Najpomembnejše kemijske in fizikalne lastnosti beljakovin. "Veverice

Nekatere beljakovine se razgradijo, ko celice umrejo in so uničene. To se dogaja ves čas, na primer z rdečimi krvnimi celicami in epitelnimi celicami, ki obdajajo notranjo površino črevesja. Poleg tega pride do razgradnje in ponovne sinteze beljakovin tudi v živih celicah. Nenavadno je, da je manj znanega o razgradnji beljakovin kot o njihovi sintezi. Jasno pa je, da pri razgradnji sodelujejo proteolitični encimi, podobni tistim, ki v prebavnem traktu razgradijo beljakovine v aminokisline.

Razpolovna doba različnih beljakovin se giblje od nekaj ur do več mesecev. Edina izjema je molekula kolagena. Ko so oblikovani, ostanejo stabilni in se ne obnavljajo ali zamenjajo. Sčasoma pa se spremenijo nekatere njihove lastnosti, predvsem elastičnost, in ker se ne obnavljajo, to povzroči nekatere starostne spremembe, kot je na primer pojav gub na koži.

veverice- To so visokomolekularni (molekulska masa se giblje od 5-10 tisoč do 1 milijon ali več) naravni polimeri, katerih molekule so zgrajene iz aminokislinskih ostankov, povezanih z amidno (peptidno) vezjo.

Beljakovine imenujemo tudi beljakovine (grško "protos" - prvi, pomemben). Število aminokislinskih ostankov v proteinski molekuli se zelo razlikuje in včasih doseže nekaj tisoč. Vsak protein ima svoje inherentno zaporedje aminokislinskih ostankov.

Beljakovine opravljajo različne biološke funkcije: katalitične (encimi), regulacijske (hormoni), strukturne (kolagen, fibroin), motorične (miozin), transportne (hemoglobin, mioglobin), zaščitne (imunoglobulini, interferon), skladiščne (kazein, albumin, gliadin) in drugi.

Beljakovine so osnova biomembran, najpomembnejše sestavine celice in celičnih komponent. Imajo ključno vlogo v življenju celice, saj so tako rekoč materialna osnova njene kemične dejavnosti.

Izjemna lastnost beljakovin je samoorganizacija strukture, to je njegova sposobnost, da spontano ustvari določeno prostorsko strukturo, ki je značilna le za določen protein. V bistvu so vse dejavnosti telesa (razvoj, gibanje, opravljanje različnih funkcij in še veliko več) povezane z beljakovinskimi snovmi. Nemogoče si je predstavljati življenje brez beljakovin.

Beljakovine so najpomembnejši sestavni del prehrane ljudi in živali ter dobavitelj esencialnih aminokislin.

Struktura beljakovin

V prostorski strukturi proteinov je zelo pomembna narava R- radikalov (ostankov) v molekulah aminokislin. Nepolarni aminokislinski radikali se običajno nahajajo znotraj beljakovinske makromolekule in povzročajo hidrofobne interakcije; polarni radikali, ki vsebujejo ionske skupine (ki tvorijo ione), se običajno nahajajo na površini beljakovinske makromolekule in označujejo elektrostatične (ionske) interakcije. Polarni neionski radikali (na primer, ki vsebujejo alkoholne OH skupine, amidne skupine) se lahko nahajajo tako na površini kot v notranjosti proteinske molekule. Sodelujejo pri tvorbi vodikovih vezi.

V beljakovinskih molekulah so α-aminokisline med seboj povezane s peptidnimi (-CO-NH-) vezmi:

Tako zgrajene polipeptidne verige ali posamezni odseki znotraj polipeptidne verige so lahko med seboj v nekaterih primerih dodatno povezani z disulfidnimi (-S-S-) vezmi ali, kot jih pogosto imenujemo, disulfidnimi mostovi.

Veliko vlogo pri ustvarjanju strukture beljakovin igrajo ionske (solne) in vodikove vezi, pa tudi hidrofobna interakcija - posebna vrsta stika med hidrofobnimi komponentami beljakovinskih molekul v vodnem okolju. Vse te vezi imajo različne moči in zagotavljajo tvorbo kompleksne, velike proteinske molekule.

Kljub razliki v strukturi in funkcijah beljakovinskih snovi se njihova elementarna sestava nekoliko razlikuje (v% glede na suho maso): ogljik - 51-53; kisik - 21,5-23,5; dušik - 16,8-18,4; vodik - 6,5-7,3; žveplo - 0,3-2,5.

Nekatere beljakovine vsebujejo majhne količine fosforja, selena in drugih elementov.

Zaporedje aminokislinskih ostankov v polipeptidni verigi se imenuje primarna proteinska struktura.

Molekula beljakovine je lahko sestavljena iz ene ali več polipeptidnih verig, od katerih vsaka vsebuje različno število aminokislinskih ostankov. Glede na število možnih kombinacij je pestrost beljakovin skorajda neomejena, a v naravi ne obstajajo vse.

Skupno število različnih vrst beljakovin v vseh vrstah živih organizmov je 10 11 -10 12. Pri proteinih, katerih zgradba je izjemno kompleksna, poleg primarne ločimo tudi višje ravni strukturne organizacije: sekundarno, terciarno in včasih kvartarno strukturo.

Sekundarna struktura ima večina beljakovin, čeprav ne vedno v celotni polipeptidni verigi. Polipeptidne verige z določeno sekundarno strukturo so lahko različno locirane v prostoru.

V formaciji terciarna struktura Poleg vodikovih vezi igrajo pomembno vlogo ionske in hidrofobne interakcije. Na podlagi narave "embalaže" beljakovinske molekule se razlikujejo kroglasta, ali sferično, in fibrilarni, ali nitastih proteinov (tabela 12).

Za globularne proteine ​​je bolj značilna a-vijačna struktura; Makromolekula ima sferično obliko. Raztapljajo se v vodi in solnih raztopinah ter tvorijo koloidne sisteme. Večina beljakovin v živalih, rastlinah in mikroorganizmih je globularnih beljakovin.

Za fibrilarne proteine ​​je bolj značilna filamentna struktura. Na splošno so netopni v vodi. Fibrilarni proteini običajno opravljajo funkcije oblikovanja strukture. Njihove lastnosti (trdnost, raztegljivost) so odvisne od načina pakiranja polipeptidnih verig. Primera fibrilarnih proteinov sta miozin in keratin. V nekaterih primerih posamezne proteinske podenote tvorijo kompleksne ansamble s pomočjo vodikovih vezi, elektrostatičnih in drugih interakcij. V tem primeru se oblikuje kvartarna struktura beljakovine.

Primer proteina s kvartarno strukturo je krvni hemoglobin. Le s tako zgradbo opravlja svoje naloge – veže kisik in ga transportira do tkiv in organov.

Vendar je treba opozoriti, da ima pri organizaciji višjih proteinskih struktur izključno vlogo primarna struktura.

Razvrstitev beljakovin

Obstaja več klasifikacij beljakovin:

1. Po stopnji težavnosti (preprosti in zapleteni).
2. Glede na obliko molekul (globularni in fibrilarni proteini).
3. Glede na topnost v posameznih topilih (vodotopni, topni v razredčenih fizioloških raztopinah - albumini, alkoholotopni - prolamini, topni v razredčenih alkalijah in kislinah - glutelini).
4. Glede na opravljene funkcije (na primer skladiščne beljakovine, skeletne beljakovine itd.).

Lastnosti beljakovin

Beljakovine so amfoterni elektroliti. Pri določeni vrednosti pH (imenovani izoelektrična točka) je število pozitivnih in negativnih nabojev v proteinski molekuli enako. To je ena glavnih lastnosti beljakovin. Beljakovine so na tej točki električno nevtralne, njihova topnost v vodi pa je najmanjša. Sposobnost beljakovin, da zmanjšajo topnost, ko njihove molekule dosežejo električno nevtralnost, se uporablja za izolacijo iz raztopin, na primer v tehnologiji za pridobivanje beljakovinskih produktov.

Hidracija. Proces hidracije pomeni vezavo vode na beljakovine, te pa pokažejo hidrofilne lastnosti: nabreknejo, povečata se njihova masa in prostornina. Nabrekanje posameznih proteinov je odvisno izključno od njihove strukture. Hidrofilne amidne (-CO-NH-, peptidna vez), aminske (-NH 2) in karboksilne (-COOH) skupine, ki so prisotne v sestavi in ​​se nahajajo na površini beljakovinske makromolekule, privlačijo molekule vode in jih strogo usmerijo na površino. molekule. Hidracijska (vodna) lupina, ki obdaja beljakovinske kroglice, preprečuje agregacijo in sedimentacijo ter tako prispeva k stabilnosti beljakovinskih raztopin. V izoelektrični točki imajo proteini najmanjšo sposobnost vezave vode; hidratacijska ovojnica okoli proteinskih molekul je uničena, zato se združijo v velike agregate. Do agregacije beljakovinskih molekul pride tudi, ko jih dehidriramo s pomočjo določenih organskih topil, na primer etilnega alkohola. To vodi do obarjanja beljakovin. Ko se pH okolja spremeni, se beljakovinska makromolekula naelektri in njena hidratacijska sposobnost se spremeni.

Z omejenim nabrekanjem koncentrirane beljakovinske raztopine tvorijo kompleksne sisteme, imenovane želeji.

Želeji niso tekoči, elastični, imajo plastičnost, določeno mehansko trdnost in lahko obdržijo svojo obliko. Globularne beljakovine se lahko popolnoma hidrirajo in raztopijo v vodi (na primer mlečne beljakovine) in tvorijo raztopine z nizkimi koncentracijami. Hidrofilne lastnosti beljakovin, to je njihova sposobnost nabrekanja, tvorjenja želeja, stabilizacije suspenzij, emulzij in pen, so velikega pomena v biologiji in živilski industriji. Zelo gibljiv žele, zgrajen predvsem iz beljakovinskih molekul, je citoplazma - surovi gluten, izoliran iz pšeničnega testa; vsebuje do 65 % vode. Različna hidrofilnost glutenskih beljakovin je eden od znakov, ki označujejo kakovost pšeničnega zrna in iz njega pridobljene moke (tako imenovana močna in šibka pšenica). Hidrofilnost beljakovin žita in moke igra pomembno vlogo pri skladiščenju in predelavi žita ter pri peki. Testo, ki ga pridobivamo v pekarstvu, je v vodi nabrekla beljakovina, zgoščen žele, ki vsebuje škrobna zrna.

Denaturacija beljakovin. Pri denaturaciji pod vplivom zunanjih dejavnikov (temperatura, mehanske obremenitve, delovanje kemičnih dejavnikov in številni drugi dejavniki) pride do spremembe sekundarne, terciarne in kvartarne strukture beljakovinske makromolekule, to je njene naravne prostorske strukture. Primarna struktura in s tem kemična sestava beljakovine se ne spremeni. Fizikalne lastnosti se spremenijo: zmanjša se topnost in sposobnost hidratacije, izgubi se biološka aktivnost. Spremeni se oblika beljakovinske makromolekule in pride do agregacije. Ob tem se poveča aktivnost določenih kemijskih skupin, olajša se delovanje proteolitičnih encimov na beljakovine, zato se laže hidrolizirajo.

V živilski tehnologiji je posebnega praktičnega pomena toplotna denaturacija beljakovin, katere stopnja je odvisna od temperature, trajanja segrevanja in vlažnosti. To je treba upoštevati pri razvoju režimov toplotne obdelave živilskih surovin, polizdelkov in včasih končnih izdelkov. Posebno vlogo imajo procesi toplotne denaturacije pri blanširanju rastlinskih surovin, sušenju žita, peki kruha in izdelavi testenin. Denaturacijo beljakovin lahko povzroči tudi mehansko delovanje (pritisk, drgnjenje, tresenje, ultrazvok). Nazadnje, denaturacijo beljakovin povzroči delovanje kemičnih reagentov (kisline, alkalije, alkohol, aceton). Vse te tehnike se pogosto uporabljajo v hrani in biotehnologiji.

penjenje. Proces penjenja se nanaša na sposobnost beljakovin, da tvorijo visoko koncentrirane sisteme tekočina-plin, imenovane pene. Stabilnost pene, v kateri je penilo beljakovina, ni odvisna le od njene narave in koncentracije, temveč tudi od temperature. Beljakovine se pogosto uporabljajo kot sredstva za penjenje v slaščičarski industriji (marshmallows, marshmallows, soufflé). Kruh ima penasto strukturo, kar vpliva na njegov okus.

Proteinske molekule se lahko pod vplivom številnih dejavnikov uničijo ali medsebojno delujejo z drugimi snovmi in tvorijo nove produkte. Za živilsko industrijo lahko ločimo dva pomembna procesa:

1) hidroliza beljakovin pod delovanjem encimov;

2) interakcija amino skupin beljakovin ali aminokislin s karbonilnimi skupinami reducirajočih sladkorjev.

Pod vplivom encimov proteaz, ki katalizirajo hidrolitično razgradnjo beljakovin, le-te razpadejo na enostavnejše produkte (poli- in dipeptide) in nazadnje na aminokisline. Hitrost hidrolize beljakovin je odvisna od njihove sestave, molekularne zgradbe, aktivnosti encimov in pogojev.

Hidroliza beljakovin. Reakcijo hidrolize s tvorbo aminokislin na splošno lahko zapišemo na naslednji način:

zgorevanje. Beljakovine pri izgorevanju proizvajajo dušik, ogljikov dioksid in vodo ter nekatere druge snovi. Izgorevanje spremlja značilen vonj po zažganem perju.

Barvne reakcije na beljakovine. Za kvalitativno določanje beljakovin se uporabljajo naslednje reakcije:

1) ksantoprotein, pri kateri pride do interakcije aromatskih in heteroatomskih ciklov v proteinski molekuli s koncentrirano dušikovo kislino, ki jo spremlja pojav rumene barve.

2) biuret, pri katerem šibko alkalne raztopine proteinov medsebojno delujejo z raztopino bakrovega (II) sulfata, da tvorijo kompleksne spojine med ioni Cu 2+ in polipeptidi. Reakcijo spremlja pojav vijolično modre barve.

5. Regulativna funkcija. Beljakovine opravljajo funkcije signalnih snovi - nekateri hormoni, histohormoni in nevrotransmiterji so receptorji za signalne snovi katere koli strukture in zagotavljajo nadaljnji prenos signala v biokemičnih signalnih verigah celice. Primeri vključujejo rastni hormon somatotropin, hormon insulin, H- in M-holinergične receptorje.

6. Motorična funkcija. S pomočjo beljakovin se izvajajo procesi krčenja in drugega biološkega gibanja. Primeri vključujejo tubulin, aktin in miozin.

7. Rezervna funkcija. Rastline vsebujejo rezervne beljakovine, ki so dragocena hranila; v živalskih telesih mišične beljakovine služijo kot rezervna hranila, ki se mobilizirajo, ko je to nujno potrebno.

Za beljakovine je značilna prisotnost več ravni strukturne organizacije.

Primarna struktura Protein je zaporedje aminokislinskih ostankov v polipeptidni verigi. Peptidna vez je karboksamidna vez med α-karboksilno skupino ene aminokisline in α-amino skupino druge aminokisline.

alanilfenilalanilcisteilprolin

U str eptidna vez obstaja več funkcij:

a) je resonančno stabiliziran in se zato nahaja praktično v isti ravnini - planarni; rotacija okoli C-N vezi zahteva veliko energije in je težavna;

b) vez -CO-NH- ima poseben značaj, je manjša od običajne, vendar večja od dvojne, to pomeni, da obstaja keto-enolna tavtomerija:

c) substituenti glede na peptidno vez so v trans- položaj;

d) peptidno ogrodje je obdano s stranskimi verigami različne narave, ki medsebojno delujejo z okoliškimi molekulami topila, proste karboksilne in amino skupine so ionizirane, kar tvori kationske in anionske centre proteinske molekule. Odvisno od njihovega razmerja beljakovinska molekula prejme skupni pozitivni ali negativni naboj, zanjo pa je značilna tudi ena ali druga vrednost pH okolja, ko doseže izoelektrično točko proteina. Radikali tvorijo solne, etrske in disulfidne mostove znotraj proteinske molekule in določajo tudi obseg reakcij, značilnih za proteine.

Trenutno so se strinjali, da obravnavajo polimere, sestavljene iz 100 ali več aminokislinskih ostankov, kot proteine, polipeptide - polimere, sestavljene iz 50-100 aminokislinskih ostankov, peptide z nizko molekulsko maso - polimere, sestavljene iz manj kot 50 aminokislinskih ostankov.

nekaj nizko molekulsko maso peptidi igrajo neodvisno biološko vlogo. Primeri nekaterih od teh peptidov:

Glutation - γ-glu-cis-gly - ena eden najbolj razširjenih znotrajceličnih peptidov, sodeluje pri redoks procesih v celicah in prenosu aminokislin preko bioloških membran.

karnozin - β-ala-his - peptid, ki ga vsebujejo mišice živali, odstranjuje produkte razgradnje lipidnega peroksida, pospešuje proces razgradnje ogljikovih hidratov v mišicah in je v obliki fosfata vključen v presnovo energije v mišicah.

Vasopresin je hormon zadnjega režnja hipofize, ki sodeluje pri uravnavanju presnove vode v telesu:

faloidin- strupeni polipeptid mušnice, v zanemarljivih koncentracijah povzroči smrt telesa zaradi sproščanja encimov in kalijevih ionov iz celic:

Gramicidin - antibiotik, ki deluje na številne gram-pozitivne bakterije, spremeni prepustnost bioloških membran za nizkomolekularne spojine in povzroči celično smrt:

Meth-enkefalin - tyr-gly-gly-phen-met - peptid, ki se sintetizira v nevronih in zmanjšuje bolečino.

Sekundarna struktura beljakovin je prostorska struktura, ki nastane kot posledica interakcij med funkcionalnimi skupinami peptidnega ogrodja.

Peptidna veriga vsebuje veliko skupin CO in NH peptidnih vezi, od katerih je vsaka potencialno sposobna sodelovati pri tvorbi vodikovih vezi. Obstajata dve glavni vrsti struktur, ki to omogočata: α-vijačnica, v kateri je veriga zvita kot telefonski kabel, in prepognjena β-struktura, v kateri so podolgovati deli ene ali več verig položeni drug ob drugega strani. Obe strukturi sta zelo stabilni.

Za α-vijačnico je značilno izjemno gosto pakiranje zvite polipeptidne verige; za vsak obrat desne vijačnice je 3,6 aminokislinskih ostankov, katerih radikali so vedno usmerjeni navzven in rahlo nazaj, to je na začetek polipeptidne verige.

Glavne značilnosti α-vijačnice:

1) α-vijačnica je stabilizirana z vodikovimi vezmi med atomom vodika pri dušiku peptidne skupine in karbonilnim kisikom ostanka, ki se nahaja na štirih položajih vzdolž verige;

2) vse peptidne skupine sodelujejo pri tvorbi vodikove vezi, kar zagotavlja največjo stabilnost α-vijačnice;

3) vsi atomi dušika in kisika peptidnih skupin sodelujejo pri tvorbi vodikovih vezi, kar bistveno zmanjša hidrofilnost α-spiralnih regij in poveča njihovo hidrofobnost;

4) α-vijačnica se tvori spontano in je najbolj stabilna konformacija polipeptidne verige, ki ustreza minimalni prosti energiji;

5) v polipeptidni verigi L-aminokislin je desnosučna vijačnica, ki jo običajno najdemo v beljakovinah, veliko bolj stabilna kot levosučna.

Možnost tvorbe α-vijačnice ki ga določa primarna struktura proteina. Nekatere aminokisline preprečujejo zvijanje peptidnega ogrodja. Na primer, sosednji karboksilni skupini glutamata in aspartata se medsebojno odbijata, kar preprečuje nastanek vodikovih vezi v α-vijačnici. Iz istega razloga je verižna spiralizacija težavna na mestih, kjer se pozitivno nabiti ostanki lizina in arginina nahajajo blizu drug drugega. Vendar ima prolin največjo vlogo pri motnjah α-vijačnice. Prvič, v prolinu je atom dušika del togega obroča, ki preprečuje vrtenje okoli vezi N-C, in drugič, prolin ne tvori vodikove vezi zaradi odsotnosti vodika pri atomu dušika.

β-plošče je plastna struktura, ki ga tvorijo vodikove vezi med linearno razporejenimi peptidnimi fragmenti. Obe verigi sta lahko neodvisni ali pripadata isti polipeptidni molekuli. Če so verige usmerjene v isto smer, se taka β-struktura imenuje vzporedna. V primeru nasprotnih smeri verige, to je, ko N-konec ene verige sovpada s C-koncem druge verige, se β-struktura imenuje antiparalelna. Antiparalelna β-plošča s skoraj linearnimi vodikovimi mostovi je energijsko bolj zaželena.

vzporedni β-list antiparalelni β-list

Za razliko od α-vijačnice nasičen z vodikovimi vezmi, je vsak odsek β-listne verige odprt za tvorbo dodatnih vodikovih vezi. Stranski radikali aminokislin so usmerjeni skoraj pravokotno na ravnino lista, izmenično navzgor in navzdol.

Na tistih področjih, kjer je peptidna veriga precej ostro upogne, pogosto vsebuje β-zanko. To je kratek fragment, v katerem so 4 aminokislinski ostanki upognjeni za 180° in stabilizirani z enim vodikovim mostom med prvim in četrtim ostankom. Veliki aminokislinski radikali motijo ​​nastanek β-zanke, zato ta največkrat vključuje najmanjšo aminokislino, glicin.

Suprasekundarna struktura beljakovin- to je določen vrstni red menjave sekundarnih struktur. Pod domeno razumemo ločen del proteinske molekule, ki ima določeno stopnjo strukturne in funkcionalne avtonomije. Domene zdaj veljajo za temeljne elemente strukture proteinskih molekul, razmerje in narava razporeditve α-vijačnic in β-listov pa omogočata več razumevanja evolucije proteinskih molekul in filogenetskih odnosov kot primerjava primarnih struktur.

Glavna naloga evolucije je oblikovanje vedno več novih proteinov. Možnost, da bi slučajno sintetizirali zaporedje aminokislin, ki bi zadostilo pogojem pakiranja in zagotovilo izpolnjevanje funkcionalnih nalog, je neskončno majhna. Zato je običajno najti beljakovine z različnimi funkcijami, vendar tako podobnimi po strukturi, da se zdi, da so imeli skupnega prednika ali da so se razvili drug iz drugega. Zdi se, da evolucija, ko se sooči s potrebo po rešitvi določenega problema, raje ne načrtuje proteinov za ta namen že od začetka, ampak za ta namen prilagaja že uveljavljene strukture in jih prilagaja za nove namene.

Nekaj ​​primerov pogosto ponavljajočih se suprasekundarnih struktur:

1) αα' - beljakovine, ki vsebujejo samo α-vijačnice (mioglobin, hemoglobin);

2) ββ’ - proteini, ki vsebujejo samo β-strukture (imunoglobulini, superoksid dismutaza);

3) βαβ’ - struktura β-sodčka, vsaka β-plast se nahaja znotraj sodčka in je povezana z α-vijačnico, ki se nahaja na površini molekule (trioza fosfoizomeraza, laktat dehidrogenaza);

4) "cinkov prst" - proteinski fragment, sestavljen iz 20 aminokislinskih ostankov, atom cinka je povezan z dvema ostankoma cisteina in dvema ostankoma histidina, kar ima za posledico tvorbo "prsta" približno 12 aminokislinskih ostankov, ki lahko se veže na regulatorne regije molekule DNA;

5) "levcinska zadrga" - medsebojno delujoči proteini imajo α-vijačno regijo, ki vsebuje vsaj 4 ostanke levcina, nahajajo se 6 aminokislin narazen, to je, da so na površini vsakega drugega zavoja in lahko tvorijo hidrofobne vezi z ostanki levcina še ena beljakovina. S pomočjo levcinskih zadrg se na primer lahko kompleksirajo molekule močno bazičnih histonskih proteinov, ki premagajo pozitivni naboj.

Terciarna struktura beljakovin- to je prostorska razporeditev proteinske molekule, stabilizirana z vezmi med stranskimi radikali aminokislin.

Vrste vezi, ki stabilizirajo terciarno strukturo proteina:

elektrostatične vodikove hidrofobne disulfidne interakcijske vezi interakcijske vezi

Odvisno od zlaganja Terciarno strukturo beljakovin lahko razvrstimo v dve glavni vrsti - fibrilarno in globularno.

Fibrilarni proteini- dolge, nitaste molekule, netopne v vodi, katerih polipeptidne verige so podolgovate vzdolž ene osi. To so predvsem strukturne in kontraktilne beljakovine. Nekaj ​​primerov najpogostejših fibrilarnih proteinov:

1. α- Keratini. Sintetizirajo ga epidermalne celice. Predstavljajo skoraj vso suho težo dlake, dlake, perja, rogov, nohtov, krempljev, peres, lusk, kopit in želvjega oklepa ter znaten del teže zunanje plasti kože. To je cela družina beljakovin, podobnih aminokislinski sestavi, vsebujejo veliko cisteinskih ostankov in imajo enako prostorsko razporeditev polipeptidnih verig.

V lasnih celicah polipeptidne verige keratina najprej organizirana v vlakna, iz katerih se nato oblikujejo strukture kot vrv ali zvit kabel, ki sčasoma zapolnijo celoten prostor celice. Lasne celice postanejo sploščene in končno odmrejo, celične stene pa okoli vsakega lasu tvorijo cevasto ovojnico, imenovano povrhnjica. V α-keratinu imajo polipeptidne verige obliko α-vijačnice, zavite ena okoli druge v trižilni kabel s tvorbo navzkrižnih disulfidnih vezi.

N-terminalni ostanki se nahajajo na eni strani (vzporedno). Keratini so netopni v vodi zaradi prevlade aminokislin v njihovi sestavi z nepolarnimi stranskimi radikali, ki so obrnjeni proti vodni fazi. Pri trajnem potekajo naslednji procesi: najprej se z redukcijo s tioli uničijo disulfidni mostički, nato pa se, ko las dobi želeno obliko, s segrevanjem posuši, zaradi oksidacije z atmosferskim kisikom pa nastanejo novi disulfidni mostički. , ki obdržijo obliko pričeske.

2. β-keratini. Ti vključujejo fibroin iz svile in pajkove mreže. So antiparalelne β-nagubane plasti s prevlado glicina, alanina in serina v sestavi.

3. Kolagen. Najpogostejši protein pri višjih živalih in glavni fibrilarni protein vezivnega tkiva. Kolagen se sintetizira v fibroblastih in hondrocitih – specializiranih celicah vezivnega tkiva, iz katerih se nato izloči. Kolagenska vlakna najdemo v koži, kitah, hrustancu in kosteh. Ne raztezajo se, so močnejše od jeklene žice, za kolagenska vlakna pa so značilne prečne proge.

Pri kuhanju v vodi postane vlaknat, se netopen in neprebavljiv kolagen pretvori v želatino s hidrolizo nekaterih kovalentnih vezi. Kolagen vsebuje 35 % glicina, 11 % alanina, 21 % prolina in 4-hidroksiprolina (aminokislina, edinstvena za kolagen in elastin). Ta sestava določa relativno nizko hranilno vrednost želatine kot živilske beljakovine. Kolagenske fibrile so sestavljene iz ponavljajočih se polipeptidnih podenot, imenovanih tropokolagen. Te podenote so razporejene vzdolž fibrila v obliki vzporednih snopov na način od glave do repa. Zamik glav daje značilne prečne brazde. Praznine v tej strukturi lahko po potrebi služijo kot mesto za odlaganje kristalov hidroksiapatita Ca 5 (OH) (PO 4) 3, ki ima pomembno vlogo pri mineralizaciji kosti.

Tropokolagenske podenote so sestavljene iz treh polipeptidnih verig, tesno zvitih v trinitno vrv, ki se razlikuje od α- in β-keratinov. Pri nekaterih kolagenih imajo vse tri verige enako aminokislinsko zaporedje, pri drugih pa sta le dve verigi enaki, tretja pa je drugačna. Polipeptidna veriga tropokolagena tvori levosučno vijačnico s samo tremi aminokislinskimi ostanki na obrat zaradi upogibov verige, ki jih povzročata prolin in hidroksiprolin. Tri verige so med seboj povezane poleg vodikovih vezi tudi s kovalentno vezjo, ki nastane med dvema ostankoma lizina, ki se nahajata v sosednjih verigah:

Ko postajamo starejši, se v podenotah tropokolagena in med njimi tvori vse več navzkrižnih povezav, zaradi česar so kolagenska vlakna bolj toga in krhka, to pa spremeni mehanske lastnosti hrustanca in kit, naredi kosti bolj krhke in zmanjša prosojnost roženice.

4. Elastin. Vsebuje rumeno elastično tkivo ligamentov in elastično plast vezivnega tkiva v stenah velikih arterij. Glavna podenota elastinskih vlaken je tropoelastin. Elastin je bogat z glicinom in alaninom, vsebuje veliko lizina in malo prolina. Spiralni odseki elastina se raztegnejo, ko se uporabi napetost, vendar se vrnejo na prvotno dolžino, ko se obremenitev odstrani. Lizinski ostanki štirih različnih verig med seboj tvorijo kovalentne vezi in omogočajo elastinu, da se reverzibilno razteza v vse smeri.

Globularni proteini- proteini, katerih polipeptidna veriga je zložena v kompaktno globulo, so sposobni opravljati najrazličnejše funkcije.

Terciarna struktura globularnih proteinov Najbolj priročno je razmisliti na primeru mioglobina. Mioglobin je razmeroma majhen protein, ki veže kisik in se nahaja v mišičnih celicah. Shranjuje vezan kisik in pospešuje njegov prenos v mitohondrije. Molekula mioglobina vsebuje eno polipeptidno verigo in eno hemoskupino (hem) - kompleks protoporfirina z železom.

Osnovne lastnosti mioglobina:

a) molekula mioglobina je tako kompaktna, da se vanjo lahko prilegajo samo 4 molekule vode;

b) vsi polarni aminokislinski ostanki, razen dveh, se nahajajo na zunanji površini molekule in vsi so v hidriranem stanju;

c) večina hidrofobnih aminokislinskih ostankov se nahaja znotraj molekule mioglobina in je zato zaščitena pred stikom z vodo;

d) vsak od štirih prolinskih ostankov v molekuli mioglobina se nahaja na upogibnem mestu polipeptidne verige, ostanki treonina in asparagina se nahajajo na drugih upogibnih mestih, saj takšne aminokisline preprečujejo nastanek α-vijačnice; se nahajajo drug poleg drugega;

e) ploščata skupina hema leži v votlini (žepu) blizu površine molekule, atom železa ima dve koordinacijski vezi, usmerjeni pravokotno na ravnino hema, ena od njih je povezana z ostankom histidina 93, druga pa služi za vezavo molekula kisika.

Začenši s terciarno strukturo beljakovin postane sposoben opravljati svoje inherentne biološke funkcije. Osnova delovanja proteinov je v tem, da ko se na površini proteina položi terciarna struktura, nastanejo področja, ki lahko pritrdijo druge molekule, imenovana ligandi. Visoka specifičnost interakcije proteina z ligandom je zagotovljena s komplementarnostjo strukture aktivnega centra strukturi liganda. Komplementarnost je prostorska in kemična korespondenca medsebojno delujočih površin. Za večino proteinov je terciarna struktura največja stopnja zvijanja.

Kvartarna struktura beljakovin- značilnost proteinov, sestavljenih iz dveh ali več polipeptidnih verig, ki so med seboj povezane izključno z nekovalentnimi vezmi, predvsem elektrostatičnimi in vodikovimi. Najpogosteje beljakovine vsebujejo dve ali štiri podenote; več kot štiri podenote običajno vsebujejo regulatorne beljakovine.

Beljakovine s kvartarno strukturo, se pogosto imenujejo oligomerni. Obstajajo homomerni in heteromerni proteini. Homomerne beljakovine vključujejo beljakovine, v katerih imajo vse podenote enako strukturo, na primer encim katalaza je sestavljen iz štirih popolnoma enakih podenot. Heteromerni proteini imajo različne podenote; na primer, encim RNA polimeraza je sestavljen iz petih strukturno različnih podenot, ki opravljajo različne funkcije.

Interakcija ene podenote s specifičnim ligandom povzroči konformacijske spremembe celotnega oligomernega proteina in spremeni afiniteto drugih podenot za ligande; ta lastnost je osnova sposobnosti oligomernih proteinov za alosterično regulacijo.

Kvartarno strukturo proteina je mogoče pregledati na primeru hemoglobina. Vsebuje štiri polipeptidne verige in štiri hemske protetične skupine, v katerih so atomi železa v obliki železa Fe 2+. Proteinski del molekule - globin - je sestavljen iz dveh α-verig in dveh β-verig, ki vsebujejo do 70% α-vijačnic. Vsaka od štirih verig ima značilno terciarno strukturo in z vsako verigo je povezana ena hemoskupina. Hemi različnih verig se nahajajo relativno daleč drug od drugega in imajo različne kote naklona. Med dvema α-verigama in dvema β-verigama nastane malo neposrednih stikov, med verigama α in β pa nastanejo številni stiki tipa α 1 β 1 in α 2 β 2, ki jih tvorijo hidrofobni radikali. Med α 1 β 1 in α 2 β 2 ostane kanal.

Za razliko od mioglobina hemoglobin značilno znatno nižjo afiniteto do kisika, kar mu omogoča, da pri nizkih parcialnih tlakih kisika, ki obstajajo v tkivih, njim odda pomemben del vezanega kisika. Kisik se lažje veže na železo v hemoglobinu pri višjih vrednostih pH in nizkih koncentracijah CO 2, značilnih za pljučne alveole; sproščanju kisika iz hemoglobina dajejo prednost nižje vrednosti pH in visoke koncentracije CO 2, značilne za tkiva.

Hemoglobin poleg kisika prenaša vodikove ione, ki se vežejo na histidinske ostanke v verigah. Hemoglobin prenaša tudi ogljikov dioksid, ki se veže na končno amino skupino vsake od štirih polipeptidnih verig, kar povzroči nastanek karbaminohemoglobina:

IN rdečih krvničk v dokaj visokih koncentracijah prisotna je snov 2,3-difosfoglicerat (DPG); njena vsebnost narašča z naraščanjem nadmorske višine in hipoksijo, kar olajša sproščanje kisika iz hemoglobina v tkivih. DPG se nahaja v kanalu med α 1 β 1 in α 2 β 2 in medsebojno deluje s pozitivno kontaminiranimi skupinami β-verig. Ko hemoglobin veže kisik, se DPG iztisne iz votline. Rdeče krvne celice nekaterih ptic ne vsebujejo DPG, ampak inozitol heksafosfat, ki dodatno zmanjša afiniteto hemoglobina za kisik.

2,3-difosfoglicerat (DPG)

HbA - normalen hemoglobin pri odraslih, HbF - fetalni hemoglobin, ima večjo afiniteto za O 2, HbS - hemoglobin pri anemiji srpastih celic. Anemija srpastih celic je resna dedna bolezen, ki jo povzroča genetska nenormalnost hemoglobina. V krvi bolnih ljudi je nenavadno veliko tankih srpastih rdečih krvničk, ki, prvič, zlahka počijo, drugič pa mašijo krvne kapilare.

Na molekularni ravni je hemoglobin S drugačen iz hemoglobina A je en aminokislinski ostanek na mestu 6 β-verig, kjer je namesto ostanka glutaminske kisline valin. Tako hemoglobin S vsebuje dva manjša negativna naboja; pojav valina vodi do pojava "lepljivega" hidrofobnega stika na površini molekule, zaradi česar se med deoksigenacijo molekule deoksihemoglobina S zlepijo in tvorijo netopne, nenormalno dolge; nitastih agregatov, ki vodijo do deformacije rdečih krvničk.

Nobenega razloga ni, da bi mislili, da obstaja neodvisen genetski nadzor nad tvorbo ravni proteinske strukturne organizacije nad primarno, saj primarna struktura določa sekundarno, terciarno in kvartarno (če obstaja). Naravna konformacija proteina je termodinamsko najbolj stabilna struktura v danih pogojih.

PREDAVANJE 6

Obstajajo fizikalne, kemijske in biološke lastnosti beljakovin.

Fizikalne lastnosti beljakovin so prisotnost molekulske mase, dvolomnost (sprememba optičnih značilnosti raztopine proteina med gibanjem v primerjavi z raztopino v mirovanju), zaradi nesferične oblike proteinov, mobilnost v električnem polju, zaradi naboja molekul proteinov . Poleg tega so za beljakovine značilne optične lastnosti, ki so sestavljene iz zmožnosti vrtenja ravnine polarizacije svetlobe, razprševanja svetlobnih žarkov zaradi velike velikosti beljakovinskih delcev in absorbiranja ultravijoličnih žarkov.

Ena od značilnih fizikalnih lastnosti proteini so sposobnost adsorpcije na površini in včasih zajemanja molekul, nizkomolekularnih organskih spojin in ionov v notranjosti.

Kemične lastnosti beljakovin so različne izjemna raznolikost, saj so za beljakovine značilne vse reakcije aminokislinskih radikalov in zanje je značilna reakcija hidrolize peptidnih vezi.

Ima veliko število kislih in bazičnih skupin, proteini kažejo amfoterne lastnosti. Za razliko od prostih aminokislin kislinsko-bazične lastnosti beljakovin ne določajo α-amino in α-karboksi skupine, ki sodelujejo pri tvorbi peptidnih vezi, temveč nabiti radikali aminokislinskih ostankov. Glavne lastnosti beljakovin določajo ostanki arginina, lizina in histidina. Kisle lastnosti so posledica ostankov asparaginske in glutaminske kisline.

Krivulje titracije beljakovin zadostujejo težko razlagati, ker ima vsak protein preveč titriranih skupin, obstajajo elektrostatične interakcije med ioniziranimi skupinami proteina in na pK vsake titracijske skupine vplivajo bližnji hidrofobni ostanki in vodikove vezi. Največjo praktično uporabo ima izoelektrična točka proteina – vrednost pH, pri kateri je skupni naboj proteina enak nič. V izoelektrični točki je protein maksimalno inerten, se ne giblje v električnem polju in ima najtanjšo hidratacijsko lupino.

Beljakovine imajo lastnosti pufra, vendar je njihova zmogljivost medpomnilnika nepomembna. Izjema so beljakovine, ki vsebujejo veliko število histidinskih ostankov. Na primer, hemoglobin v eritrocitih ima zaradi zelo visoke vsebnosti ostankov histidina pomembno pufersko kapaciteto pri pH približno 7, kar je zelo pomembno za vlogo, ki jo imajo eritrociti pri transportu kisika in ogljikovega dioksida v kri.

Za beljakovine je značilna topnost v vodi in s fizikalnega vidika tvorijo prave molekularne raztopine. Za beljakovinske raztopine pa so značilne nekatere koloidne lastnosti: Tendahlov učinek (pojav sipanja svetlobe), nezmožnost prehajanja skozi polprepustne membrane, visoka viskoznost in tvorba gelov.

Topnost beljakovin je zelo odvisna na koncentracijo soli, to je na ionsko jakost raztopine. V destilirani vodi so beljakovine najpogosteje slabo topne, vendar se njihova topnost povečuje z večanjem ionske moči. Hkrati se na površino proteina veže vse več hidratiranih anorganskih ionov in s tem se zmanjša stopnja njegove agregacije. Pri visoki ionski moči ioni soli beljakovinskim molekulam odvzamejo hidratacijsko ovojnico, kar povzroči agregacijo in obarjanje beljakovin (pojav izsoljenja). Z uporabo razlik v topnosti je možno ločiti mešanico beljakovin z navadnimi solmi.

Med biološke lastnosti beljakovin vključujejo predvsem njihovo katalitično aktivnost. Druga pomembna biološka lastnost beljakovin je njihova hormonska aktivnost, to je sposobnost vplivanja na celotne skupine reakcij v telesu. Nekateri proteini imajo toksične lastnosti, patogeno aktivnost, zaščitne in receptorske funkcije ter so odgovorni za pojave celične adhezije.

Še ena edinstvena biološka lastnost beljakovin- denaturacija. Proteini v njihovem naravnem stanju se imenujejo naravni. Denaturacija je uničenje prostorske strukture beljakovin pod delovanjem denaturacijskih sredstev. Primarna struktura beljakovin se med denaturacijo ne poškoduje, izgubijo pa se njihova biološka aktivnost, pa tudi topnost, elektroforetska mobilnost in nekatere druge reakcije. Pri denaturaciji se aminokislinski radikali, ki tvorijo aktivno središče proteina, prostorsko oddaljijo drug od drugega, to pomeni, da se uniči specifično vezno središče proteina z ligandom. Hidrofobni radikali, ki se običajno nahajajo v hidrofobnem jedru globularnih proteinov, ob denaturaciji končajo na površini molekule in s tem ustvarijo pogoje za agregacijo proteinov, ki se oborijo.

Reagenti in pogoji, ki povzročajo denaturacijo beljakovin:

Temperatura nad 60 o C - uničenje šibkih vezi v beljakovini,

Kisline in alkalije - sprememba ionizacije ionogenih skupin, pretrganje ionskih in vodikovih vezi,

Urea - uničenje intramolekularnih vodikovih vezi zaradi tvorbe vodikovih vezi s sečnino,

Alkohol, fenol, kloramin - uničenje hidrofobnih in vodikovih vezi,

Soli težkih kovin - tvorba netopnih soli beljakovin z ioni težkih kovin.

Ko odstranimo sredstva za denaturacijo, je možna renativacija, saj peptidna veriga teži k temu, da sprejme konformacijo z najnižjo prosto energijo v raztopini.

V celičnih pogojih lahko beljakovine spontano denaturirajo, čeprav z manjšo hitrostjo kot pri visoki temperaturi. Spontana renativacija proteinov v celici je otežena, saj je zaradi visoke koncentracije velika verjetnost agregacije delno denaturiranih molekul.

Celice vsebujejo beljakovine- molekularni šaperoni, ki se lahko vežejo na delno denaturirane proteine, ki so v nestabilnem stanju, nagnjeni k agregaciji, in obnovijo svojo nativno konformacijo. Sprva so te proteine ​​odkrili kot proteine ​​toplotnega šoka, saj se je njihova sinteza povečala, ko je bila celica izpostavljena stresu, na primer, ko se je temperatura dvignila. Šaperoni so razvrščeni glede na maso njihovih podenot: hsp-60, hsp-70 in hsp-90. Vsak razred vključuje družino sorodnih proteinov.

Molekularni spremljevalci ( hsp-70) visoko ohranjen razred beljakovin, ki jih najdemo v vseh delih celice: citoplazmi, jedru, endoplazmatskem retikulumu, mitohondrijih. Na C-koncu posamezne polipeptidne verige ima hsp-70 regijo, ki je žleb, ki je sposoben interakcije s peptidi, dolgimi 7-9 aminokislinskih ostankov, obogatenih s hidrofobnimi radikali. Takšne regije v globularnih beljakovinah se pojavijo približno vsakih 16 aminokislin. Hsp-70 lahko zaščiti proteine ​​pred temperaturno inaktivacijo in obnovi konformacijo in aktivnost delno denaturiranih proteinov.

Spremljevalci-60 (hsp-60) sodelujejo pri tvorbi terciarne strukture beljakovin. Hsp-60 deluje kot oligomerni protein, sestavljen iz 14 podenot. Hsp-60 tvori dva obroča, vsak obroč je sestavljen iz 7 med seboj povezanih podenot.

Vsaka podenota je sestavljena iz treh domen:

Apikalna domena ima številne hidrofobne aminokislinske ostanke, obrnjene proti notranjosti votline, ki jo tvorijo podenote;

Ekvatorialna domena ima ATPazno aktivnost in je potrebna za sproščanje proteina iz šaperoninskega kompleksa;

Vmesna domena povezuje apikalno in ekvatorialno domeno.

Beljakovina, ki ima na svoji površini drobce, obogaten s hidrofobnimi aminokislinami, vstopi v votlino šaperoninskega kompleksa. V specifičnem okolju te votline, v pogojih izolacije od drugih molekul celičnega citosola, poteka selekcija možnih proteinskih konformacij, dokler se ne najde energijsko ugodnejša konformacija. Od šaperona odvisna tvorba naravne konformacije je povezana s porabo znatne količine energije, katere vir je ATP.

domov » Irina » Najpomembnejše kemijske in fizikalne lastnosti beljakovin. "Veverice