой интегральные мембранные белки, которые прикреплены только к одной стороне мембраны и не охватывают весь путь.

Рисунок 2.34 Схематическое изображение различных типов взаимодействия между монотопными мембранными белками и клеточной мембраной. 1. взаимодействие амфипатической α-спирали, параллельной плоскости мембраны (плоская спираль мембраны) 2. взаимодействие гидрофобной петлей 3. взаимодействие ковалентно связанного липида мембраны ( липидирование ) 4. электростатическое или ионное взаимодействие с мембранные липиды.

Автор изображения: : Foobar


Белки периферической мембраны временно присоединяются либо к липидному бислою, либо к интегральным белкам за счет комбинации гидрофобных, электростатических и других нековалентных взаимодействий.Периферические белки диссоциируют после обработки полярным реагентом, например раствором с повышенным pH или высокой концентрацией соли.

Интегральные и периферические белки могут быть посттрансляционно модифицированы с добавлением жирных кислот, диацилглицериновых или пренильных цепей или GPI (гликозилфосфатидилинозитол), которые могут быть закреплены в липидном бислое.

Неупорядоченные белки

Внутренне неупорядоченный белок ( IDP ) - это белок, не имеющий фиксированной или упорядоченной трехмерной структуры (Рисунок 2.35). IDP охватывают спектр состояний от полностью неструктурированного до частично структурированного и включают случайные клубки, (предварительно) расплавленные глобулы и большие многодоменные белки, соединенные гибкими линкерами. Они составляют один из основных типов белков (наряду с глобулярными, волокнистыми и мембранными белками).

Рис. 2.35. Конформационная гибкость белка SUMO-1 (PDB: 1a5r). Центральная часть показывает относительно упорядоченную структуру. Напротив, N- и C-концевые области (левая и правая соответственно) демонстрируют «внутреннее нарушение», хотя короткая спиральная область сохраняется в N-концевом хвосте.Были преобразованы десять альтернативных моделей ЯМР. Элементы вторичной структуры: α-спирали (красные), β-тяжи (синие стрелки).

Автор изображения: Лукаш Козловский


Открытие IDP бросило вызов традиционной парадигме структуры белка, согласно которой функция белка зависит от фиксированной трехмерной структуры. Эта догма была поставлена ​​под сомнение в течение последних двадцати лет из-за растущего количества данных из различных областей структурной биологии, предполагающих, что динамика белков может иметь большое значение для таких систем.Несмотря на отсутствие стабильной структуры, IDP представляют собой очень большой и функционально важный класс белков. В некоторых случаях IDP могут принимать фиксированную трехмерную структуру после связывания с другими макромолекулами. В целом, IDP во многом отличаются от структурированных белков и, как правило, обладают различными свойствами с точки зрения функции, структуры, последовательности, взаимодействий, эволюции и регуляции.

В 1930-1950 годах первые структуры белка были решены с помощью кристаллографии белков.Эти ранние структуры предполагали, что фиксированная трехмерная структура может обычно требоваться для обеспечения биологических функций белков. Утверждая, что белки имеют только одну однозначно определенную конфигурацию, Мирски и Полинг не признали, что работа Фишера поддержала бы их тезис с его моделью «Замок и ключ» (1894). Эти публикации закрепили центральную догму молекулярной биологии в том, что последовательность определяет структуру, которая, в свою очередь, определяет функцию белков.В 1950 году Каруш написал о «конфигурационной адаптивности», что противоречит всем предположениям и исследованиям XIX века. Он был убежден, что белки имеют более одной конфигурации на одном уровне энергии и могут выбирать одну при связывании с другими субстратами. В 1960-х годах парадокс Левинталя предположил, что систематический конформационный поиск длинного полипептида вряд ли приведет к единственной свернутой структуре белка в биологически релевантных временных масштабах (то есть от секунд до минут). Любопытно, что для многих (небольших) белков или белковых доменов можно наблюдать относительно быструю и эффективную рефолдинг in vitro .Как указано в «Догме Анфинсена» 1973 года, фиксированная трехмерная структура этих белков уникально кодируется в их первичной структуре (аминокислотной последовательности), является кинетически доступной и стабильной в ряде (близких) физиологических условий и, следовательно, может рассматриваться как нативное состояние таких «упорядоченных» белков.

В последующие десятилетия, однако, многие крупные белковые области не могли быть отнесены к рентгеновским наборам данных, что указывает на то, что они занимают несколько позиций, которые усредняются на картах электронной плотности.Отсутствие фиксированных уникальных положений относительно кристаллической решетки предполагало, что эти области были «неупорядоченными». Спектроскопия ядерного магнитного резонанса белков также продемонстрировала наличие больших гибких линкеров и концов во многих решенных структурных ансамблях. Сейчас общепринято, что белки существуют как ансамбль подобных структур с некоторыми областями более ограниченными, чем другие. Внутренне неструктурированные белки (IUP) занимают крайний конец этого спектра гибкости, тогда как IDP также включают белки со значительной тенденцией к локальной структуре или гибкими многодоменными сборками.Эти высокодинамичные неупорядоченные области белков впоследствии были связаны с функционально важными явлениями, такими как аллостерическая регуляция и ферментный катализ.

Многие неупорядоченные белки обладают аффинностью связывания со своими рецепторами, регулируемыми посттрансляционной модификацией, поэтому было высказано предположение, что гибкость неупорядоченных белков облегчает различные конформационные требования для связывания модифицирующих ферментов, а также их рецепторов. Внутреннее нарушение особенно обогащено белками, участвующими в передаче клеточных сигналов, транскрипции и ремоделировании хроматина.

Гибкие линкеры

Неупорядоченные области часто встречаются в виде гибких линкеров или петель, соединяющих домены. Линкерные последовательности сильно различаются по длине, но обычно богаты полярными незаряженными аминокислотами. Гибкие линкеры позволяют соединяющим доменам свободно скручиваться и вращаться, чтобы рекрутировать своих связывающих партнеров через динамику белковых доменов. Они также позволяют своим партнерам по связыванию вызывать крупномасштабные конформационные изменения с помощью аллостерии на большие расстояния.

Линейные мотивы

Линейные мотивы - это короткие неупорядоченные сегменты белков, которые опосредуют функциональные взаимодействия с другими белками или другими биомолекулами (РНК, ДНК, сахарами и т. Д.).). Многие роли линейных мотивов связаны с клеточной регуляцией, например, с контролем формы клеток, субклеточной локализацией отдельных белков и регулируемым обменом белков. Часто посттрансляционные модификации, такие как фосфорилирование, настраивают сродство (не редко на несколько порядков величины) отдельных линейных мотивов к специфическим взаимодействиям. В отличие от глобулярных белков IDP не имеют пространственно расположенных активных карманов. Тем не менее, в 80% IDP (~ 3 дюжины), подвергнутых детальной структурной характеристике с помощью ЯМР, присутствуют линейные мотивы, названные PreSMos (предварительно структурированные мотивы), которые являются временными вторичными структурными элементами, примированными для распознавания мишени.В нескольких случаях было продемонстрировано, что эти временные структуры становятся полными и стабильными вторичными структурами, например спиралями, после связывания мишени. Следовательно, PreSMos являются предполагаемыми активными сайтами IDP.

Фальцовка и переплет с сопряжением

Многие неструктурированные белки претерпевают переходы в более упорядоченные состояния при связывании со своими мишенями. Спаренная укладка и связывание могут быть локальными и включать только несколько взаимодействующих остатков, или они могут включать весь домен белка.Недавно было показано, что спаренная укладка и связывание позволяют захоронить большую площадь поверхности, что было бы возможно только для полностью структурированных белков, если бы они были намного больше. Более того, определенные неупорядоченные области могут служить «молекулярными переключателями» в регулировании определенных биологических функций, переключаясь на упорядоченную конформацию при молекулярном распознавании, например, при связывании малых молекул, связывании ДНК / РНК, ионных взаимодействиях.

Нарушение связанного состояния (нечеткие комплексы)

Внутренне неупорядоченные белки могут сохранять свою конформационную свободу, даже если они специфически связываются с другими белками.Структурный беспорядок в связанном состоянии может быть статическим или динамическим. В нечетких комплексах структурная множественность необходима для функционирования, и манипулирование связанной неупорядоченной областью изменяет активность. Конформационный ансамбль комплекса модулируется посредством посттрансляционных модификаций или белковых взаимодействий. Специфичность ДНК-связывающих белков часто зависит от длины нечетких областей, которая варьируется путем альтернативного сплайсинга. Внутренне неупорядоченные белки адаптируют множество различных структур in vivo в соответствии с условиями клетки, создавая структурный или конформационный ансамбль.

Следовательно, их структуры сильно функционально связаны. Однако только несколько белков полностью неупорядочены в своем нативном состоянии. Нарушение в основном обнаруживается в внутренне неупорядоченных областях (IDR) внутри хорошо структурированного белка. Термин «внутренне неупорядоченный белок» (IDP), следовательно, включает белки, которые содержат IDR, а также полностью неупорядоченные белки.

Наличие и вид белкового нарушения кодируется его аминокислотной последовательностью.В целом, IDP характеризуются низким содержанием объемных гидрофобных аминокислот и высокой долей полярных и заряженных аминокислот, обычно называемой низкой гидрофобностью. Это свойство приводит к хорошему взаимодействию с водой. Кроме того, высокие чистые заряды способствуют беспорядку из-за электростатического отталкивания, возникающего из-за одинаково заряженных остатков. Таким образом, неупорядоченные последовательности не могут в достаточной степени скрыть гидрофобное ядро, чтобы сложиться в стабильные глобулярные белки. В некоторых случаях гидрофобные кластеры в неупорядоченных последовательностях дают ключи для идентификации областей, которые подвергаются сопряженной укладке и связыванию (см. Биологические роли).

Многие неупорядоченные белки обнаруживают области без какой-либо регулярной вторичной структуры. Эти области можно назвать гибкими по сравнению со структурированными петлями. В то время как последние являются жесткими и содержат только один набор углов Рамачандрана, IDP включают несколько наборов углов. Термин гибкость также используется для хорошо структурированных белков, но описывает другое явление в контексте неупорядоченных белков. Гибкость структурированных белков связана с равновесным состоянием, в то время как у ВПЛ это не так.Многие неупорядоченные белки также обнаруживают последовательности низкой сложности, то есть последовательности с избыточным представлением нескольких остатков. Хотя последовательности низкой сложности являются сильным признаком нарушения, обратное не обязательно верно, то есть не все неупорядоченные белки имеют последовательности низкой сложности. Неупорядоченные белки имеют низкое содержание предсказанной вторичной структуры.

обратно наверх

2.6 Сворачивание, денатурация и гидролиз белков

Сворачивание белка - это физический процесс, посредством которого белковая цепь приобретает свою естественную трехмерную структуру, конформацию, которая обычно является биологически функциональной, быстрым и воспроизводимым образом (Рисунок 2.36). Это физический процесс, с помощью которого полипептид сворачивается в свою характерную и функциональную трехмерную структуру из случайного клубка. Каждый белок существует в виде развернутого полипептида или случайной спирали при трансляции из последовательности мРНК в линейную цепочку аминокислот. У этого полипептида отсутствует какая-либо стабильная (долговечная) трехмерная структура (левая часть первого рисунка). По мере того как полипептидная цепь синтезируется рибосомой, линейная цепь начинает складываться в свою трехмерную структуру.Сворачивание начинает происходить даже при трансляции полипептидной цепи. Аминокислоты взаимодействуют друг с другом с образованием четко определенной трехмерной структуры, свернутого белка (правая часть рисунка), известного как нативное состояние. Полученная трехмерная структура определяется аминокислотной последовательностью или первичной структурой (догма Анфинсена).

Рисунок 2.36 Белок до и после сворачивания

Автор изображения: DrKjaergaard


Правильная трехмерная структура необходима для функционирования, хотя некоторые части функциональных белков могут оставаться развернутыми или, как в случае IDP, оставаться гибкими, поэтому важна динамика белков.Неспособность свернуться в нативную структуру обычно приводит к образованию неактивных белков, но в некоторых случаях неправильно свернутые белки имеют модифицированную или токсичную функциональность. Считается, что несколько нейродегенеративных и других заболеваний являются результатом накопления неправильно свернутых белков, таких как амилоидные фибриллы, обнаруженные у пациентов с болезнью Альцгеймера.

Сворачивание - это спонтанный процесс, который в основном управляется гидрофобными взаимодействиями, образованием внутримолекулярных водородных связей, силами Ван-дер-Ваальса, и ему противостоит конформационная энтропия.Процесс сворачивания часто начинается совместно с трансляцией, так что N-конец белка начинает сворачиваться, в то время как C-концевой участок белка все еще синтезируется рибосомой; однако молекула белка может самопроизвольно складываться во время или после биосинтеза. Хотя эти макромолекулы можно рассматривать как «сворачивающиеся сами по себе», процесс также зависит от растворителя (вода или липидный бислой), концентрации солей, pH, температуры, возможного присутствия кофакторов и молекулярных шаперонов.Белки будут иметь ограничения на их способность к складыванию из-за ограниченных углов изгиба или возможных конформаций, как описано в графике Рамачандрана.

Рисунок 2.37 Гидрофобный коллапс. В компактной складке (справа) гидрофобные аминокислоты (показаны черными сферами) схлопываются к центру, чтобы защитить себя от водной среды.

Автор изображения: Tomixdf

Сворачивание белка должно быть термодинамически благоприятным внутри клетки, чтобы реакция была спонтанной.Поскольку известно, что сворачивание белка является спонтанной реакцией, оно должно принимать отрицательное значение свободной энергии Гиббса. Свободная энергия Гиббса при сворачивании белка напрямую связана с энтальпией и энтропией. Для возникновения отрицательного значения ΔG и для того, чтобы сворачивание белка стало термодинамически благоприятным, тогда либо энтальпия, либо энтропия, либо оба условия должны быть благоприятными.

Сведение к минимуму количества гидрофобных боковых цепей, подверженных воздействию воды, является важной движущей силой процесса складывания. Гидрофобный эффект (рис. 2.37) - это явление, при котором гидрофобные цепи белка схлопываются в ядро ​​белка (вдали от гидрофильной среды). В водной среде молекулы воды имеют тенденцию к агрегированию вокруг гидрофобных областей или боковых цепей белка, создавая водные оболочки из упорядоченных молекул воды. Упорядочение молекул воды вокруг гидрофобной области увеличивает порядок в системе и, следовательно, способствует отрицательному изменению энтропии (уменьшению энтропии в системе).Молекулы воды фиксируются в этих водных клетках, что приводит к гидрофобному коллапсу или сворачиванию внутрь гидрофобных групп (рис. 2.38).

Рис. 2.38. Образование клатрата воды. Хлороформ является гидрофобным соединением, поэтому, когда он растворяется в воде с образованием гидрата, гидрофобная гидратация сопровождается отрицательным изменением энтропии из-за повышенного порядка в окружающей воде и положительного изменения теплоемкости, часто вызывая положительное значение ΔG. Подобные водные клетки могут объединяться вокруг гидрофобных белковых остатков перед правильным сворачиванием.


Гидрофобный коллапс возвращает энтропию в систему за счет разрушения водяных клеток, что освобождает упорядоченные молекулы воды. Множество гидрофобных групп, взаимодействующих внутри ядра глобулярного свернутого белка, вносит значительный вклад в стабильность белка после сворачивания из-за сильно накопленных сил Ван-дер-Ваальса (в частности, сил Лондонской дисперсии).Гидрофобный эффект существует как движущая сила в термодинамике только при наличии водной среды с амфифильной молекулой, содержащей большую гидрофобную область. Прочность водородных связей зависит от их окружения; таким образом, водородные связи, заключенные в гидрофобное ядро, вносят больший вклад, чем водородные связи, находящиеся в водной среде, для стабильности нативного состояния.

Шапероны

Молекулярные шапероны представляют собой класс белков, которые помогают в правильной укладке других белков in vivo (Рисунок 2.39). Шапероны существуют во всех клеточных компартментах и ​​взаимодействуют с полипептидной цепью, чтобы позволить сформироваться нативной трехмерной конформации белка; однако сами шапероны не включены в окончательную структуру белка, которому они помогают. Шапероны могут способствовать сворачиванию, даже когда возникающий полипептид синтезируется рибосомой. Молекулярные шапероны действуют путем связывания для стабилизации нестабильной в других отношениях структуры белка в его пути фолдинга, но шапероны не содержат необходимой информации, чтобы знать правильную нативную структуру белка, которому они помогают; скорее, шапероны работают, предотвращая неправильные складчатые конформации.

Рис. 2.39. Вид сверху комплекса бактериальных шаперонов GroES / GroEL, модель

Автор изображения: Википедия


Таким образом, шапероны на самом деле не увеличивают частоту отдельных шагов, участвующих в пути сворачивания к нативной структуре; вместо этого они работают, уменьшая возможные нежелательные агрегации полипептидной цепи, которые в противном случае могли бы замедлить поиск подходящего промежуточного соединения, и они обеспечивают более эффективный путь для полипептидной цепи, чтобы принять правильные конформации.Шапероны не следует путать с катализаторами сворачивания, которые на самом деле катализируют медленные в противном случае шаги в пути сворачивания. Примерами катализаторов фолдинга являются протеин-дисульфидные изомеразы и пептидил-пролилизомеразы, которые могут участвовать в образовании дисульфидных связей или взаимном превращении между цис- и транс- стереоизомерами соответственно.

Показано, что шапероны

имеют решающее значение в процессе сворачивания белка in vivo , потому что они обеспечивают белок с помощью, необходимой для принятия его надлежащих выравниваний и конформаций, достаточно эффективно, чтобы стать «биологически релевантными».Это означает, что полипептидная цепь теоретически может складываться в свою нативную структуру без помощи шаперонов, как продемонстрировали эксперименты по укладке белков, проведенные in vitro ; однако этот процесс оказывается слишком неэффективным или слишком медленным, чтобы существовать в биологических системах; следовательно, шапероны необходимы для сворачивания белка in vivo. Показано, что наряду со своей ролью в содействии формированию нативной структуры, шапероны участвуют в различных ролях, таких как транспорт белков, деградация, и даже позволяют денатурированным белкам, подвергшимся воздействию определенных внешних денатурирующих факторов, возможность преобразоваться в их правильные нативные структуры.

Денатурация белка

Полностью денатурированный белок не имеет ни третичной, ни вторичной структуры, однако последовательность первичного белка остается нетронутой, и белок существует в виде случайной спирали (рис. 2.39). При определенных условиях некоторые белки могут складываться заново; однако во многих случаях денатурация необратима. Клетки иногда защищают свои белки от денатурирующего воздействия тепла с помощью ферментов, известных как белков теплового шока (тип шаперона), , которые помогают другим белкам как в сворачивании, так и в том, чтобы оставаться свернутыми (Рисунок 2.40). Белки теплового шока экспрессируются в ответ на повышенные температуры или другие стрессы. Некоторые белки вообще никогда не сворачиваются в клетках, кроме как с помощью шаперонов, которые либо изолируют отдельные белки, чтобы их сворачивание не прерывалось взаимодействиями с другими белками, либо помогают разворачивать неправильно свернутые белки, позволяя им повторно складываться в правильную нативную структуру. Эта функция имеет решающее значение для предотвращения риска осаждения в нерастворимые аморфные агрегаты.

Рисунок 2.40 Денатурация белка. На рисунке (1) изображен правильно свернутый интактный белок. На этапе (2) к системе подводится тепло, превышающее порог поддержания внутримолекулярных белковых взаимодействий. На этапе (3) показан развернутый или денатурированный белок. Цветные области денатурированного белка соответствуют окрашенным участкам природного свернутого белка, показанного на (1).

Диаграмма предоставлена: Scurran15


К внешним факторам, участвующим в денатурации белка или нарушении нативного состояния, относятся температура, внешние поля (электрические, магнитные), скученность молекул и даже ограничение пространства, которые могут иметь большое влияние на сворачивание белков.Высокие концентрации растворенных веществ, экстремальные значения pH, механические силы и присутствие химических денатурирующих веществ также могут способствовать денатурации белка. Эти отдельные факторы вместе классифицируются как стрессы. Показано, что шапероны существуют в возрастающих концентрациях во время клеточного стресса и помогают правильному сворачиванию возникающих белков, а также денатурированных или неправильно свернутых.

При некоторых условиях белки не будут сворачиваться в свои биохимически функциональные формы.Температуры выше или ниже диапазона, в котором обычно живут клетки, вызывают разворачивание или денатурирование термически нестабильных белков (вот почему кипячение делает яичный белок непрозрачным). Однако термостабильность белков далеко не постоянна; например, были обнаружены гипертермофильные бактерии, которые растут при температурах до 122 ° C, что, конечно, требует, чтобы их полный набор жизненно важных белков и белковых ансамблей был стабильным при этой температуре или выше.

Гидолиз

Гидролиз - это разрушение последовательности первичного белка путем добавления воды для преобразования отдельных мономерных звеньев аминокислот (Рисунок 2.41).

Рисунок 2.41 Гидролиз белков. В реакции гидролиза вода добавляется через амидную связь, включающую группу -ОН с карбонильным углеродом и реформируя карбоновую кислоту. Водород из воды преобразовывает амин.


Белки участвуют во многих клеточных функциях. Белки могут действовать как ферменты, которые увеличивают скорость химических реакций. Фактически, 99% ферментативных реакций внутри клетки опосредуются белками.Таким образом, они являются неотъемлемой частью процессов создания или разрушения клеточных компонентов. Белки также могут действовать как структурный каркас внутри клетки, помогая поддерживать клеточную форму. Белки также могут участвовать в клеточной передаче сигналов и коммуникации, а также в переносе молекул из одного места в другое. В экстремальных условиях, таких как голодание, белки также могут использоваться в качестве источника энергии внутри клетки.

обратно наверх

2.7 источников

OpenStax, Белки. OpenStax CNX. 30 сентября 2016 г. http://cnx.org/contents/[email protected]

Файл: Хиральность руками.jpg. (2017, 16 сентября). Wikimedia Commons, бесплатное хранилище мультимедиа . Получено 17:34, 10 июля 2019 г. с сайта https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Chirality_with_hands.jpg&oldid=258750003.

авторов Википедии. (2019, 6 июля). Цвиттерион. В Википедия, Бесплатная энциклопедия .Получено 21:48, 10 июля 2019 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Zwitterion&oldid=9721

.

авторов Википедии. (2019, 8 июля). Абсолютная конфигурация. В Википедия, Бесплатная энциклопедия . Получено в 15:28, 14 июля 2019 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Absolute_configuration&oldid=2423

.

Структурная биохимия / фермент / активный сайт. (2019, 1 июля). Викиучебники, проект бесплатного учебника . Получено 16:55, 16 июля 2019 г., с сайта https: // en.wikibooks.org/w/index.php?title=Structural_Biochemistry/Enzyme/Active_Site&oldid=3555410.

Структурная биохимия / Белки. (2019, 24 марта). Викиучебники, проект бесплатного учебника . Получено в 19:16, 18 июля 2019 г., с сайта https://en.wikibooks.org/w/index.php?title=Structural_Biochemistry/Proteins&oldid=3529061.

Fujiwara, K., Toda, H., and Ikeguchi, M. (2012) Зависимость аминокислотных склонностей α-спирали и β-складки от общего типа белковой складки. BMC Структурная биология 12:18.Доступно по адресу: https://bmcstructbiol.biomedcentral.com/track/pdf/10.1186/1472-6807-12-18

авторов Википедии. (2019, 16 июля). Кератин. В Википедия, Бесплатная энциклопедия . Получено 17:50, 19 июля 2019 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Keratin&oldid=

8340

.

авторов Википедии. (2019, 13 июля). Альфа-кератин. В Википедия, Бесплатная энциклопедия . Получено в 18:17, 19 июля 2019 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php? title = Альфа-кератин & oldid = 7410

Инициатива открытого обучения. (2019) Покровные уровни организации. Университет Карнеги Меллон. В анатомии и физиологии. Доступно по адресу: https://oli.cmu.edu/jcourse/webui/syllabus/module.do?context=4348

0020ca6010f804da8baf7ba.

авторов Википедии. (2019, 16 июля). Коллаген. В Википедия, Бесплатная энциклопедия . Получено в 03:42, 20 июля 2019 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Collagen&oldid=9954

.

авторов Википедии.(2019, 2 июля). Россманн фолд. В Википедия, Бесплатная энциклопедия . Получено в 16:01, 20 июля 2019 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Rossmann_fold&oldid=

8788

.

авторов Википедии. (2019, 30 мая). Ствол ТИМ. В Википедия, Бесплатная энциклопедия . Получено в 16:46, 20 июля 2019 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=TIM_barrel&oldid=899459569

.

авторов Википедии. (2019, 16 июля). Сворачивание белков. В Википедия, Бесплатная энциклопедия .Получено 18:30, 20 июля 2019 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Protein_folding&oldid=4145

.

авторов Википедии. (2019, 11 июня). Глобулярный белок. В Википедия, Бесплатная энциклопедия . Получено в 18:49, 20 июля 2019 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Globular_protein&oldid=

  • 0467

    .

    авторов Википедии. (2019, 11 июля). Внутренне неупорядоченные белки. В Википедия, Бесплатная энциклопедия . Получено 19:52, 20 июля 2019 г., с https: // en.wikipedia.org/w/index.php?title=Intrinsically_disordered_proteins&oldid=2287

    In Silico Структурный, функциональный и филогенетический анализ семейства белков цитохрома (CYPD)

    Ферменты цитохрома (CYP) катализируют метаболические реакции эндогенных и экзогенных соединений. Суперсемейство ферментов встречается у многих организмов, независимо от типа, за исключением растений. Информация о ферментах CYP2D была собрана с помощью белковых последовательностей человека и других организмов.Вторичная структура была предсказана с помощью SOPMA. Структурное и функциональное исследование CYP2D человека было проведено с использованием ProtParam, SOPMA, Predotar 1.03, SignalP, TMHMM 2.0 и ExPASy. Согласно результатам анализа мотивов, у большинства животных общие пять центральных мотивов. Третичная структура CYP2D человека, а также других видов животных была предсказана Phyre2. Согласно полученным данным, человеческие белки CYP2D в значительной степени консервативны в организме. Это указывает на то, что они произошли от одного предка.Они вычисляют отношение альфа-спиралей к протяженным нитям, к бета-листам и случайным виткам. Большинство ферментов представляют собой альфа-спираль, но также были обнаружены небольшие количества случайной спирали. Данные были получены, чтобы лучше понять функции белков млекопитающих и их эволюционные отношения.

    1. Введение

    Цитохром P450 ( CYP ) - уникальный гемсодержащий белок, который всегда считался центральным элементом системы защиты организма от токсикантов [1, 2].Эти ферменты метаболизируют различные соединения, такие как лекарства, стероидные гормоны, канцерогены и токсины окружающей среды. [3]. Считается, что CYP активны в процессах детоксикации ксенобиотиков и биосинтезе различных эндогенных соединений [4, 5]. CYP в основном подразделяются на две различные формы: мембраносвязанные формы, обнаруженные у эукариот, и растворимые формы, обнаруженные у прокариот [6, 7]. CYPs наиболее функциональны в печени, где уровни метаболитов, системные изменения лекарственных препаратов и скорость метаболизма чрезмерны [8].Однако сообщалось, что уровень лекарств в плазме никогда не коррелирует с терапевтическим эффектом, особенно когда задействованы лекарства центрального действия [9].

    Среди различных подсемейств P450 у человека одним из них является цитохром P450 2D ( CYP2D ), расположенный на хромосоме 22 человека [10], состоящий из одного функционального гена ( CYP2D 6) и двух псевдогенов ( CYP2D 7P). и CYP2D 8P) [11, 12]. Семейство ферментов CYP2D млекопитающих участвует в синтезе 20–25 процентов структурно различных распространенных лекарств, таких как декстрометорфан, буфуралол, антиаритмических блокаторов и антидепрессантов [13], и составляет около 2–4% печеночных CYP.Более того, белки CYP2D 6 у человека обладают большим сродством с алкалоидами [14]. Оба псевдогена имеют сходные нуклеотидные последовательности с геном CYP2D 6. Однако присутствие в первом экзоне CYP2D7P происходит из-за единственного мутационного сдвига рамки считывания, ответственного за незрелость нижестоящих стоп-кодонов. На основе этих псевдогенов отслеживали альтернативные мРНК в груди, легких и мозге человека [15, 16]. Хотя функциональный транскрипт CYP2D 7P был исследован у нескольких представителей индийской популяции, никаких доказательств наличия мРНК от CYP2D 8P не наблюдалось [17].Несмотря на это, организация генов подсемейства CYP2D была обнаружена у нечеловеческих приматов, таких как макака-резус, шимпанзе, белохвостая мартышка и суматранский орангутан. Они обнаружили, что CYP2D7 произошел от CYP2D6 в стволовой линии человекообразных обезьян и людей [5]. В результате гены CYP2D6 и CYP2D8P в геноме человека произошли от стволовых линий обезьян Catarrhine и New World. [12].

    Взаимосвязь между различными человеческими CYP недостаточна и не может быть легко обобщена.Моделирование гомологии подтипа CYP человека на основе кристаллической структуры может предоставить ценную информацию об их структурной и функциональной ассоциации [18]. Высокая степень сходства белковых последовательностей недостаточна для оценки различных неотличимых активностей этих ферментов. В соответствии с их соответствующими субстратами и ингибиторами были проведены различные исследования по классификации этих ферментов на основе структурных и фармакофорных характеристик [19, 20]. Сайты распознавания субстратов (SRS) в семействе CYP2 жизненно важны для катализа субстратов-мишеней; различные функциональные сайты можно отслеживать с помощью подхода трехмерного моделирования структуры у человека и сравнивать с гомологией бактериальных CYP [21–23].

    Из-за клинической важности человеческий белок CYP2D 6 был изучен в различных дисциплинах, таких как структурная биология, медицина и фармакогенетика. Поэтому генетическая изменчивость CYP2D 6 в человеческих популяциях была тщательно исследована [24, 25]. Следовательно, из-за своей сложной структуры и однонуклеотидного полиморфизма (SNP), структурный, функциональный и эволюционный анализ CYP2D 6 еще предстоит изучить для усиления клинического значения.Чтобы удовлетворить это требование, данное исследование было разработано для более глубокого понимания CYP2D с помощью различных инструментов биоинформатики, которые помогут в рациональном дизайне лекарств в будущем.

    2. Материалы и методы
    2.1. Исследование и добыча человека и мыши
    CYP2D Структура и последовательности

    Аминокислотная последовательность семейства генов CYP2D человека была исследована в общедоступной базе данных Национального центра биотехнологической информации (NCBI) https: // www.ncbi.nlm.nih.gov, а кристаллическая структура белка была получена из общедоступной базы данных банка данных по белкам (PDB) http://www.rcsb.org. Кроме того, мы также провели поиск в базе данных PubChem некоторых структурных белков и лигандов, доступных по адресу https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/search/search.cgi.

    2.2. Прогнозирование трехмерной структуры и проверка гена
    CYP2D человека

    Решенная кристаллическая структура белка человека и мыши CYP2D недоступна в PDB. Таким образом, трехмерные (3D) структуры CYP2D были предсказаны подходами моделирования гомологии.Чтобы подготовить или предсказать точную трехмерную смоделированную структуру целевых белков, мы использовали несколько программ, включая Phyre2 [26], Swiss model [27] и итеративную Threading Assembly Refinement (I-TASSER) [28, 29], которая работает на многопоточные подходы за счет идентификации шаблона из PDB. 3D-моделированные целевые белки были минимизированы с помощью алгоритма конъюгированного градиента и янтарного силового поля в UCSF Chimera 1.10.1 [30]. Проверка предсказанной структуры белка оставалась узким местом.В нашем анализе после моделирования трехмерной структуры мы использовали несколько инструментов проверки структуры белка, включая анализ структуры белка (ProSA), для выявления ошибок в экспериментальной и теоретической структуре белка [31, 32]. Язык программы ProSA предназначен для проверки на основе предсказанных координат атомной структуры, а результаты оцениваются по значению -score.

    2.3. Неупорядоченный анализ белка
    CYP2D человека

    После трехмерного моделирования гомологии белка CYP2D человека и мыши мы стремились идентифицировать неупорядоченный сегмент белка или неструктурированные области [33].Считается, что эти области вносят вклад в нестабильность белка, тем самым вызывая патологические состояния. Чтобы точно предсказать неструктурированный белковый сегмент положения аминокислотных остатков, мы использовали Cspritz версии 1.2, http://protein.bio.unipd.it/cspritz/ [34].

    2.4. Анализ человека и мыши
    CYP2D Белковые лиганды и домен

    В протеомике важно понять структурные свойства функциональной единицы белка. Таким образом, белок-лиганд, лиганд-связывающий остаток, лиганд-связывающие области и домены CYP2D были предсказаны с помощью нескольких инструментов биоинформатики.Кроме того, белковые лиганды были сгруппированы на основании их функционального сходства. RapotorX предсказал лиганд-связывающие остатки в белковых структурах, надежный веб-инструмент для трехмерного моделирования на основе шаблонов [35, 36]. RapotorX известен своим высококачественным структурным моделированием, выводящим несколько целей с использованием одного удаленного шаблона. Другие дополнительные программы использовались для перекрестной проверки и проверки надежности и точности предсказанного результата, включая сервер COACH [37], I-TASSER использовался для определения количества сайтов связывания и их положений [28].COACH - это метасерверный подход для прогнозирования целей связывания лиганда с помощью двух сравнительных методов TM-SITE [28] и S-SITE. База данных функций белков BioLiP используется в этих методах для распознавания лиганд-связывающих сайтов [38]. Чтобы понять поверхность связывания лиганда на несвязанной свободно существующей структуре белка, мы применили инструменты прогнозирования связывания лиганда сервера FTSite [39]. Сообщается, что его точность сопоставима с экспериментальными результатами [40]. Принцип прогнозирования FTSite основан на эволюции шаблонов; вместо этого он основан на данных, полученных в результате экспериментов [41].Предположительно, алгоритм предсказания предназначен для картирования участков белка [41]. Чтобы лучше понять взаимодействие между лигандами целевого белка и аминокислотами, кластеризация модулей лигандов была проведена на веб-сервере LPIcom [42], расположенном по адресу http://crdd.osdd.net/raghava/lpicom. Аминокислотные остатки и взаимодействия лигандов были предсказаны с использованием веб-сервера LPIcom, чтобы классифицировать желаемое взаимодействие остатков и мотив связывания для данного лиганда [43].

    2,5. Белковые взаимодействия и анализ коэкспрессии

    Анализ белок-белковых взаимодействий человека и мыши CYP2D был предпринят для оценки функциональных взаимосвязей и сетей информационных потоков между CYP2D и соседними с ним генами и другими белками.Белковые взаимодействия являются одним из физиологических параметров, которые, как известно, влияют на множество биологических функций. Анализ взаимодействия был выполнен с помощью программного обеспечения STRING [44] и визуализирован с помощью коммерческого программного обеспечения Cytoscape [45]. Программа STRING учитывает как функциональные, так и физические взаимодействия между белками. Программный алгоритм был разработан для захвата белок-белковых взаимодействий на основе существующей литературы, результатов экспериментов, интеллектуального анализа текста и взаимодействия [46].

    2.6. Предсказание согласованного выравнивания последовательностей и вторичной структуры

    Чтобы понять структурное выравнивание CYP2D , мы использовали инструмент открытого доступа ENDscript 2, который позволяет нам визуализировать множественные биохимические и структурные выравнивания [47]. Веб-инструмент был разработан для распознавания простых и сложных структур, то есть от первичных до четвертичных. Кроме того, он использует формат ввода PDB и обрабатывает несколько категорий результатов, которые могут быть визуализированы во многих инструментах структурного интерфейса.Кроме того, вторичная структура всех белков-мишеней была определена с помощью онлайн-сервера PSIPRED версии 3.3 [48], веб-инструмента, который объединяет последовательности белков и структурный анализ на одной платформе. Первоначально программа использует входные данные о последовательности белков и выполняет PSI-BLAST [49].

    3. Результаты
    3.1. Генетическое происхождение и эволюционная история

    Генные деревья представляют собой эволюционную историю генных семейств, которые произошли от общего предка. Согласование дерева генов с деревом видов позволяет нам установить события видообразования, сравнивая сходства и различия их последовательностей.В случае уникальных ортологичных генов вполне очевидно соответствие между лучшими взаимно лучшими методами. Конвейер дерева генов может анализировать отношения между более сложными деревьями генов, которые объединяют один ко многим и многие ко многим. Это значительно увеличивает количество ортологов мух / млекопитающих и червей / млекопитающих по сравнению с количеством ортологов млекопитающих и оказывает гораздо более сильное влияние на ортологов мух / млекопитающих и червей / млекопитающих. Определяя самую недавнюю родословную данного узла внутреннего дерева, мы также можем использовать этот подход для «временного» дублирования событий (рисунок 1).Алгоритм объединения деревьев используется для построения единого дерева консенсуса из пяти деревьев. Это позволяет TreeBeST воспользоваться тем фактом, что деревья на основе ДНК часто более точны при определении отношений между удаленными частями деревьев. При некоторых обстоятельствах одна группа алгоритмов может превосходить другие.


    Алгоритм объединяет выходные данные пяти моделей в единую модель. Топология консенсуса включает клады, найденные в любых входных деревьях, сводя к минимуму количество предполагаемых потерь и дублирований и имея лучшие значения начальной загрузки.Из-за выравнивания ДНК длины ветвей были оценены в соответствии с моделью HKY. Древо прироста / потери генов отображает филогенетическую историю семейства генов, показывая добавления и удаления новых генов. Красная ветвь на дереве представляет собой значительное расширение истории гена, зеленая ветвь означает сокращение, а серая ветвь означает отсутствие изменений (рис. 2). Цифры над каждым предковым видом относятся к количеству отдельных генов, которые он когда-то имел. Цвет каждого узла отражает размер гена в зависимости от количества людей, у которых есть этот ген.Названия видов окрашены в красный, черный и серый цвета, чтобы показать текущие интересующие гены и гены, присутствующие в Ensembl (виды без текущих генов в этом дереве). На этом сайте отображается только избранное дерево, состоящее из людей, шимпанзе, мартышек, мышей, рыбок данио и зебровых вьюрков. Имейте в виду, что виды, представляющие интерес для этих деревьев, могут быть не включены (рис. 2).


    Программа SignalP 4.1 использовалась для анализа набора данных по белкам, который показал, что последовательности белков являются ферментативными белками (рис. 3).Анализ белка цитохрома предполагает, что аминокислоты с 1 по 26 имеют оценку 0,735 и верхний предел 0,642 в положении. Важно отметить -счет, использованный в этом исследовании, поскольку он используется для измерения различий между сигнальными и несигнальными пептидами. В принципе, N-концевые или аминоконцевые сигнальные пептиды известны как короткие последовательности, которые нацелены и направляют секреторные белки к транслокатору и ER. Мы использовали представления последовательностей белков в соответствии с группами аминокислот и свойствами аминокислот с алгоритмом TMHMM.Мы использовали общедоступные параметры аннотации генома TMHMM и сравнили их с выбранными нами последовательностями белков. Возможные наблюдения в каждом состоянии сведены в три возможных состояния полярности (неполярный, полярный и нейтральный), три для заряда, три для ароматичности, три для размера и пять для электронных свойств. Как только организм поглотит нежелательные белки, они могут быть отщеплены от своей исходной последовательности белка-пассажира. Многие белки, лишенные N-концевого сигнального пептида, существуют вне клеток.Его можно экспортировать из ячейки без использования сигнальной последовательности. Однако в других проанализированных белках не было обнаружено N-концевых сигнальных пептидов, что по-прежнему оставалось загадкой (рис. 4).



    3.2. Анализ мотивов

    Алгоритмы MEME (Multiple Em for Motif Elicitation) использовались для выполнения анализа ДНК и белковых мотивов. Последовательности сравнивали и рассчитывали сходные мотивы последовательностей (фиг. 5). Инструмент MEME идентифицировал распределение мотива в белковых последовательностях.Это сочетало образцы высокой сохранности с мотивами от одного до пяти (рис. 6). Наблюдались все закономерности в белковых последовательностях у животных. Гомология мотивов у разных видов означает, что структурные характеристики генов различаются в отношении экзон-интронных отношений. Этот анализ показал, что различия в разделении мотивов в белках этих видов животных могли отклоняться от функций этих генов во время адаптивной эволюции.



    Структура кристаллического белка была предсказана мощным онлайн-сервером I-TASSER (https://zhanglab.ccmb.med.umich.edu/I-TASSER), который обычно использует шаблон PDB. Была предсказана трехмерная структура белка цитохромов человека. После трехмерного моделирования UCSF Chimera использовалась для расчета энергии белка путем применения алгоритма сопряженного градиента, основанного на принципе янтарного силового поля. Мы использовали сервер ConSurf для прогнозирования положения нуклеиновых кислот и уровня эволюционной консервации аминокислот в этих белках, чтобы определить степень эволюционной консервации между бактериальными штаммами в этих двух генах (рис. 7).Подавляющее большинство участков, положительно выбранных в ходе эволюции, сохранялось во всех ветвях эволюции млекопитающих. Было обнаружено, что многие аминокислоты имеют видимые или скрытые остатки в этих белках, относящиеся к NNA (алгоритм нейронной сети).


    Белковые взаимодействия являются центральной частью клеточной сети и, как известно, оказывают различное влияние. Сети информационных потоков между всеми белками-мишенями были проанализированы, чтобы определить, сколько информации передается между белками цитохрома и другими белками.Сеть молекулярно-генетического взаимодействия была создана с использованием онлайн-программного обеспечения STRING и визуализирована с помощью программного обеспечения Cytoscape. Узлы, линии и цвета оправдывают интерактивную сеть. (Рисунок 8). Белки, гены которых коррелируют в экспрессии в большом количестве экспериментов. STRING выполнил базу данных анализа коэкспрессии, которая показала оценки коэкспрессии на основе паттернов экспрессии РНК и корегуляции белков, предоставленных ProteomeHD. Анализ интенсивности передачи сигналов белков проводили для белков цитохрома.Результат показал, что в прием сигнала вовлечено больше белковых остатков по сравнению с передающими сигнал остатками. Результаты описываются цветами, отображаемыми на предсказанных структурах (Рисунок 9).



    4. Обсуждение

    Биоинформатика может быть инструментом анализа и интерпретации данных протеомики и геномики. Он использует математические, статистические, вычислительные, биологические и медицинские методы и технологии. Это жизненно важный сложный инструмент для интерпретации функций белка на основе его аминокислотной последовательности, который произвел революцию в метаболизме организмов.Формы P450 у людей и крыс всегда были важной информацией для лучшего сравнения его структур и функций у обоих видов. Однако условия жизни человека менее изучены. CYP2D 6 производит уникальный полиморфный фермент, который считается более подходящим для метаболизма всех видов лекарств [13]. В настоящем исследовании изучается взаимодействие генов и строится эволюционное древо для определения историй семей. Согласно результатам, белков CYP2D разных видов оказались очень похожими у людей и других организмов, поэтому утверждается, что они произошли от общего предка (рис. 1).Эти результаты очень похожи на результаты McArthur et al. [46]. Они сообщили, что идентичность последовательности гена CYP3A у различных видов, таких как змея, рыба, курица и CYP3A млекопитающих, была обнаружена хорошо консервативной во время эволюции позвоночных. Тем не менее, множественные копии этого гена внутри вида широко представлены среди паралогов.

    Аналогичным образом, в другом отчете построение филогенетического дерева обеспечивает лучшее понимание функции и разнообразия генов CYP2 .Топология большинства видов зависела от линии происхождения. Однако некоторые из них принадлежат к предковым подсемействам, поскольку семейство генов CYP2 было обнаружено диверсифицированным среди всех позвоночных и представило свою множественность в рамках определенных подсемейств, таких как CYP2 X, CYP2 K, CYP2 AA и рыбок данио [13] .

    В этом исследовании для анализа структуры гена и прогнозирования функции сервер ProtParam использовался для анализа первичной структуры выбранных CYP и различных физико-химических свойств, определенных по последовательностям белков.Теоретическая pI (изоэлектрическая точка), молекулярная масса, атомный состав, состав аминокислот, предполагаемый период полураспада, коэффициент экстинкции, индекс нестабильности, высокая гидропатичность и алифатический индекс. Сервер SOPMA (Self-Optimized Predictive Method with Alignment) выполнил предсказание вторичной структуры. Этот сервер рассчитал процент белковых последовательностей в случайной катушке, альфа-спирали, бета-листе и удлиненных цепях (рисунки 2 и 3). Согласно результатам, большинство частей CYP представляют собой альфа-спираль и случайную спираль.Сервер Phyre2 предсказал третичные структуры человека CYP2D как образец других организмов. Эти результаты были очень похожими и подтверждающими, когда CYP были проанализированы у разных видов, таких как семенные растения и последовательности белков других животных, о которых сообщалось ранее [50].

    Сайты распознавания субстратов (SRS) в семействе CYP2 необходимы для катализа целевых субстратов. Различные функциональные сайты можно отслеживать с помощью подхода трехмерного моделирования структуры у людей и сравнивать с гомологией бактериальных CYP [1, 22].Спектроскопические эксперименты показали, что активные центры P450 различаются по своей гибкости и стабильности. Согласно одному отчету [3, 51, 52], все CYP различались по активности, а их функциональные свойства зависели от субстрата. Пользователь может поменять местами активные сайты, чтобы получить желаемую функцию из CYP [53]. Rowland et al. [54] сообщили о кристаллической структуре CYP2D 6 с разрешением 3A ° и отметили, что первичная структура CYP2D 6 подвергается повторной выборке с другими CYP .

    Аналогичным образом, согласно предыдущему исследованию [22], они сообщили о центре реакционного сайта для CYP2D 6 субстратов на основе лиганд-связанной модели CYP2 C5. Кроме того, сообщалось, что субстраты CYP2D6 представляли необходимый азот на расстоянии примерно от 5 до 7A ° от места окисления, а также были обнаружены взаимодействующие с Glu-216 Asp-301 [55]. Кристаллическая структура Rabbit CYP2 C5 была использована при моделировании гомологии CYP2D 6, которая присутствовала в виде Arg440 вблизи поверхности белка (рис. 4).При стыковке структуры FMN редуктазы P450 с моделью CYP2D 6 стало очевидно, что Arg440 является центральным кластером основных аминокислотных остатков [56].

    Согласно одному исследованию, были исследованы характеристики связывания лиганда изоформ CYP2D CYP2D 1-4 у крыс и CYP2D 6 у людей. Они измерили значения IC50 уже известных 11 лигандов CYP2D 6, используя 7-метокси-4- (аминометил) кумарин (MAMC) в качестве субстрата [57]. Кристаллизованная модель гомологии кролика CYP2 C5 была создана, и ее способность воспроизводить связывающие последовательности, связанные с метаболической ориентацией субстратов, поддерживалась во время прямого моделирования молекулярной динамики [58].Электростатический потенциал CYP2D и CYP2D 1-4 сайтов связывания показал сродство к лигандам. В то время как остатки активных сайтов и различия в их характере связывания могут помочь ренационализировать значения IC50 каждого лиганда [59]. Они пришли к выводу, что CYP2D 2 был наиболее критической изоформой крысы (похожей на человеческую) в связывании посредством значений IC50 лиганда [18]. По данным Hasemann et al. [60] сравнивали три фермента, такие как гемопротеиновый домен P450 BM-3 и кристаллические структуры P450 terp и P450 cam .Они сообщили, что топология всех ферментов очень похожа; однако область связывания субстрата сильно варьировала. Точно так же, по сравнению с локальными различиями в спиралях I, структура ядра, связывающего гем, сохранялась хорошо (рис. 7).

    В настоящем исследовании пять мотивов были обнаружены у большинства видов млекопитающих в соответствии с консервативными мотивами, полученными с помощью инструментов MEME и MAST (Рисунки 5 и 6). Подобные результаты были опубликованы ранее [61]; они провели сравнение шести основных P450 у людей (CYP3A4, CYP2D 6, CYP2 C9, CYP2, C19, CYP1A2 и CYP2 E1), чтобы контролировать его структурные, функциональные и эволюционные взаимосвязи [50].Согласно анализу мотивов, они предложили восемь мотивов для этих шести CYP , идентифицированных MEME и интерпретированных инструментами MAST. Среди шести CYP цитохромы 2C9, 2C19 и 2E1 обладали всеми восемью мотивами. Однако было обнаружено, что CYP2D 6 отсутствует с мотивом числа 8 th . Точно так же CYP1A2 и CYP3A4 были обнаружены без мотивов 3 rd , 6 th и 8 th (Рисунок 5). Они пришли к выводу, что CYP (2C19, 2C9, 2E1 и 2D6) похожи и отличаются от CYP3A4 и CYP1A2.В связи с этим Darabi et al. [50] проанализировали белки CYP, чтобы найти паттерны консервативных мотивов, используя инструменты MEME и MAST. Было обнаружено, что в общей сложности у 39 различных видов десять мотивов являются высококонсервативными. Однако, согласно их результатам, мотивы (1, 3, 4 и 7) были общими у 35 видов, и у всех не было общего консервативного мотива.

    5. Заключение

    Это исследование показывает механистические идеи, полученные с помощью комплексной вычислительной структуры, сфокусированной на эволюционных деталях и предсказании структуры.Методы биоинформатики, используемые в таких областях, как информатика, математика, статистика, генетика, физика и медицина, позволяют прогнозировать и анализировать геномные и протеомные результаты. Это может быть новый способ интерпретации структуры белка, и он может произвести революцию в знаниях о метаболизме организма. Эти биоинформатические эксперименты на людях и других млекопитающих показали структурно-функциональное и эволюционное понимание CYP2D. Наши результаты показывают, что семейство белков цитохрома у животных очень разнообразно и включает все изученные виды.Ожидается, что различия в субъединицах цитохрома будут иметь решающее значение при выборе уникальных субстратов, которые обеспечивают это функциональное разнообразие.

    Доступность данных

    Данные этого исследования будут открыты для читателей, и данные, подтверждающие выводы исследования, могут быть доступны.

    Конфликт интересов

    Конфликт интересов при проведении данного исследования отсутствует.

  • Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *