Классификация белков по строению.

Свойства белковой молекулы

1. Молекулярная масса- может значительно варьировать. Например, гормон инсулин имеет молекулярную массу около 6 тыс. Да, а иммуноглобулин М -около 1 млн. Да. Молекулярная масса белка зависит от количества аминокислотных остатков, входящих в его состав, а также массы неаминокислотных компонентов . Масса одного остатка аминокислоты в среднем составляет 110 Да. Таким образом, зная количество остатков аминокислот в белке, можно оценить его молекулярную массу (и наоборот).

2. Электрический заряд- определяется соотношением положительно и отрицательно заряженных групп на поверхности молекулы белка. Заряд белковой частицы зависит от рН среды. Для характеристики белка используют понятие «изоэлектрическая точка», то есть такое значение рН среды, при котором суммарный электрический заряд белковой частицы равен нулю. Для белков и пептидов с преобладанием положительно заряженных радикалов аминокислот значение pI находится в щелочной среде; для белков и пептидов с преобладанием отрицательно заряженных аминокислот значение pI находится в кислой среде.

3. Гидрофильность - гидрофобность- зависит от соотношения полярных и неполярных групп на поверхности молекулы белка. Чем больше гидрофильных остатков содержит пептид, тем лучше он растворяется в воде и наоборот.

4. Биологическая активность.В основе функционирования любого белка лежит его способность к избирательному взаимодействию со строго определёнными молекулами или ионами (лигандами). Например, для ферментов, катализирующих химические реакции, лигандами будут вещества, участвующие в этих реакциях (субстраты), для транспортных белков - транспортируемые вещества и т.д.

Лиганд способен взаимодействовать с определённым участком белковой молекулы - центром связывания или активным центром. Этот центр формируется пространственно сближенными радикалами аминокислот на уровне третичной и четвертичной структуры белка. Способность лиганда взаимодействовать с центром связывания обусловлена их комплементарностью, то есть взаимным соответствием их пространственной структуры (подобно взаимодействию «ключ - замок»). Между функциональными группами лиганда и центра связывания образуются нековалентные (водородные, ионные, гидрофобные) связи. Комплементарностью лиганда и центра связывания можно объяснить высокую специфичность (избирательность) взаимодействия белок - лиганд.

Важно отметить, что нарушение природной пространственной структуры белка в процессе денатурации приводит к разрушению центров связывания и утрате биологической функции белка.

Итак, различные белки отличаются друг от друга по своим физико-химическим свойствам и биологической активности. На этих различиях основаны методы разделения белковых смесей на фракции и выделения отдельных белков, которые широко используются в медицинской биохимии и биотехнологии.

Методы фракционирования белков.

Различия белков по физико-химическим свойством положены в основу методов, позволяющих фракционировать (разделять белки) и очищать их от примесей.

По молекулярной массе белки позволяют разделять такие методы как ультрацентрифугирование, диализ, гель-фильтрация, диск-электрофорез в полиакриламидном геле.

Гель-фильтрация. При этой операции раствор, содержащий смесь белков, пропускают через колонку, заполненную очень мелкими пористыми гранулами высокогидратированного полимера. Молекулы белков, имеющие сравнительно небольшие размеры, проникают через поры внутрь этих гранул и их прохождение через колонку замедляется, молекулы более крупных белков проходят через колонку значительно быстрее. С наибольшей скоростью двигаются белки с высокой молекулярной массой.

По электрическому заряду белки можно разделить при помощи таких высокоэффективных методов как, электрофорез, ионообменная хроматография, изоэлектрическое фокусирование.

При ионообменной хроматографии колонка заполняется полимером, гранулы которого имеют положительный или отрицательный заряд. Частицы катионита заряжены отрицательно и способны связывать молекулы белков с положительным зарядом разной плотности. При этом электронейтральные молекулы и молекулы с отрицательным зарядом свободно проходят через колонку. Затем белки, связанные анионитом вымывают из колонки раствором хлорида натрия возрастающей концентрации. Ионы натрия конкурируют с молекулами белка и вытесняют их из катионита. Меняя рН исследуемого раствора белка можно добиться последовательного выделения белков имеющих разные изоэлектрические точки. Аналогично работают аниониты, частицы которых заряжены положительно.

Метод обращено-фазовой хроматографии позволяет разделять белки разной полярности.

Один из наиболее точных методов выделения белков из растворов – афинная хроматография основан на сродстве белков к определенным функциональным группам или молекулам-лигандам. Лиганд закрепляют на полимере в колонке, пропускают исследуемый и белок, способный взаимодействовать с лигандом, остается на колонке, а остальные проходят насквозь. Этот метод позволяет разделять белки по их биологической активности.

Классификация белков по строению.

По своему строению белки делятся на простые и сложные.

Простые белки при гидролизе распадаются только на аминокислоты.

Сложные белки или холопротеины кроме пептидных цепей-апопротеинов содержат еще компонент неаминокислотной природы – простетическую группу. В зависимости от химиеской природы простетической группы, сложные белки делятся на 6 классов.

1. Металлопротеины содержат ионы металлов. Например, белки участвующие в транспорте и депонировании железа – трансферрин крови и ферритин (внутриклеточный белок).

2. Фосфопротеины содержат остаток фосфорной кислоты, ковалентно присоединенный к аминокислоте с гидроксильной группой (чаще всего к серину). Примером может служить казеиноген молока. Фосфорилирование внутриклеточных белков-ферментов служит механизмом регулирования их активности.

3. Гликопротеины – содержат моно- или олигосахариды. Например, иммуноглобулины крови, ряд гормонов гипофиза – тиреотропный гормон, фолликулостимулирующий гормон.

4. Нуклеопротеины – содержат в своем составе нуклеиновые кислоты. Примером рибонуклеопротеина может быть рибосома, дезоксирибонуклеопротеина – хроматин. В составе хроматина комплекс ДНК-гистоны, стабилизируется за счет ионных взаимодействий.

5. Липопротеины – надмолекулярные комплексы из белков и липидов, стабилизированные за счет нековалентных, в основном гидрофобных, взаимодействий. Частицы имеют сферическую форму и отвечают за транспорт липидов в крови.

6. Хромопротеины – содержат окрашенную простетическую группу. Желтые флавопротеины содержат производное витамина В2 – рибофлавина. Примером флавопротеинов может быть фермент сукцинатдегидрогеназа.

Гемопротеины окрашены в красный цвет и содержат тетрапиррольную циклическую структуру – гем. Гемсодержащие белки участвуют в процессах связывания и транспорта кислорода, в транспорте электронов, фотосинтезе. К гемопротеинам относятся белок эритроцитов гемоглобин, мышечный белок миоглобин, ферменты цитохромы, каталаза, пероксидаза.

Строение гема.

Гем состоит из органической части и атома железа. Органическая часть - протопорфирин образована из 4-х пиррольных колец, соединенных метиленовыми мостиками в тетрапиррольное кольцо. К нему присоединены 8 боковых цепей. В гемоглобине и миоглобине это : 4 - метильные, 2 – винильные и 2 – пропионильные. В биологических системах присутствует только один из изомеров, называемый протопорфирин IX.

В центре гема находится атом железа, присоединенный к 4-м атомам азота пиррольных колец. У железа есть еще две координационные связи, расположенные перпендикулярно к плоскости протопорфирина. По одной из них он может присоединять молекулу кислорода. Другая служит для присоединения к азоту гистидина в составе глобина. В молекулах миоглобина и Hb железо имеет постоянную валентность 2+. Под действием сильных окислителей, гемоглобин может превращаться в метгемоглобин, содержащий 3-х валентное железо. Такой гемоглобин не может переносить кислород. В цитохромах железо имеет переменную валентность.

Полное название гема 1,3,5,8-тетраметил, 2,4-дивинил, 5,6- дипропионовокислый порфин.

Миоглобин.

Миоглобин содержится в красных мышцах и участвует в запасании кислорода. В условиях кислородного голодания (например при физической нагрузке) кислород высвобождается из комплекса с миоглобином и поступает в митохондрии мышечных клеток. Миоглобина особенно много в мышцах морских млекопитающих – китов, тюленей, дельфинов.

Миоглобин состоит из единичной полипептидной цепи с молекулярной массой 17000 Да и содержит 153 аминокислотных остатка. Примерно 75% аминокислотных остатков образуют 8 альфа-спиралей, которые уложены компактную сферическую молекулу. На поверхности находятся полярные остатки, а внутри – неполярные.

Гем в молекуле миоглобина располагается в щели между двумя спиралями, которая называется гемовый карман и удерживается там за счет гидрофобного взаимодействия и координационной связи между атомом железа и азотом гистидина полипептидной цепи. Атом железа выступает над плоскостью порфирина на стороне гистидина. Участок связывания кислорода расположен по другую сторону плоскости в шестом координационном положении. При оксигинировании атом железа втягивается в плоскость гема.

Кривая насыщения миоглобина кислородом имеет вид простой гиперболы. Миоглобин обладает высоким сродством к кислороду и при парциальном давлении 20 мм р. Ст. (давление кислорода в работающей мышце) насыщен на 95%. Однако при кислородном голодании, которым сопровождается тяжелая физическая работа, давление кислорода в мышце может снижаться до 5 мм.рт.ст. и тогда миоглобинлегко отдает кислород.

Гемоглобин.

Гемоглобины – это белки находящиеся в эритроцитах позвоночных. Они выполняют две важные биологические функции: 1. переносят кислород из легких к тканям; 2. переносят углекислый газ и протоны от периферических тканей в легкие.

Строение.

В отличие от миоглобина, который имеет одну полипептидную цепь, гемоглобин обладает четвертичногй структурой и является тетрамером. В состав разных типов гемоглобина входят по две пары цепей, обозначаемых буквами греческого алфавита:

. В состав HbА взрослого человека входят 2α и 2β-цепи, минорного Hb А2 - 2 α 2 δ, в состав фетального HbF, гемоглобина плода и новорожденных 2 α и 2γ. Длина цепей примерно одинакова. Α-цепь – 141 аминокислотный остаток, β и γ-цепи– 146. β ,γ и δ цепи имеют очень схожую первичную структуру, но кодируются различными генами. Такое явление существования нескольких разных генетических копий одного белка называется полиморфизмом. Существование полиморфных форм позволяет более точно адаптировать функции белка к условиям изменяющимся в процессе онтогенеза.

Первичная структура α и β цепей различна, но они имеют почти идентичную вторичную и третичную структуру, очень похожую на структуру миоглобина. С каждой цепью связана одна гемогруппа, погруженная в гемовый карман и соединенная с полипептидной цепью координационной связью между атомом железа и азотом гистидина. Субъединицы плотно соединены попарно в димеры α β за счет гидрофобных взаимодействий. Димерами соединяются 8-ю солевыми мостикаками, но между ними остается канал, проходящий через всю молекулу Hb. Четыре полипептидные цепи уложены относительно друг друга приблизительно в виде тетраэдра, в результате чего возникает характерная четвертичная структура Hb.

Четвертичная структура наделяет Hb, по сравнению с миоглобином, дополнительными важными особенностями, которые способствуют выполнению им уникальной биологической функции и обеспечивают регуляцию его свойств. В отличие от миоглобина, гемоглобин обладает аллостерическими свойствами.

Аллостерические свойства гемоглобина.

Hb связывает 4 молекулы кислорода, по одной на гем каждой субъединицы. При присоединении молекулы кислорода к гему, происходит втягивание в плоскость гема атома железа, который, в свою очередь, тянет за собой полипептидную цепь, с которой соединен координационной связью через гистидин. Субъединица, присоединившая кислород претерпевает конформационные изменения, но так как она соединена связями с другими протомерами, то изменяется и их конформация. Это явление называется кооперативный эффект. Связывание кислорода сопровождается разрывом части мостиков между протомерами и это облегчает связывание последующих молекул кислорода, так как требует разрыва меньшего количества связей. Поэтому каждая последующая молекула кислорода присоединяется легче, чем предыдущая. Кооперативный эффект имеет и обратное действие – отщепление кислорода от одного гема, облегчает его отщепление от остальных.

Для Hb характерна сигмоидная кривая насыщения кислородом, которая показывает, что способность Hb присоединять кислород зависит от присутствия в нем других молекул кислорода.

Сродство Hb к О характеризуется величиной Р - значением Ро, при котором наблюдается полунасыщение гемоглобина кислородом. Для HbА Р = 26 мм.рт.ст., а для HbF – 20. Благодаря этой разнице фетальный гемоглобин плода отбирает кислород у HbА, находящегося в плацентарной крови. Однако после рождения HbF утрачивает свою функцию.

Регуляция сродства гемоглобина к кислороду.

В процессе присоединения кислорода к Hb существенно изменяется его четвертичная структура. Димеры αβ поворачиваются относительно друг друга на 15, с разрывом солевых мостиков между ними, что приводит к образованию более компактной структуры. Конформации Hb с низкой и высокой степенью насыщения кислородом принято обозначать как T и R-конформации.

Т – конформация «жесткая» (taut) с низким сродством к кислороду, R –конформация (relaxed) расслабленная – полностью оксигенирована. Переход из одной конформации в другую происходит под воздействием внешних факторов.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: