Амфотерность аминокислот.
Тема 1. Введение. Строение и функции белков и аминокислот
Лекция 2. Аминокислоты. Белки.
Классификация и физико-химические свойства протеиногенных аминокислот.
Классификация белков: простые и сложные, глобулярные и фибриллярные, мономерные и олигомерные.
Физико-химические свойства белков: растворимость, амфотерность, ионизация, гидратация, осаждение.
Уровни структурной организации белков: первичная, вторичная, надвторичная, третичная и четвертичная структуры, домены, надмолекулярные структуры. Связи, поддерживающие структуры белка: дисульфидные, ионные, водородные, гидрофобные.
Взаимосвязь структуры и функции. Денатурация и ренатурация.
Функции белков: структурная, каталитическая, транспортная, рецепторная, регуляторная, защитная, сократительная.
Свойства простых белков. Гистоны, альбумины. Структурные белки: тубулины, кератины, коллаген, эластин.
| Краткое содержание
| Конспект
| | 1. Классификация и физико-химические свойства протеиногенных аминокислот.
| | Протеиногенные аминокислоты –аминокислоты, из которых синтезируются белки, т.е. это те аминокислоты, которые кодируются геномом (20 аминокислот).
Структурная формула аминокислоты
Классификации аминокислот:
1. Структурная (по строению бокового радикала) – ациклические (алифатические), циклические (ароматические, гетероциклические), иминокислота – пролин (относится к циклическим аминокислотам).
2. Электрохимическая (кислотно-основные свойства): кислые аминокислоты (с дополнительными карбоксильными группами в боковом радикале – аспарагиновая, глутаминовая); основные аминокислоты (с дополнительными аминогруппами в боковом радикале – лизин, аргинин, гистидин); нейтральные аминокислоты (в боковом радикале нет группировок, проявляющих кислые или основные свойства – все остальные аминокислоты).
3. Биологическая, или физиологическая (по степени незаменимости аминокислот для организма): н езаменимые (не могут синтезироваться в организме человека из других соединений, поэтому обязательно должны поступать с пищей) – валин, лейцин, изолейцин, треонин, лизин, метионин, фенилаланин, триптофан; полузаменимые (образуются в организме человека, но в недостаточном количестве и тоже должны поступать с пищей) – аргинин, тирозин, гистидин; з аменимые (синтезируются в организме человека в достаточном количестве из незаменимых аминокислот или других соединений).
4. Классификация аминокислот по растворимости их радикалов в воде: аминокислоты с неполярными радикалами (гидрофобные) – аланин, валин, лейцин, изолейцин, пролин, метионин, фенилаланин, триптофан; а минокислоты с полярными незаряженными радикалами (радикалы этих аминокислот лучше, чем гидрофобные радикалы растворяются в воде) – серин, треонин, тирозин, аспарагин, глутамин, цистеин; а минокислоты с полярными отрицательно заряженными радикалами ( аминокислоты имеют в радикале дополнительную карбоксильную группу) – глутаминовая и аспарагиновая кислоты; а минокислоты с полярными положительно заряженными радикалами - лизин, аргинин, гистидин
Свойства аминокислот: |
Амфотерность аминокислот.
Изменение суммарного заряда аминокислот в зависимости от рН среды:
Состояние, в котором заряд аминокислоты равен нулю, называется изоэлектрическим. Значение рН, при котором наступает такое состояние, называется изоэлектрической точкой.
2. Все протеиногенные аминокислоты, за исключением глицина, имеют как минимум один асимметрический атом углерода и обладают оптической активностью. По расположению заместителей вокруг асимметрического атома углерода стереоизомеры относят к L - или D- ряду. Все аминокислоты, из которых синтезируется белок, относятся к L -ряду.
3. Образование пептидов в результате реакций конденсации:
Дипептид
| Структурные формулы протеиногенных аминокислот:
 
 
|
| 2. Классификация белков: простые и сложные, глобулярные и фибриллярные, мономерные и олигомерные.
|
| Классификация пептидов и белков по количеству аминокислотных остатков:
1. Олигопептиды– пептиды, содержащие до 10 аминокислот (трипептид, пентапептид, октапептид и т.д.).
2. Полипептиды– пептиды, содержащие более 10 аминокислот (окситоцин, вазопрессин и пр.).
3. Белки– полипептиды, состоящие из более чем 50 аминокислотных остатков (инсулин – 51 аминокислотных остатков и др.).
Виды классификаций белков:
1. По составу (простые и сложные).
2. По форме (глобулярные и фибриллярные).
3. По количеству составляющих макромолекулу белка мономерных структур (мономерные и олигомерные).
4. По пространственной структуре (первичная, вторичная, сверхвторичная, третичная, четвертичная).
5. По функциям (белки могут выполнять множество функций, но не могут служить матрицей для собственного синтеза).
1. Классификация белков по составу:
· простые белки(при гидролизе дают только аминокислоты);
· сложные белки (кроме аминокислот содержат небелковые – простетические – группы).
2. Классификация белков по форме:
· глобулярные (соотношение продольной и поперечной осей не превышает 1:10, чаще – 1:3, 1:4).
· фибриллярные (соотношение продольной и поперечной осей более 1:10).
3. Классификация белков по количеству составляющих макромолекулу белка мономерных структур:
· мономерные белки(состоят из одной полипептидной цепи);
· олигомерные белки(состоят из двух и более полипептидных цепей).
| Классификация пептидов по физиологическому действию:
1. Пептиды, обладающие гормональной активностью
2. Пептиды, регулирующие процессы пищеварения.
3. Пептиды, регулирующий тонус сосудов и артериальное давление.
4. Пептиды, регулирующие аппетит.
5. Пептиды, обладающие обезболивающим действием.
6. Пептиды, участвующие в регуляции высшей нервной деятельности.
Привести примеры простых и сложных белков, их значение
Привести примеры глобулярных и фибриллярных белков, их значение
Привести примеры мономерных и олигомерных белков, их значение
|
| 3. Физико-химические свойства белков: растворимость, амфотерность, ионизация, гидратация, осаждение.
|
| Физико-химические свойства белков:
· растворимость;
· амфотерность;
· ионизация;
· гидратация белков;
· осаждение;
· буферные свойства;
· коллоидные и осмотические свойства;
· оптические свойства;
· малая скорость диффузии;
· высокая вязкость растворов белков;
· способность белков к образованию гелей;
· высаливание;
· денатурация и ренатурация.
| Поясните, почему для белков характерны данные свойства?
|
| 4. Уровни структурной организации белков: первичная, вторичная, надвторичная, третичная и четвертичная структуры, домены, надмолекулярные структуры. Связи, поддерживающие структуры белка: дисульфидные, ионные, водородные, гидрофобные.
|
Классификация белков по пространственной структуре – первичная, вторичная, сверхвторичная (надвторичная), третичная и четвертичная структуры.
Первичная структура белков – последовательность аминокислот в полипептидной цепи, качественный и количественный состав аминокислот в белке.
Вторичная структура белков –способ укладки полипептидной цепи в упорядоченную структуру благодаря образованию водородных связей между пептидными группами одной цепи или смежными полипептидными цепями. По конфигурации вторичные структуры делятся на спиральные (α-спираль) и слоисто-складчатые (β-структура).
Вторичная структура белка в виде α-спирали
Доменная структура белков – сверхвторичная (надвторичная) структура белков
Домен –это участок полипептидной цепи, который в процессе формирования пространственной структуры приобрёл независимо от других участков той же цепи конформацию глобулярного белка.
Третичная структура белков – трехмерная пространственная структура, образующаяся за счет взаимодействий между радикалами аминокислот, которые могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга в полипептидной цепи.
Связи и взаимодействия, формирующие и поддерживающие третичную структуру:
Четвертичная структура белков –этоорганизация нескольких полипептидных цепей с третичной структурой в единую функциональную молекулу белка. Такой белок называется олигомерным, а полипептидные цепи, входящие в его состав – протомерами или субъединицами.
| Пространственная структура гемоглобина человека, →
являющегося примером олигомерного белка
| 
|
| Первичную структуру белков обеспечивают пептидные (ковалентные) связи между карбоксильной группой предыдущей аминокислоты и аминогруппой последующей аминокислоты. Реакция конденсации (выделяется молекула воды).
Вторичная структура формируется за счёт пептидных связей и водородных связей (между каждыми первым и четвёртым аминокислотными остатками).
Вторичная структура белка в виде β-складчатого слоя
За счёт радикалов аминокислот формируются следующие дополнительные (кроме пептидных) виды связей и взаимодействий:
1. Ионные связи.
2. Водородные связи.
3. Гидрофобные взаимодействия.
4. Дисульфидные связи.
Приведите примеры аминокислот, способных формировать и поддерживать разнообразные связи в молекулах белков:
· водородные связи – ……
· ионные связи – ……
· дисульфидные связи – ……
· гидрофобные взаимодействия – ……
При формировании четвертичной структуры белков используются все виды связей и взаимодействий, но не только внутри каждого протомера, но и между ними.
|
| 5. Взаимосвязь структуры и функции. Денатурация и ренатурация.
|
| Денатурация –изменение нативной структуры белка под действием различных факторов (химические – концентрированные кислоты, щёлочи, спирты и пр., физические – температура, радиация и пр.).
Если после снятия действия фактора белок вновь приобретает нативную конформацию и функции, то говорят о его ренатурации.
| Изменение нативной структуры белка в результате денатурации ведёт к нарушению функции белка, поскольку структура белка определяет его функции.
Денатурация может быть обратимой и необратимой.
Приведите примеры факторов, приводящих к обратимой и необратимой денатурациям:
· обратимая – ……
· необратимая – ……
|
| 6. Функции белков: структурная, каталитическая, транспортная, рецепторная, регуляторная, защитная, сократительная.
|
| Классификация белков по функциям:
· каталитическая(ферменты – каталаза, амилаза, пепсин и др.),
· регуляторные(гормоны и др.),
· рецепторные (белки плазматических мембран),
· транспортные(альбумин крови, транспортные молекулы мембран, гемоглобин и др.),
· структурные (коллаген, эластин),
· защитные (иммуноглобулины, белки свёртывания крови),
· сократительные (актин, миозин, тубулин и пр.),
· резервные(овальбумин, глютелины и др.),
· токсигенные(ботулинический токсин, токсины змей и пр.),
· источник энергии.
|
|
| 7. Свойства простых белков. Гистоны, альбумины. Структурные белки: тубулины, кератины, коллаген, эластин.
|
Простые белки при гидролизе распадаются только на свободные аминокислоты.
Простые белки делятся на основании некоторых условно выбранных критериев на ряд подгрупп: протамины, гистоны, альбумины, глобулины, проламины, глютелины и др.
Гистоны –являются белками основного характера, растворимы в солевых растворах. В их состав входят лизин и аргинин, содержание которых, однако, не превышает 20-30%. Молекулярная масса гистонов намного больше нижнего предела молекулярной массы белков. Эти белки сосредоточены в основном в ядрах клеток в составе дезоксирибонуклеопротеинов. Гистоны выполняют две основные функции: они участвуют в упаковке нитей ДНК в ядре и в эпигенетической регуляции таких ядерных процессов, как транскрипция, репликация и репарация. Существует пять различных типов гистонов H1/Н5, H2A, H2B, H3, H4. Гистоны H2A, H2B, H3, H4, называемых кóровыми гистонами, формируют нуклеосому, представляющую собой белковую глобулу (нуклеосомный кор), вокруг которой накручена нить ДНК (1,75 оборота – около 146 пар нуклеотидов). Гистон H1/Н5, называемый линкерным гистоном, связывается с внешней стороной нуклеосомы, фиксируя на ней нить ДНК. В хроматине гистоны составляют 25-40 % сухого веса. Благодаря высокому содержанию лизина и аргинина гистоны проявляют сильно оснóвные свойства.
Альбумины (от лат. albumen, род. падеж albuminis – белок) – растворимы в воде и солевых растворах, водорастворимые глобулярные белки, входящие в состав сыворотки крови, цитоплазмы клеток животных и растений, молока. К альбуминам относятся: сывороточный и яичный альбумин, а также лактальбумин.
Сывороточный альбумин составляет 50% от массы всех содержащихся в сыворотке крови белков. Состоит из одной полипептидной цепи (66,5 кДа), включающей 585 аминокислотных остатков и образующей 9 петель, фиксированных 17 дисульфидными связями. Цепь уложена в три более или менее независимых кооперативных домена. Альбумины крови синтезируются в гепатоцитах в виде предшественника – проальбумина, из которого альбумин образуется путем отщепления N-концевого пептида.
Принято считать, что примерно 75-80% осмотического давления белков сыворотки крови приходится на альбумины; кроме того, основной функцией их считают транспорт жирных кислот, других липидов, билирубина, ионов, некоторых металлов, аминокислот. Он связывает также почти все лекарственные средства и таким образом пролонгирует их действие.
Кератины – семейство фибриллярных белков, обладающих механической прочностью, которая среди материалов биологического происхождения уступает лишь хитину. В основном из кератинов состоят роговые производные эпидермиса кожи – такие структуры, как волосы, ногти, рога носорогов, перья и рамфотека клюва птиц и др.
Согласно новой номенклатуре кератинов, в это семейство входят также цитокератины, образующие наиболее прочные элементы внутриклеточного цитоскелета эпителиальных клеток.
По вторичной структуре белка семейство кератинов разделяется на две группы:
- α-кератины имеют конформацию в виде плотных витков вокруг длинной оси молекулы (α-спираль); эти кератины являются основой волос (включая шерсть), рогов, когтей и копыт млекопитающих. У людей в основном встречаются α-кератины. β-кератины в основном составляют более твёрдые образование, которых почти невозможно найти в теле и в целом, в организме человека. Для первичной структуры α-кератинов характерно большое содержание цистеина и множество дисульфидных связей. Молекулярная масса – от 10 до 50 кДа. Характерной особенностью α-кератинов является их полная нерастворимость в воде при pH 7,0 и физиологической температуре. Данное свойство частично обусловлено тем, что в состав молекулы входит большой процент гидрофобных аминокислотных остатков (фенилаланин, изолейцин, валин, метионин и аланин).
- β-кератины, более твёрдые и имеющие форму несколько зигзагообразных полипептидных цепей (т.н. β-листы); эти кератины обнаружены в когтях и чешуе рептилий, в их панцирях (у черепах), в перьях, клювах и когтях птиц, в иглах дикобразов. В полипептидной цепи каждый второй элемент – глицин.
Тубулин – основной белок микротрубочек, обладающий сократительными функциями; димер, состоящий из α- и β-цепей с молекулярными массами 55 кДа; кодирование тубулина имеет олигогенный характер (например, у дрозофил известно 4 неаллельных гена α-тубулина), что может обусловливать наличие разных типов микротрубочек. Микротрубочки– белковые внутриклеточные структуры, входящие в состав цитоскелета. Микротрубочки представляют собой полые внутри цилиндры диаметром 25 нм. Длина их может быть от нескольких микрометров до, вероятно, нескольких миллиметров в аксонах нервных клеток. Их стенка образована димерами тубулина. Микротрубочки, подобно актиновым микрофиламентам, полярны: на одном конце происходит самосборка микротрубочки, на другом – разборка. В клетках микротрубочки играют роль структурных компонентов и участвуют во многих клеточных процессах, включая митоз, цитокинез и везикулярный транспорт.
|
Формирование нуклеосомы
Коллаген –составляет 25-33% от общего количества белка организма взрослого человека, или 6% от массы тела. Одной из отличительных черт данного белка является то, что 1/3 всех его аминокислотных остатков составляет глицин, 1/3 – пролин и 4-гидроксипролин, около 1% – гидроксилизин; некоторые молекулярные формы коллагена содержат также 3-гидроксипролин, хотя и в весьма ограниченном количестве. Коллагены – семейство фибриллярных белков, секретируемых клетками соединительной ткани. В межклеточном матриксе молекулы коллагена образуют полимеры – фибриллы коллагена. Эти фибриллы очень прочные – выдерживают нагрузку в 10000 раз превышающую их собственный вес. По прочности коллагеновые фибриллы превосходят прочность стальной проволоки того же сечения. Коллагеновые фибриллы входят в состав кожи, сухожилий, хрящей и костей.
Эластин – основной белковый компонент, из которого состоят эластические волокна. Он отличается от коллагена по химическому составу и молекулярной структуре. Общими для эластина и коллагена являются большое содержание глицина и пролина, наличие оксипролина, хотя последнего в эластине примерно в 10 раз меньше, чем в коллагене. Как и в коллагене, в эластине мало метионина и отсутствуют триптофан и цистеин. В отличие от коллагена в эластине значительно больше валина и аланина и меньше глутаминовой кислоты и аргинина. В целом характерной особенностью первичной структуры эластина является слишком малое содержание полярных аминокислотных остатков. При ферментативном гидролизе эластина в гидролизате обнаруживаются десмозин и изодесмозин. Эти соединения содержатся только в эластине. Считают, что при образовании десмозина сначала 3 остатка лизина окисляются до соответствующих ε-альдегидов, а затем происходит их соединение с четвертым остатком лизина:
Десмозин
Очевидно, именно благодаря своей структуре десмозин и изодесмозин могут одновременно входить в состав четырех пептидных цепей. По-видимому, этим можно объяснить, что эластин в отличие от других фибриллярных белков способен растягиваться в двух направлениях. В гидролизатах эластина найдена еще одна необычная «аминокислота», пик которой на хроматограммах располагается между орнитином и лизином. Оказалось, что это лизиннорлейцин, который обеспечивает наряду с десмозином и изодесмозином поперечные связи в молекуле эластина:
Остаток лизиннорлейцина
Эластин вместе с коллагеном, протеогликанами и рядом глико- и мукопротеинов является продуктом биосинтетической деятельности фибробластов. Непосредственным продуктом клеточного биосинтеза считается не эластин, а его предшественник – тропоэластин (в коллагене – проколлаген). Тропоэластин не содержит поперечных связей, обладает растворимостью. В последующем тропоэластин превращается в зрелый эластин, нерастворимый, содержащий большое количество поперечных связей.
Нити эластина, содержащиеся в тканях лёгких, в стенках сосудов, в эластичных связках, могут быть растянуты в несколько раз по сравнению с их обычной длиной, но после снятия нагрузки они возвращаются к свёрнутой конформации.
|