Osvita.ua Вища освіта Реферати Біологія Білки і пептиди: поняття та структура. Реферат
Провідні компанії та навчальні заклади Пропозиції здобуття освіти від провідних навчальних закладів України та закордону. Тільки найкращі вищі навчальні заклади, компанії, освітні курси, школи, агенції. З питань розміщення інформації звертайтесь за телефоном (044) 200-28-38.

Білки і пептиди: поняття та структура. Реферат

Білки - це високомолекулярні біоорганічні сполуки, молекули яких побудовані із залишків амінокислот, кількісно перевищують усі інші органічні речовини, що є в складі живих організмів, і становлять понад половину їх сухої маси. Це сполуки, за допомогою яких генетична інформація дістає своє реальне втілення в побудові організму та всіх його властивостях

Білки і пептиди: поняття та структура. Реферат

Білки - це високомолекулярні біоорганічні сполуки, молекули яких побудовані із залишків амінокислот, кількісно перевищують усі інші органічні речовини, що є в складі живих організмів, і становлять понад половину їх сухої маси. Це сполуки, за допомогою яких генетична інформація дістає своє реальне втілення в побудові організму та всіх його властивостях

Якщо нуклеїнові кислоти є носіями генетичної інформації, то білки - носії фенотипової інформації, загальним втіленням якої є організм:

ДНК → РНК → Білок → Клітина → Організм.

Як відомо, ДНК хроматину клітинного ядра містить кілька тисяч генів, кожний з яких визначає певну ознаку організму. Ця ознака забезпечується структурною і функціональною системами, що реалізуються в процесі синтезу різноманітних білків, які і визначають біохімічну індивідуальність організму:

  • певну структуру тканин визначають структурні білки - колаген, еластин, кератин;
  • здатність до механічної роботи - скоротливі білки актин, міозин;
  • каталіз багатьох хімічних реакцій забезпечують ферменти;
  • транспорт кров'ю О2, СО2 та поживних речовин - транспортні білки: гемоглобін, альбуміни та ін.;
  • регуляцію обміну речовин і функцій організму - регуляторні білки: гормони типу інсуліну, глюкагону тощо;
  • захист від кровотечі - білки системи зсідання;
  • від інфекційних та вірусних хвороб - імуноглобуліни.

Білки всіх організмів побудовані з одного й того самого набору 20 амінокислот. Разом з тим, у складі різних видів організмів налічується десятки тисяч різних білків, кожний з яких має певну структурну й функціональну організацію та біологічні властивості. Амінокислоти - це абетка білкової молекули, і як з певної кількості літер можна створити безліч слів, так і з амінокислот у природі побудована велика кількість різноманітних білків. Кожна білкова молекула має певну будову, яка визначається послідовністю розташування амінокислот у поліпептидних ланцюгах, характерним розміщенням цих ланцюгів у просторі, здатністю створювати молекулярні структури у вигляді глобул або фібрил.

Вперше успішне вивчення будови білкових речовин було здійснено видатним вітчизняним ученим О. Я. Данилевським наприкінці XIX ст. Він звернув увагу на те, що речовини білків та продуктів їх часткового гідролізу дають позитивну біуретову реакцію - синьо-фіолетове забарвлення при змішуванні з лужним розчином сульфату міді. Таку саму реакцію давали розчини біурету (NH2 — CO — NH — CO — NH2). Нa основі цих спостережень О. Я. Данилевський дійшов висновку, що й у молекулах білків амінокислоти сполучені між собою кето-імідними групами - CO — NH, які є в біуреті і які він назвав пептидними.

Рівні структурної організації білкових молекул. Вивчення структури білків - це шлях до розуміння механізму їх важливих біологічних функцій в організмі. Зокрема, знання структури ферментів і особливо їх активних центрів дає змогу розкрити механізми здійснення ферментативного каталізу. Вивчення структури скоротливих білків - актину і міозину, які входять до складу м'язів, сприяє вивченню механізмів їх скорочення. Вивчення структури гормонів білкової природи - інсуліну, глюкагону та інших - необхідне не тільки для вивчення механізмів регуляції обміну речовин, а й для опанування засобів синтезу цих гормонів з метою отримання лікарських гормональних препаратів.

Просторова структура білкової молекули, властива будь-яким нативним білкам, має назву конформації білка. Будова білків надзвичайно складна, що пояснюється великою кількістю амінокислот у білкових молекулах, значною їх молекулярною масою (від 5000 до кількох мільйонів і вище), утворенням різноманітних хімічних та фізико-хімічних зв'язків між різними атомними групами.

Для зручності вивчення будови молекул білка, їх розташування в просторі визначають різні рівні структури білкової молекули:

  • первинну,
  • вторинну,
  • третинну,
  • четвертинну.

Первинна структура - це певна послідовність амінокислот у молекулах білків та пептидів, сполучених між собою ковалентними пептидними зв'язками. Первинна структура стабілізується також дисульфідними зв'язками, якщо вони є в білковій молекулі.

Вивчення первинної структури білка складається з кількох етапів. Спочатку визначають амінокислотний склад білка. Для цього здійснюють повний гідроліз білка в запаяних під вакуумом ампулах під дією 6 М розчину НСІ (кислотний гідроліз) або 2-4 М розчину NaOH (лужний гідроліз) при 110 °С протягом 24 год. Добуту суміш амінокислот аналізують за допомогою іонообмінної хроматографії. Для визначення послідовності амінокислот у поліпептидному ланцюгу білок обробляють протеолітичними ферментами (трипсином, хімотрипсином, амінопептидазою, карбоксипептидазою тощо), які гідролізують пептидні зв'язки між певними амінокислотами.

Потім суміш пептидів - продуктів часткового гідролізу - аналізують і визначають амінокислотний склад кожного пептиду, а також послідовність і взаєморозташування пептидів у молекулі білка. При цьому враховують специфічність дії протеолітичних ферментів на поліпептидний ланцюг, беручи до уваги, що трипсин гідролізує пептидні зв'язки, утворені лізином і аргініном, хімотрипсин діє на пептидні зв'язки, утворені ароматичними амінокислотами фенілаланіном, тирозином, триптофаном тощо.

Для вивчення послідовності амінокислотних залишків у молекулах білків Ф. Сенгер розробив стандартний метод визначення N-кінцевих амінокислот. Принципова основа цього методу полягає в тому, що до аміногрупи приєднують хімічну "мітку", яка не відщеплюється під час гідролізу білка. Якщо з гідролізату виділити таку мічену амінокислоту, можна визначити, який амінокислотний залишок розташований на N-кінці поліпептидного ланцюга білка.

Для "мітки" амінокислотних залишків Ф. Сенгер використовував динітрофторбензол (ДНФ). При обробці цим реактивом білка утворюється динітрофеніл-білок (ДНФ-білок):

У подальшому ДНФ-білок гідролізується з утворенням залишку молекули білка і ДНФ-амінокислоти:

ДНФ-амінокислоту виділяють із суміші продуктів гідролізу та ідентифікують за допомогою хроматографії. Залишок молекули білка реагує з новими порціями ДНФ, усі наведені вище реакції повторюються і завершуються ідентифікацією другої амінокислоти. Реакції продовжуються доти, доки вся молекула білка не розпадеться на окремі ДНФ-похідні амінокислот.

Внаслідок тривалої роботи Ф. Сенгер у 1958 р. повністю встановив первинну структуру гормону інсуліну. Виявилось, що інсулін має два поліпептидних ланцюги - А і В, сполучені двома дисульфідними містками. Ланцюг А має 21 залишок, ланцюг В - ЗО залишків амінокислот. Крім того, в ланцюгу А є дисульфідний зв'язок між залишками молекул цистеїну. Цікаво, що існує видова специфічність будови інсуліну, яка виявляється в амінокислотному складі поліпептидного ланцюга А.

Якщо інсулін людини має у 8-, 9- і 10-му положеннях цього ланцюга амінокислотну послідовність залишків амінокислот - Тре — Сер — Іле -, то інсулін бика - Ала — Сер — Вал -, барана - Ала — Глі — Вал -, коня - Тре — Глі — Іле -. Інсулін свині має амінокислотну послідовність ланцюга А таку саму, як і у людини, але в 30-му положенні ланцюга В він містить аланін замість треоніну. Відмінність первинної структури препаратів інсуліну, отриманих з підшлункових залоз різних тварин, пояснює неоднакову ефективність цих препаратів під час лікування цукрового діабету.

Для відщеплення та ідентифікації N-кінцевої амінокислоти значного поширення набув також метод, запропонований П. Едманом, що ґрунтується на застосуванні фенілізотіоціанату. Досліджуваний пептид обробляють фенілізотіоціанатом, який взаємодіє з вільною а-аміногрупою N-кінцевої амінокислоти. У кислому середовищі відбувається розрив пептидного зв'язку, утвореного N-кінцевою амінокислотою з рештою пептиду. Внаслідок цієї реакції вивільняється фенілтіогідантоїнова похідна N-кінцевої амінокислоти, а досліджуваний пептид вкорочується на один мономер:

Отже, метод П. Едмана дає змогу послідовно вкорочувати пептиди на один амінокислотний залишок без пошкодження решти поліпептидного ланцюга. Фенілтіогідантоїнову похідну N-кінцевої амінокислоти можна ідентифікувати хроматографічним методом, а послідовність операцій - повторити. Метод дає змогу визначати первинну структуру пептидів та білків (після їх часткового гідролізу трипсином) шляхом послідовного відщеплення N-кінцевих амінокислот. Автоматизація цього методу реалізується в спеціальному приладі - "секвенаторі" (англ. "sequence" - послідовність), що дає змогу досить швидко аналізувати пептидні ланцюги.

Сучасним методом, що дає можливість мітити та ідентифікувати N-кінцеві амінокислотні залишки в пептидах та білках, є також застосування дансилхлориду:

Дансилхлорид здатен реагувати з N-кінцевою амінокислотою, утворюючи дансильну похідну ("дансилування пептидів"). Після гідролітичного розщеплення всіх пептидних зв'язків у досліджуваному пептиді дансилована амінокислота може бути виділена та ідентифікована завдяки її специфічній флуоресценції.

Для ідентифікації С-кінцевих амінокислот у білках та пептидах застосовують гідразиноліз за Акаборі. Згідно з цим методом, досліджуваний полі-пептид обробляють гідразином NH2 - NH2, що веде до розщеплення пептидних зв'язків і утворення гідразидів усіх амінокислот крім С-кінцевої. С-Кінцева амінокислота лишається у вільному стані і може бути виділена з реакційної суміші та ідентифікована.

Використання вищенаведених методів у поєднанні з різними способами розділення пептидів і амінокислот дало змогу встановити первинну структуру багатьох пептидів та білків, зокрема інсуліну (51 амінокислота), міоглобіну (153 амінокислоти), гемоглобіну (574 амінокислоти), рибонуклеази (124 амінокислоти), аспартат-трансамінази (412 амінокислот) тощо.

Первинна структура біологічно важливих пептидів. Пептидами є різноманітні фізіологічно активні сполуки, що містяться в біологічних рідинах та клітинах певних організмів, зокрема трипептид глутатіон, деякі гормони та медіатори нервової системи (окситоцин, вазопресин, нейро-пептиди тощо), регулятори імунокомпетентних клітин (інтерлейкіни, тимопоетини).

До пептидів належать також деякі природні токсини, що мають отруйну дію або використовуються як високоефективні лікарські засоби та інструменти фармакологічного аналізу (токсини бджіл, отруйних рослин та комах, нейротоксини з організму рептилій тощо).

Глутатіон - трипептид, що зустрічається в усіх живих клітинах, плазмі крові, еритроцитах і бере участь в окисно-відновних реакціях.

Утворення глутатіону:

Окситоцин і вазопресин - циклічні пептиди з дев'яти амінокислотних залишків (нона-пептиди), що належать до гормонів задньої частки гіпофіза (нейрон-гіпофіза).

Енкефаліни (Мет-енкефалін та Лей-енкефалін) - представники так званих опіоїдних пептидів, тобто сполук, що впливають на морфінні (опіатні) рецептори головного мозку. Ці біологічно активні сполуки пригнічують відчуття болю, викликають стан психічного задоволення, ейфорію:

Тир — Глі — Глі — Фен — Мет;

Мет-енкефалін

Тир — Глі — Глі — Фен — Лей.

Лей-енкефалін

Тафцин і тимулін — пептиди, що регулюють функцію імунної системи, зокрема Т-лімфоцитів:

Тре — Ліз — Про — Apr;

Тафцин

Глу — Ала — Ліз — Сер — Глн — Глі — Глі — Сер — Асн.

Тимулін

Вивчення первинної структури білків та пептидів дає можливість з'ясовувати причину спадкових захворювань, що виникають внаслідок генних мутацій і синтезу в організмі аномальних білкових молекул. Наприклад, вивчення первинної структури гемоглобіну людей, хворих на серпоподібно-клітинну анемію, встановило, що при цьому захворюванні гемоглобін еритроцитів відрізняється від нормального лише тим, що в Б-поліпептидному ланцюгу залишок глутамінової кислоти замінений на залишок валіну. Така заміна призводить до втрати біологічних властивостей гемоглобіну.

Вивчення гемоглобінопатій - захворювань, які супроводжуються порушенням функцій гемоглобіну - транспортного білка крові, що переносить О2 і СО2, сприяло відкриттю майже 100 патологічних форм гемоглобіну. Кожна з цих форм характеризується заміною одного залишку амінокислоти в А- або S-поліпептидному ланцюгу цього білка.

Вторинна структура білку - це просторова конфігурація поліпептидного ланцюга переважно у вигляді а-спіралі, складчастої Р-структури або інших утворів.

На основі рентгеноструктурних досліджень поліпептидів і білків Л. Полінг і Р. Корі встановили, що в складі природних глобулярних білків поліпептидні ланцюги можуть утворювати а-спіраль, в якій на один виток припадає 3,6 залишку амінокислоти. Крок спіралі - відстань між витками - дорівнює 0,54 нм, кут підйому витка - 26°, висота одного залишку амінокислоти становить 0,15 нм. Радикали залишків амінокислот знаходяться на поверхні спіралі. Вирішальну роль у стабілізації а-спіралі відіграють водневі зв'язки. На утворення а-спіралі впливає також розташування бічних радикалів залишків амінокислот.

Рис.1 Схема β-структури поліпептидних ланцюгів молекули білка.

Утворенню спіралі сприяють такі амінокислоти, як аланін, валін, лейцин, метіонін, фенілаланін, тирозин, триптофан, гістидин, особливо коли вони розміщені підряд у поліпептидному ланцюгу. Навпаки, лізин, аргінін, серин, треонін, аспарагінова і глутамінова кислоти впливають дестабілізуюче на а-спіраль. Зокрема, поліпептиди, до складу яких входить лізин, не утворюють а-спіраль при рН = 7, оскільки радикали цієї амінокислоти в нейтральному середовищі мають позитивний заряд, що не дає їм змоги зближуватись. При цьому сила взаємного відштовхування перевищує сили водневих зв'язків, необхідних для утворення а-спіралі.

Ступінь спіралізації поліпептидних ланцюгів білка залежить від його первинної структури. Так, молекули гемоглобіну і міоглобіну спіралізовані на 75%, альбуміну сироватки крові - на 50%, пепсину - на 28%, а хімотрипсину - лише на 14%. Неспіралізовані ділянки поліпептидного ланцюга утворені р-структурами або невпорядкованими, аморфними переходами.

Крім а-спіралі поліпептидний ланцюг може формувати іншу впорядковану конформацію, яка дістала назву р-структури, або складчастого шару. р-структура утворюється поліпептидними ланцюгами, які розміщені паралельно і сполучаються між собою за рахунок водневих зв'язків між поліпептидними групами, розміщеними поруч.

β-Структура найбільш поширена в білках опорних тканин - колагені (білок сполучної тканини, сухожилля, шкіри), фіброїні (білок шовку), кератині (білок волосся). У багатьох білках одночасно зустрічаються ділянки а-спіралі і р-структури. Наприклад, фермент рибонуклеаза містить у своєму складі 26% β - спіралізованих ділянок і 35% - β -структури, лізоцим - відповідно 40 і 12%, хімотрипсин - 14 і 45%.

Отже, вторинна структура кожної білкової молекули характеризується певним співвідношенням укладання поліпептидних ланцюгів у просторі у вигляді а-спіралей, β-структур та аморфних ділянок.

Третинна структура - це розташування у просторі спіралізованих поліпептидних ланцюгів з утворенням глобулярних або фібрилярних білкових молекул.

Основною діючою силою в утворенні третинної структури є взаємодія радикалів амінокислот з молекулами води. При цьому неполярні гідрофобні радикали амінокислот неначе занурюються в глибину білкової молекули, утворюючи там "сухі" зони, тоді як гідрофільні полярні радикали розміщуються на поверхні молекули. Внаслідок цих процесів утворюється конформація, яка є термодинамічно найбільш вигідною для всієї молекули в цілому. Третинну структуру стабілізують водневі та іонні зв'язки. На формування третинної структури значний вплив мають температура, рН та іонна сила розчину.

Застосування для вивчення будови білків рентгеноструктурного аналізу та інших фізичних методів дослідження дало змогу встановити третинну структуру близько 300 різних білків, у тому числі міоглобіну, гемоглобіну, пепсину, трипсину, хімотрипсину, лізоциму, фрагментів імуноглобулінів людини тощо.

Четвертинна структура білка - це просторове розміщення кількох білкових поліпептидних ланцюгів, кожний з яких має певні первинну, вторинну і третинну структури. Окремі білкові молекули, що входять до складу четвертинної структури, називаються протомерами, або субодиницями, а білки, побудовані з них, - олігомерами, або мультимерами. Такі олігомерні білки мають звичайно парну кількість протомерів (2, 4, 6, 8, 10, дуже рідко понад 12) з молекулярними масами від кількох тисяч до 100 000. Важливо підкреслити, що окремі протомери найчастіше функціонально не активні, тобто не виявляють властивостей відповідних ферментів, гормонів тощо. Функціональна і біологічна активність з'являється лише при утворенні олігомерного білка після формування четвертинної структури.

Прикладом білка з четвертинною структурою є, наприклад, молекула гемоглобіну, яка має молекулярну масу 64500, складається з 574 амінокислотних залишків і є тетрамером, побудованим з двох а-поліпептидних ланцюгів (кожен має по 141 залишку амінокислот) і двох β-поліпептидних ланцюгів (по 146 залишків амінокислот). Кожний з ланцюгів оточує гем, що розташований у центрі молекули, містить у своєму складі один двовалентний іон заліза і може приєднувати молекулу О2.

Зв'язки між протомерами здійснюються за рахунок нековалентних зв'язків - водневих, гідрофільних, іонних, тому за певних умов можливе розділення олігомеру на протомери. Зокрема, молекула гемоглобіну при наявності деяких солей, сечовини або при зміні рН дисоціює на два а- і два β-ланцюги за рахунок розриву водневих зв'язків. Ця дисоціація оборотна - після видалення сечовини або солей з розчину відбувається спонтанна асоціація молекули гемоглобіну.

Прикладом олігомерної молекули є також вірус тютюнової мозаїки (ВТМ), що складається з однієї молекули РНК і 2130 білкових субодиниць, кожна з яких має молекулярну масу 17500. Білкові протомери приєднуються до РНК, що утворює спіральну структуру з 130 витків.

Багато ферментів мають четвертинну структуру, яка забезпечує не тільки їх каталітичну властивість, а й здатність змінювати ферментативну активність залежно від певних регуляторних факторів. Зокрема, молекула ферменту лактатдегідрогенази, що каталізує оборотне перетворення піровиноградної кислоти на молочну, складається з чотирьох протомерів, які містять два типи поліпептидних ланцюгів: Н - серцевий тип (від англ. heart - серце) і М - м'язовий тип (від англ. muscle - м'яз). Завдяки різним сполученням субодиниць можливе існування п'яти форм ферменту. НННН, НННМ, ННММ, НМММ, ММММ. Такі різні форми одного ферменту мають назву ізоферментів. Роз'єднання протомерів супроводжується втратою активності ферменту. Молекула ферменту фосфорилази а, який каталізує розщеплення (фосфороліз) глікогену в печінці, також має четвертинну структуру і є тетрамером.

Четвертинна структура імуноглобулінів складається з легких (L) і важких (Н) поліпептидних ланцюгів, сполучених між собою нековалентними і дисульфідними зв'язками.

До фібрилярних білків, що мають четвертинну структуру, належить білок міозин, функція якого пов'язана із скороченням м'язів. Молекулярна маса його становить близько 500 000. Молекула міозину має витягнуту форму, довжину 150 нм і товщину 2 нм. Діаметр головки молекули становить 16 нм. Субодиницями міозину є два важких поліпептидних ланцюги з молекулярною масою близько 210 000 і кілька легких ланцюгів з молекулярною масою близько 20 000. Кінець кожного важкого ланцюга утворює "головку", до складу якої входять легкі ланцюги.

Існування олігомерних білків сприяє економії генетичної інформації в організмі. Відомо, що структура кожного білка кодується одним геном. Для забезпечення синтезу чотирьох поліпептидних ланцюгів гемоглобіну потрібно два гени, один з яких кодує утворення а-ланцюгів, другий - р-ланцюгів. Якщо всі чотири ланцюги були б різні, потрібно було б чотири гени. Ще яскравішим прикладом цього принципу є фермент глутаматдегідрогеназа, молекула якого має вісім однакових субодиниць, що кодуються одним геном.

Хімічний синтез пептидів та білків. У зв'язку з широким застосуванням білково-пептидних препаратів у медицині, сільському господарстві, харчовій промисловості проблема штучного синтезу пептидів та білків має велике наукове та практичне значення. Вперше пептидний синтез був здійснений видатним німецьким хіміком Е. Фішером, який в 1901 р. отримав гліцилгліцин, а в 1903 р. запропонував хлор-ангідридний спосіб утворення пептидів.

Усі методи хімічного синтезу пептидів та білків, що існують у наш час, ґрунтуються на послідовному здійсненні таких трьох стадій (Ю. А. Овчинников, 1987):

  • а) блокуванні (захисті) функціональних груп амінокислоти або пептиду, що не беруть участі в реакції утворення пептидного зв'язку;
  • б) конденсації активованої карбоксильної групи одного реакційного компонента з аміногрупою іншого компонента;
  • в) видаленні захисних груп для отримання вільного пептиду (кінцевого продукту) або продовження синтезу.

Активацію карбоксильної групи в амінокислотах та пептидах здійснюють за рахунок утворення хлорангідридів, азидів, арильних ефірів, змішаних ангідридів при взаємодії карбоксилу з похідними вугільної кислоти, етилхлорформіатом.

Важливим внеском у проблему штучного синтезу пептидів та білків став запропонований Р. Мерифілдом метод твердо-фазного синтезу. Головна ідея цього методу полягає в закріпленні поліпептидного ланцюга, що утворюється, на полімерному нерозчинному носії, поверхня якого містить хлорметильні "якірні" групи. За допомогою розробленого методу Р. Мерифілд здійснив синтез пептидів брадикініну, ангіотензину та перший штучний синтез ферментного білка - рибонуклеази.

В методі рідко-фазового синтезу пептидів (за М. М. Шемякіним, 1965) як носій, на поверхні якого відбувається синтез, застосовують розчинний полістирол, що дає змогу збільшити швидкість реакцій синтезу.


18.12.2011

Провідні компанії та навчальні заклади Пропозиції здобуття освіти від провідних навчальних закладів України та закордону. Тільки найкращі вищі навчальні заклади, компанії, освітні курси, школи, агенції.

Щоб отримувати всі публікації
від сайту «Osvita.ua»
у Facebook — натисніть «Подобається»

Osvita.ua

Дякую,
не показуйте мені це!