Лекция Белки

Лекция

Белки.

План:

1.  Структура и классификация белков.

2.  Функции белков.

3.  Ферменты.

3.1.  Свойства ферментов.

3.2.  Локализация и механизм действия.

3.3.  Факторы, влияющие на активность ферментов.

4.  Биосинтез белков.

1.  Структура и классификация белков.

Среди органических веществ клетки белки занимают 1 место как по количеству, так и по качеству. Белки – это высокомолекулярные полимерные соединения, они включают: углерод, кислород. водород, азот, некоторые - серу. в организме человека встречается 5 млн. типов белковых молекул, что обеспечивается комбинацией всего лишь 20 разных аминокислот. Общая формула аминокислоты:

т. е. аминокислота совмещает свойства кислоты и основания. что объясняет способность к взаимодействию.

Аминогруппа одной кислоты взаимодействует с карбоксильной группой другой, эта связь называется пептидной, а несколько соединенных между собой аминокислот образуют полипептид – белок с молекулярной массой 6000.

Для аминокислот характерна ассиметричность, в результате чего различают а - и Д - аминокислоты. В составе клеточных белков имеются только а-аминокислоты(стандартные), но имеются еще и аминокислоты, которые присутствуют в организмах, но не обнаруживаются в большинстве их белков.

Чистые аминокислоты, выделенные из белков, имеют сладкий вкус. Н-р, однонатриевый глутамат – соль аминокислоты, которую используют в кулинарии для придания блюдам мясного вкуса. Белки сьеденой пищи расщепляются на аминокислоты, а затем всасываются в кровь. Сведения о превращении белков в углеводы и в жиры были получены в опытах с веществами, меченными изотопами углерода, водорода и азота. При длительном голодании, после того как гликоген и резервные жиры израсходованы, в качестве источника энергии могут могут использоваться клеточные белки.

При наличии исходящих материалов клетки животного способны синтезировать некоторые аминокислоты. Те аминокислоты, которое животное не может синтезировать, должны прямо или косвенно (у растений) получать – это так называемые незаменимые аминокислоты (т. е. не более важные, а не способные синтезировать данным организмом). Предполагают, что а-аминокислоты существуют около 2 млрд. лет.

Для того, чтобы полипептид функционировал нормально, его цепь должна быть надлежащим образом скручена или свернута. В зависимости от конформации различают:

а) глобулярные – полипептидные цепи образуют клубки.(Н-р, ферменты, гормоны, гемоглобин, антитела)

б) фибриллярные – полипептидные цепи образуют фибриллы. (Коллаген сухожилий и костей, кератинин волос.

Это свертывание обьясняется взаимодействиями между аминокислотами.

1.  Ионными связями между положительно и отрицательно заряженными боковыми группами аминокислот,

2.  водородными связями между атомами, несущими частично положительные и частично отрицательные заряды,

3.  ковалентными связями,

4.  гидрофобными взаимодействиями, обусловленными взаимодействием неполярных боковых связей аминокислот обьединяться друг с другом, а не смешиваться с окружающей их водной средой.

Специфические биологические функции белков зависят от их пространственной конфигурации, нарушение которой ведет к потере биологической активности.

У белков имеется 4 уровня структурной организации:

1.  аминокислотная последовательность. Наиболее устойчивая структура, определяющая самосборку белковой молекулы (2, 3).

2.  Создается в результате свертывания полипептидной цепи в спираль (а-спирали) или складчатые слои (-структуры). Эти структуры стабилизированы водородными связями м/д СО и NН группами пептидных связей в спирали – полипептидная цепь закручена в форме винта и имеет правильную геометрическую форму.

3.  Нековалентные взаимодействия м/д а и  структурными участками полипептидной цепи в совокупности с взаимодействиями R-групп и функциональных групп остова молекулы определяют третичную структуру (глобальную или фибриллярную). Дисульфидные связи характер свертывания не определяют, но структуру стабилизируют.

4.  четвертичная структура характеризуется тем, что белковаямолекула состоит из нескольких полипептидных цепей. Ее имеют в основном регулятоорные белки.

При изменении физических условий (рН, t) происходит денатурация – утрата природной конфигурации молекулами белков, нуклеиновых кислот. Она обусловлена разрывом слабых нековалентных связей в молекулах биополимеров молекула развертывается, что сопровождается потерей биологической активности. Развертывание глобулярной структуры делает доступным для растворителей и хим. реагентов радикалы, находящиеся внутри молекулы.

Денатурация может быть полной и частичнрй, обратимой и необратимой. Обратный процесс называется ренатурацией.

Единой классификации белков не существует:

1.  по составу:

-  простые – протеины состоят только из аминокислот.

-  сложные – протеиды, в состав которых помимо аминокислот входят углеводы – гликопротеиды,

липиды – липопротеиды,

нуклеиновые кислоты – нуклепротеиды и т. д.

2.  по форме белковой молекулы: фибриллярные и глобулярные.

3.  по функции: структурные, каталитические, транспортные, регуляторные, защитные и т. д.

4.  по способности растворяться в воде, р-х нейтральных солей, щелочах, кислотах и органических растворителях:

-  альбулины – постые глобулярные белки, хорошо растворимые в воде, солевых растворах, разбавленых кислотах и щелочах. Это резервные белки, которые содержатся в молоке, яичном белке, сыворотке крови, лсуществляют транспортную функцию (витамины, гормоны).

-  глобулины – в основном простые глобулярные белки, растворимые в разбавленных растворах солей, кислот, щелочей, слабо растворимы в воде. Определяют имунные свойства организма, свертываемость крови, транспорт железа и т. д.

-  глутелины – простые белки, содержащиеся в семенах злаков, растворимы в разбавленных кислотах и щелочах. Запасная функция.

-  гистоны - содержатся в ядрах клеток. Функции: стабилизирует организацию хроматина, уч-т в регуляции синтеза ДНК и РНК, повышают проницаемость клеточных мембран.

-  протамины.

-  проламины – глобулярные белки в зернах злаков. Функция: запасная.

2.  Функции белка.

На долю белка в цитоплазме приходится 50-70% от общего кличества органических соединений и их функции разнообразны:

1.  строительная, т. к. белки входят в строение практически всех клеточных структур. Обладая способностью образовывать волокна, многие белки выполняют опорную функцию. Н-р, основу кожи, хрящей, сухожилий у млекопитающих составляет фибриллярный белок коллаген, который при кипячении в воде превращается в желатин.

-  хим. состав волос, костей, перьев определяется кератином.

-  шелковые нити и паутина из фибрина.

-  1 ликопротеиды образуют клеточные стенки.

-  ферменты катализируют реакции синтеза и распада.

-  эластин – связки.

2.  Двигательная и сократительная – белки на молекулярном уровне обеспечивают движение хромосом и сперматозоидов, на других уровнях – движение простейших, двигательные реакции у растений, сокращение скелетных мышц у многоклеточных животных (антин, миозин - нити в миофибриллах, дипеин – движение жгутиков и ресничек у простейших).

3.  Транспортная – заключается в присоединении хим. элементов (О2) или биологически активных веществ (гормонов) и переносе их к различным тканям и органам тела: гемоглобин переносит О2 у позвоночных в крови; миоглобин - –переносит О2 в мышцах.

4.  Защитная – способность образовывать особые белки – антитела при поступлении в организм чужеродных белков или микроорганизмов, вызывающих иммунную реакцию.

5.  Энергетическая – при истощении углеводных и липидных ресурсов, белки распадаются до аминокислот, дезаминируясь они становятся источниками энергии. При полном расщеплении 1 г белка выделяется 17.6 кДж энергии.

6.  Белками являются различные токсины, подуцируемые паразитами животной и растительной природы, представляющие угрозу жизни животных и человека:

-  ботулистический токсин – пищевые отравления,

-  змеиный яд – гидролиз фосфоглицеридов,

-  рицин – токсический белок клещевины.

7.  Каталитическая.

Катализатор – вещество, ускоряющее хим. реакцию, а в-ва, регулирующие скорость процессов в клетке называются ферментами. Все ферменты – в-ва белковой природы. Термин «катализ» буквально означает развязывание, освобождение. Сущность каталитической реакции, несмотря на огромное разнообразие катализаторов и типов реакций, в которых они принимают участие сводится к тому, что исходные в-ва образуют с катализатором промежуточные соединения. Они сравнительно быстро превращаются в конечные продукты реакции, а катализатор восстанавливается в первоначальном –виде.

Рассмотрим разложение мочевины, содержащейся в кошачей моче на двуокись углерода и аммиак.

H2N – CO - NH2 + H2O  CO2 + 2NH3

моча аммиак

Эта реакция катализируется ферментом уреазой, уреазу образуют размножающиеся бактерии. При комнатной температуре 1 молекула уреазы способна за 1 сек расщепить до 30000 молекул мочевины, без катализатора на это потребовалось бы до 3 млн лет.

Для любой хим. реакции сущ. энергетический барьер, который должен быть преодолен прежде чем сможет начаться реакция. Этот энергетический барьер – энергия активации. В любой популяции молекул одни молекулы обладают сравнительно высокой энергией, другие – более низкой. Вступать в реакцию могут только молекулы с относительно высоким содержанием энергии. Для ускорения реакции необходимо повысить энергию, чтобы преодолеть энергетический барьер. Этого можно достигнуть, нагревая реакционную смесь. Поглощенное молекулами тепло повышает их внутреннюю энергию, увеличивая вероятность столкновения и реакции м/д ними. преодолеть энергетический барьер можно и при добавлении катализатора. при этом энергия активации снижается, а доля молекул, способных реагировать – возрастает.

3.  Ферменты.

3.1.  Свойства ферментов.

Все ферменты, которые до сих пор были выделены и получены в кристаллическом виде оказались белками. Название ферментов обычно образуют, прибавляя окончание –аза к названию субстрата – вещества, на которое действует данный фермент.

Н-р, сахароза расщепляется на глюкозу и фруктозу под действием фермента сахарозы.

Обычно ферменты бесцветны, но иногда имеют желтую, зеленую, синюю, коричневую или красную окраску. Большинство ферментов растворимы в воде или разбавленом солевом растворе, но некоторые, например ферменты митохондрий, связаны м/д собой фосфолипидно-белковым комплексом и нерастворимы в воде.

Каталитическая способность некоторых ферментов феноменальна. Н-р, 1 молекулы каталозы, экстрагированной из печени быка, достаточно для разложения 5 млн молекул перикиси водорода за 1 млн при t 0С.

Число молекул субстрата, на которое может воздействовать 1 молекула фермента в минуту называется числом оборота фермента.

Ферменты различаются по своей активности и по числу субстратов, на которые они могут действовать.

Н-р, уреаза действует только на мочевину.

Пероксидаза расщепляет несколько разных перекисей, в том числе перикись водорода.

Специфичность некоторых ферментов сводится к тому, чтобы субстрат обладал химическими связями определенного типа. Липаза, выделяемая поджелудочной железой, расщепляет эфирные связи между глицерином и жирными кислотами в разнообразных жирах.

Теоретически, реакции контролируемые ферментами обратимы и фермент не влияет на направление реакции. Обычно ферменты работают согласованно, а продукт 1 ферментативной реакции служит субстратом для последующей. Т. о. клетку можно представить в виде завода с множеством сборочных и разборочных линий, действующих одновременно.

Н-р, из прорастающих семян ячменя 2 фермента, которые превращают крахмал в глюкозу: амилаза – расщепляет крахмал до мольтозы,

мольтоза – расщепляет мальтозу до глюкозы.

Некоторые ферменты активны только в присутствии определенных неорганических или каких – нибудь малых органических молекул, которые сами не являются катализаторами (н-р, витамины).

3.2.  Локализация и механизм действия ферментов.

Многие ферменты просто растворены в цитоплазме. Из растертой печени можно приготовить водный экстракт, содержащий ферменты, катализирующие расщепление молочной кислоты до СО2 и Н2О, связаны с митохондриями, ферменты, связанные с синтезом белка на рибосомах.

Локализацию и функцию ферментов изучают чистохимическими методами.

Ферменты могут ускорять лишь те реакции, которые происходили бы и в их отсутствии, хотя и очень медленно.

При соединении с субстратом, фермент образует комплекс: фермент – субстрат, который распадается с освобождением фермента и продуктов реакции (сформулировал Михаэлис 80 лет назад, подтвердили Д. Кеймен и П. Чанс).

Чанс выделил из хрена пероксидазу, имеющую коричневую окраску. При смешивании ее с перекисью водорода образовывался комплекс зеленого цвета, который превращался в красный комплекс, расщепляющийся с освобождением коричневого субстрата и продуктов разложения перикиси, посматривая изменения окраски, Чанс вычислил скорость образования и расщепления комплекса.

Находясь в комплексе с ферментом, субстрат обладает большей реакционной способностью, чем в свободном состоянии. У большинства ферментов только небольшая часть молекул вступает во взаимодействие с субстратом. Эта часть молекулы называется активным центром.

3.3.  Факторы, влияющие на активность ферментов.

1.  Температура: ферменты теряют активность при нагревании. При t от 50 до 60С большинство ферментов инактивируются, их активность после охлаждения не восстанавливается. Это обьясняет гибель организмов при высокой иемпературе (не подолжается обмен в-в)

Исключения:

-  сине-зеленые водоросли живут в гейзерах Шелоустонского парка,

-  цианобактерии живут на поверхности ледника.

Замораживание не приводит к инактивации, ферментативные реакции могут идти очень медленно, но при повышении t каталитическая активность увеличивается.

2.  Кислотность:

Ферменты чувствительны к изменениям кислотности или щелочности.

-  пепсин – переваривает белки в желудке, активен в очень кислой среде. рН=2

-  трипсин – выделяется поджелудочной железой, проявляет наибольшую активность при рН=8.5

Большинство ферментов имеют оптимум рН близ нейтральной точки.

3.  Концентрация фермента, субстрата и кофакторов.

а) Если субстрат и кофакторы имеются в достаточных количествах, они не могут ограничивать скорость р-и.

б) При постоянстве рН, t, концентрации фермента, скорость реакции возрастает до определенного предела.

Известны низкомолекулярные соединения, которые могут снижать скорость ферментативных реакций. Такие соединения называются ингибиторами. Многие лекарственные препараты и яды также действуют как ингибиторы ферментов. Ингибирование бывает:

-  конкурентное – близкое по своей структуре к обычному субстрату фермента, но не может прореагировать с ним, т. к. ингибитор и субстрат конкурируют за место на активном центре фермента. Но если концентрация увеличивается, то скорость р-и возрастает, т. е. это обратимый процесс.

-  неконкурентное:

-  обратимое (по структуре они не свойственны субстрату фермента, в образовании комплекса участвует не активный центр фермента, а какая-нибудь часть молекулы. Катализ невозможен.)

-  необратимое (нарушается структура фермента, белок может осаждаться.)

3 .Яды, отравляющие ферменты.

Некоторые ферменты специфически чувствительны к определенным ядам: циониду, люзииту, фториду, йодоуксусной кислоте.

-  цитохромоксидаза (переносит электроны) чувствительна к цианиду.

-  расщепление глюкозы тормозят фториды и иодоуксусная кислота.

-  в ненадлежащем месте они сами являются ядами, н-р, трипсин (1 мг внутривенно убивает крысу).

-  яды пчел, змей, скорпионов содержат яды, разрушающие клетки крови или ткани.

4. Биосинтез белков.

Для синтеза белка необходимы рибосомы (построенные из белка и рРНК), тРНК, мРНК, аминокислоты и ферменты.

Начало трансляции мРНК у эукариот неясно. У прокариот синтез начинается с присоединения кодона АУГ мРНК.

В рибосомах имеется 2 бороздки:

1.  удерживает полипептидную цепь

2.  удерживает мРНК.

В каждый момент рибосома экранирует сегмент мРНК  30 нуклеотидов.

Трансляция информации на язык аминокислот выражается в постепенном наращивании пептидной цепи в соответствии с инструкцией мРНК. Проходит в 3 фазы.

1.  Фаза инициации – начало синтеза. Проходит соединение 2 находящихся порознь в цитоплазме 2 субьединиц рибосомы на опредленном уч-ке мРНК.

2.  фаза элонгации – удлинение пептида(от 1 до последней аминокисл.). Благодаря трехмерной организации тРНК при соединении ее антикодона с кодоном мРНК, транспортируемая ею аминокислота располагается в А-участке. Между 2 аминокислотами образуется петидная связь. в результате предыдущая аминокислота теряет связь с тРНК и присоед. к аминоцил ТРНК, расположенной в А-уч., а находящаяся тРНК в П-уч., уходит в цитоплазму.

Перемещение тРНК из уч. А в П сопровождается переходом рибосом по мРНК на шаг, соотв. 1 кодону.

Сборка пептидной цепи осущ. с достаточно большой скоростью, зависящей от t. У бактерий при t = 37 12-17 аминокислот в 1 с, у эакариот 2 аминокислоты в 1 с.

3.  Фаза терминации (завершение синтеза полипептида). Связана с узнаванием терминирующих кодонов (УАА, УАГ, УГА), когда тот входит в зону А-уч. К последней аминокислоте присоединяется вода, пептидная цепь теряет связь с рибосомой, которая распадается на 2 субчастицы.

Подавляют синтез белка у возбудителей болезни антибиотики.

Биосинтез белков – сложный процесс, связанный с участием многих ферментов и затратой большого количества энергии, значительно превышающего энергию образующихся пептидных связей.