Что определяет специфическую активность белка

Интегрированный урок (биология + химия) в 10-м классе с использованием ИКТ по теме «Белки — биологические полимеры»

Тип урока: интегрированный

Краткое описание хода урока (урок рассчитан на 90 минут)

Необходимое оборудование и материалы: мультимедийный проектор, пробирка, держатель, спиртовка, спички, пипетка; раствор белка, раствор азотной кислоты (конц.),медный купорос, фенол, гидроксид натрия, гидроксид меди, вода, куриный белок

Подробный конспект урока

Меняя каждый миг
Свой образ прихотливый,
Капризна, как дитя, и призрачна как дым,
Кипит повсюду жизнь в тревоге суетливой,
Великое смешав с ничтожным и смешным…
С.Я. Надсон.

Чему посвящены строки из стихотворения Надсона? Что такое жизнь? Откуда она взялась на земле? Этим вопросом задавались многие века и многие ученые. Среди них путешественник и естествоиспытатель Александр Гумбольт, Фридрих Энгельс, которые определили «жизнь, как … способ существования белковых тел…»

Изучению белков мы уделяем особое внимание, потому что именно белки являются главной составной частью всего живого на Земле. Ни одно из веществ не выполняет столько специфических и разнообразных функций в организме, как белок. (слайд 1, Приложение 1)

В белках получает свое реальное воплощение генетическая информация. В клеточном ядре содержатся многие тысячи генов, каждый из которых определяет один признак организма. Поэтому в клетке присутствуют тысячи различных белков, каждый из которых выполняет специфическую функцию, определяемую соответствующим геном.

Каждый тип белка имеет уникальный химический состав и структуру, которыми определяются его биологические свойства. Вследствие этого белки являются предметом как биологических, так и химических наук, таких как биохимия, биофизика, молекулярная биология или биоорганическая химия. Сегодняшний рассказ о белках будет основан на достижениях всех этих наук.

Ход и содержание урока

Строение и состав белков

1) по составу, 2) по структуре, 3) по функциям

Химические формулы некоторых белков: (слайд 4)

Казеин С1864Н3021О576N468 S2

Гемоглобин С3032Н4816 О872N780S8Fе4

Молекулярные массы некоторых белковых и небелковых соединений:

Белок куриного яйца примерно 36000

Белок вируса табачной мозаики примерно 40 000 000

Эти таблицы демонстрируют необычайную сложность белков по строению с веществами небелковой природы.

Белки – это сложные биополимеры, субмолекулярными блоками которых, или мономерами, являются химические производные аминокислот, называемые аминокислотными остатками. В образовании белков участвует 20 аминокислотных остатков

Рассмотрим общее строение и состав аминокислот, необходимых для построения белков.

Молекула любой аминокислоты содержит аминогруппу – 2 и карбоксильную группу – СООН, связанные с группой ЮСН, к которой присоединены также различные боковые радикалы, обозначаемые – R. Все эти группы соединены ковалентными связями.

Таким образом, аминокислоты, включаемые в белковую структуру, имеют следующую общую формулу: (слайд 5)

Заметим, что известно несколько сотен аминокислот, но обычно только 20 из них используются организмом для биосинтеза белка

Учитель химии (слайд 6)

Пептидной связью называют амидную связь –CO–NH–, образованную при взаимодействии a-аминокислот за счет реакции между аминогруппой NH2 одной молекулы и карбоксильной группы – другой.

Схема образования полипептида (слайд 8)

Структурная классификация белков

Учитель биологии (слайд 9)

Макромолекулы белков имеют строго упорядоченное химическое и пространственное строение, исключительно важное для проявления ими определенных биологических свойств.

Выделяют 4 уровня структурной организации белков:

Первичная структура, вторичная структура, третичная структура, четвертичная структура a-аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Пептидные связи обеспечивают определенную жесткость и Первичная структура – определенный набор и последовательность, стабильность структуры. Однако вытянутые полипептидные цепи в природе не встречаются – они образуют структуру более высокого порядка за счет образования внутримолекулярных связей. Расшифровка первичной структуры белков началась в 1953 г., когда была установлена структура короткого пептида – окситоцина, содержащего всего 8 аминокислотных остатков. В 1955г. Был расшифрован более крупный пептид инсулин, состоящий из двух пептидных цепей, образованных 51 аминокислотным остатком. (слайд 10)

Вторичная структура – В 1951 г. американские ученые Лайнус Полинг и Роберт Кори показали, что при образовании водородных связей между аминокислотными остатками, отстоящими в первичной структуре друг от друга на определенное расстояние, нитчатая молекула белка приобретает формулу так называемой спирали. Этот тип спирали имеет вид винтовой лестницы, с регулярными витками, в которой каждый первый и четвертый аминокислотные остатки соединены водородными связями. (слайд 11)

Существуют белки, молекулы которых могут объединяться и в более крупные структуры. В этом случае отдельные части молекулы белка, называемые субъединицами, или олигомерами, соединяются с другими субъединицами посредством сравнительно слабых связей, образуя макромолекулярный комплекс. Расположение полипептидных цепей субъединиц друг относительно друга, т.е.способ их совместной пространственной упаковки, представляет собой четвертичную структуру белка. Эта структура белковой молекулы определяет специфическую биологическую активность белка.

Агрегаты нескольких белковых макромолекул (белковые комплексы), образованные за счет взаимодействия разных полипептидных цепей. (слайд 13)

Ребята, теперь приведем в систему полученные вами знания: (слайд 14)

Свойства белков (слайд 15)

Учитель химии: Ребята, сейчас мы проведем мини- исследование, в результате которого вы узнаете о свойствах белков.

Растворимость (Раствор куриного белка)

При гидролизе белков образуются аминокислоты.

При нагревании белков происходит разрушение сначала четвертичной, потом третичной структуры белка и так далее. При прекращении нагревания молекулы белка снова объединяются в сложные структуры. Следовательно, полностью разрушить белок можно только при очень высоком нагревании, при котором разрушается первичная структура – полипептидная цепь. При нагревании белков происходит разрушение сначала четвертичной, потом третичной структуры белка и так далее. При прекращении нагревания молекулы белка снова объединяются в сложные структуры. Следовательно, полностью разрушить белок можно только при очень высоком нагревании, при котором разрушается первичная структура – полипептидная цепь.

Для белков характерно сворачивание и образование жёлтого осадка при действии азотной кислоты (ксантопротеиновая реакция) и образование фиолетового окрашивания при взаимодействии белка с гидроксидом меди (II) (биуретовая реакция)

Опыт 1. Биуретовая реакция – распознавание в молекуле белка пептидных групп

Реактивы. 2мл раствора сульфата меди (II).

1. К раствору белка добавит столько же по объему раствора гидроксида натрия.

2. К смеси прилить 2-3 капли раствора сульфата меди ( II)

3. Пробирку встряхнуть, и наблюдать изменение цвета. (Появляется красно-фиолетовая )

Опыт 2. Ксантопротеиновая реакция – нитрование бензольных ядер, находящихся в составе радикалов молекул белка

Оборудование и реактивы. Пробирка, держатель, спиртовка, спички, пипетка; 2 мл раствора белка, 0,5 мл раствора азотной кислоты (конц.)

1.Прилить в пробирук 2мл раствора белка.

2. Добавить по каплям 0,5 мл раствора азотной кислоты (конц.)

4.Наблюдать изменение цвета. (Белок окрашивается в желтый цвет.)

Функции белков в природе: (слайд 16)

Белки входят в состав всех клеточных мембран и органоидов клетки, а также внеклеточных структур. Кератин белок выполняющий структурную функцию. Из этого белка состоят волосы, шерсть, рога, копыта, верхний отмерший слой кожи. В более глубоких слоях кожи расположены прокладки из белков коллагена и эластина. Именно эти белки обеспечивают прочность и упругость кожи.

Следующая функция, энергетическая. Белки можно расщепить, окислить и получить энергию, необходимую для жизни.

Двигательная. Особые сократительные белки участвуют во всех видах движения клетки и организма: образовании псевдоподий, мерцаний ресничек и биении жгутиков у простейших, сокращении мышц у многоклеточных животных, обеспечивают мышечные белки актин и миозин.

Транспортная. В крови, в наружных клеточных мембранах, в цитоплазме и ядрах клеток есть различные транспортные белки. В крови имеются белки – транспортеры, которые узнают и связывают определенные гормоны и несут их к клеткам – мишеням. Транспортные белки, например гемоглобин и гемоцианин, переносящие кислород, и миоглобин, удерживающий кислород в мышцах.

Запасающая. Благодаря белкам в организме могут откладываться в запас некоторые вещества. Яичный альбумин служит водозапасающим белком в яичном «белке», казеин молока является источником энергии, а белок ферритин удерживает железо в яичном желтке, селезенке и печени.

Защитная. В ответ на проникновение в организм чужеродных белков или микроорганизмов, обладающих антигенными свойствами, лимфоциты крови образуют особые белки – антитела, способные связывать и обезвреживать их. В слюне и слезах содержится белок лизоцим – фермент, разрушающий клеточные стенки бактерий. Фибрин и тромбин способствуют остановке кровотечений.

Каталитическая. Белки являются биологическими катализаторами. Например, пепсин, трипсин и др.

Значение белков и ферментов

Ферменты – белки, обладающие каталитической активностью, т.е. ускоряющие протекание реакций. Все ферменты высокоспецифичные к своему субстрату и, как правило, катализируют только одну вполне определенную реакцию. Н а работу ферментов влияют многочисленные факторы: рН, температура, ионный состав среды и.т.д.

Широко известны заболевания, вызываемые ферментной недостаточностью. Пример: неперевариваемость молока (нет фермента лактазы); гиповитаминозы (витаминная недостаточность) Определение активности ферментов в биологических жидкостях имеет большое значение для диагностики заболевания. Например, по активности ферментов в плазме крови определяют вирусный гепатит.

Ферменты используют как реактивы при диагностике некоторых заболеваний.

Ферменты используют для лечения некоторых болезней. Примеры некоторых препаратов ферментной природы: панкреатин, фестал, лидаза.

Ферменты используются в промышленности.

В пищевой промышленности ферменты используют при приготовлении безалкогольных напитков, сыров, консервов, колбас, копченостей.

В животноводстве ферменты используются при приготовлении кормов.

Ферменты используются при изготовлении фотоматериалов.

Ферменты используются при обработке льна, конопли.

Ферменты используются для смягчения кожи в кожевенной промышленности.

Ферменты входят в состав стиральных порошков.

Рефлексивно – оценочный этап

А теперь с помощью теста и сигнальных карточек проверим, как вы усвоили материал.

На ответ «Да» поднимаете красную карточку, на ответ «Нет» синюю.

1. В состав белков входят аминокислоты, прочно связанные между собой водородными связями Нет)

2. Пептидной называют связь между углеродом карбоксильной группы одной аминокислоты и азотом аминогруппы другой аминокислоты. (Да)

3. Белки составляют основную часть органических веществ клетки. (Да)

4.Белок – мономер. (Нет)

5. Продукт гидролиза пептидных связей – вода. (Нет)

6. Продукты гидролиза пептидных связей – аминокислоты. (Да)

7. Белок – макромолекула. (Да)

8. Катализаторы клетки – это белки. (Да)

9. Существуют белки, которые переносят кислород и углекислый газ. (Да)

10. Иммунитет не связан с белками. (Нет)

Самопроверка (слайд 18)

1. Наличие в белках пептидной связи предположил ученный:

2. Какую функцию выполняет белок инсулин в организме?

А) Способствует свертыванию крови;

Б) образует комплексы с инородными белками;

В) переносит О2 в мышцах;

Г) регулирует обмен глюкозы.

3. Имитацией третичной структуры белковой молекулы является:

Б) свернутая в клубок электроспираль;

В) телевизионная антенна;

Г) выпрямленный телефонный шнур.

4. Как называется белок, у которого первым удалось расшифровать первичную структуру?

5. Биологическими катализаторами – веществами белковой природы – называются:

6. Какая структура белковой молекулы определяет специфическую биологическую активность белка?

7. Какой вид химической связи поддерживает вторичную структуру белковой молекулы?

8. Укажите элементный состав простых белков:

Г) Вся таблица Менделеева.

1) Сегодня на уроке……..

1. ЭССЕ на тему: Что я могу делать иначе после того, как получил эту информацию?

2. Составьте на тему «Белок». Синквейн. (5строк)

Заключение к уроку

Наш урок мы начали со слов «жизнь».Закончить урок нам хочется этим же понятием «Жить – это значит узнавать!

Жить – это значит мечтать широко и привольно!

Жить – это значит творить, трудясь без устали,с неисчерпаемым вдохновением!

Источник

Биологическую активность белка определяет структура

Биологическая активность белка

Зависимость биологических свойств белков от первичной структуры. Видовая специфичность первичной структуры белков (инсулины разных животных)

Биология и генетика

Видовая специфичность первичной структуры белков инсулины разных животных. Стабильность первичной структуры обеспечивается в основном главновалентными пептидными связями; возможно участие небольшого числа дисульфидных связей.

В некоторых ферментах обладающих близкими каталитическими свойствами встречаются идентичные пептидные структуры содержащие неизменные инвариантные участки и вариабельные последовательности аминокислот особенно в областях их активных центров.

Зависимость биологических свойств белков от первичной структуры. Видовая специфичность первичной структуры белков (инсулины разных животных).

Анализ данных о первичной структуре белков позволяет сделать следующие общие выводы.

1. Первичная структура белков уникальна и детерминирована генетически. Каждый индивидуальный гомогенный белок характеризуется уникальной последовательностью аминокислот: частота замены аминокислот приводит не только к структурным перестройкам, но и к изменениям физико-химических свойств и биологических функций.

2. Стабильность первичной структуры обеспечивается в основном главновалентными пептидными связями; возможно участие небольшого числа дисульфидных связей.

3. В полипептидной цепи могут быть обнаружены разнообразные комбинации аминокислот; в полипептидах относительно редки повторяющиеся последовательности.

4. В некоторых ферментах, обладающих близкими каталитическими свойствами, встречаются идентичные пептидные структуры, содержащие неизменные (инвариантные) участки и вариабельные последовательности аминокислот, особенно в областях их активных центров. Этот принцип структурного подобия наиболее типичен для ряда протеолитических ферментов: трипсина, химотрипсина и др.

5. В первичной структуре полипептидной цепи детерминированы вторичная, третичная и четвертичная структуры белковой молекулы, определяющие ее общую пространственную конформацию.

Первичная структура инсулина у разных биологических видов несколько различается, как различается и его важность в регуляции обмена углеводов. Наиболее близким к человеческому является инсулин свиньи, который различается с ним всего одним аминокислотным остатком: в 30 положении B-цепи свиного инсулина расположен аланин, а в инсулине человека —треонин; бычий инсулин отличается тремя аминокислотными остатками.

Видовая специфичность первичной структуры белков (инсулины разных животных)

Первичная структура белка — линейная последовательность аминокис­лотных остатков в полипептидной цепи.

Информация о первичной структуре каждого белка закодирована в ДНК.

Аминокислотная последовательность белков определяет его пространст­венную структуру (конформацию) и специфическую биологическую функцию.

В организме человека более 50000 белков, каждый из них имеет уникаль­ную для данного белка первичную структуру.

Все молекулы индивидуального белка имеют одинаковое чередование аминокислотных остатков, отличающий данный белок от любого другого белка. Замена даже одной аминокислоты часто приводит к утрате биологической активности белка.

В гемоглобине замена глутамата (глутаминовой кислоты) в положении 6 бэта-цепи на валин вызывает серпо­видно-клеточную анемию.

Семейства белков.

Белки, имеющие гомологичные участки полипептидной цепи, сходную пространственную структуру (конформацию) и выполняющие в пределах одно­го вида одинаковые функции, образуют семейство белков.

Как правило, они возникают в ходе эволюции в пределах одного биологи­ческого вида путем замены одних аминокислот на другие, близкие им по физи­ко-химическим свойствам.

Примерами белковых семейств являются: семейство миоглобина, куда включены кроме самого миоглобина, и все виды гемоглобина; семейство имму­ноглобулинов, семейство Т-клеточных антигенраспознающих рецепторов, се­мейство белков главного комплекса гистосовместимости, семейство сериновых протеаз, отличительная особенность которых заключается в обязательном при­сутствии в активном центре аминокислоты — серина.

Основной белок плазмы крови — альбумин образует семейство с альфа-фетопротеином, одним из белков фетально-плацентарного комплекса, с которым он имеет 70% гомологию пер­вичной структуры.

Белки, выполняющие у разных видов одинаковые функции, называют­ся гомологичными.

Их существование подтверждает общее эволюционное происхождение видов. Они характеризуются:

— одинаковой или незначительно отличающейся массой;

— содержат во многих положениях одни и те же аминокислотные остатки, которые определяют конформацию и биологическую функцию данных белков;

— различия в аминокислотном составе не затрагивают активного центра или участков, отвечающих за формирование конформации;

-содержат гомологичные последовательности аминокислот.

Инсулин разных организмов — основной регулятор углеводного обмена у животных и человека, имеет значительное сходство первичной структуры.

Бы­чий инсулин отличается от инсулина человека по трем аминокислотным остат­кам, а инсулин свиньи отличается только на одну аминокислоту.

Конформацпя пептидных цепей в белках (вторичная и третичная структуры).

Слабые внутримолекулярные взаимодействия в пептидной цепи, дисульфидные связи. Доменная структура и ее роль в функционировании белков.

Конформация пептидных цепей в белках (вторичная и третичная структу­ры)

Конформацией белковых цепей называется определенная пространствен­ная структура, образованная за счет внутримолекулярных взаимодействий.

Два основных типа конформации белков — вторичная и третичная структуры. Вторичная структура белков — пространственная структура полипептидной цепи, обусловленная водородными связями, образованными функциональными группами пептидного остова.

Во вторичной структуре белков присутствуют участки с регулярной и нерегулярной структурой. Участки с регулярной струк­турой представлены стабильными структурами двух типов: альфа-спиральными и бэта-складчадчатыми: альфа-спиральные структуры — наиболее распространенный элемент вторич­ной структуры белков.

Пептидная цепь образует спираль, на каждый виток ко­торой приходится 3,6 аминокислотных остатка. В спиральных участках водо­родные связи возникают между >С=0 и >NH группами пептидных связей через 4 аминокислотных остатка. Ориентированы эти связи вдоль оси спирали.

Боковые цепи аминокислотных остатков локализованы на периферии спи­рали и не участвуют в формировании водородных связей, стабилизирующих а-спираль. Однако радикалы некоторых аминокислот препятствуют формирова­нию альфа-спирали в случае, если рядом расположены несколько одинаково заря­женных радикалов, (возникает электростатическое отталкивание) или близко расположены объемные радикалы, например триптофан и метионин (механиче­ское нарушение альфа-спирали).

Пролин, в котором отсутствует атом водорода у атома азота, образующего пептидную связь, не может формировать водородную связь с соответствующей карбоксильной группой, и альфа-спираль нарушается. В участке, где находится пролин, полипептидная цепь образует петлю или изгиб.

Бэта-складчатые структуры стабилизированы множеством водородных свя­зей между атомами пептидных групп линейных участков одной полипептидной цепи (внутрицепочечные связи) или разных полипептидных цепей (межцепо­чечные связи).

Водородные связи расположены перпендикулярно полипептид­ной цепи. Если цепи ориентированы в одном направлении, образуется парал­лельный Р-складчатый слой, а если цепи ориентированы в противоположных направлениях, то — антипараллельный бэта-складчатый слой. Радикалы аминокис­лотных остатков ориентированы почти перпендикулярно плоскости бэта-слоя.

Кроме регулярных структур, в белках существуют области с нерегулярной вторичной структурой, называемые беспорядочными клубками (этим терми­ном часто называют и денатурированный белок).

Они не имеют регулярной пространственной укладки, как у альфа-спирали и бэта-складчатой структуры, хотя об­разуют характерную для каждого белка конформацию, состоящую из петлеоб­разных и кольцеобразных структур. В молекуле белка, состоящего из ряда спи­ральных и складчатых участков, обязательно встречаются участки с нерегуляр­ной структурой. Они включают в себя от 3 до 10-15 аминокислотных остатков. Значение этих участков состоит в компактизации белковой молекулы. Обнару­жено, что участки поворота р-складчатой структуры включают в себя конфигу­рации аминокислот Пролин-Глицин-Пролин.

Третичная структура белка — это трехмерная конформация белка, образую­щаяся в результате взаимодействия между радикалами аминокислот, которые могут находиться в пептидной цепи на любом расстоянии друг от друга.

Функ­ционально активную конформацию называют нативной структурой белка.

Слабые внутримолекулярные взаимодействия в пептидной цепи; дисульфидные связи. В образовании третичной структуры участвуют:

— гидрофобные взаимодействия, т.е. слабые взаимодействия между непо­лярными радикалами, которые приводят к тому, что гидрофобные радикалы аминокислот оказываются внутри глобулярной структуры белка, образовав гид­рофобное ядро,

— ионные и водородные связи между гидрофильными группами радикалов аминокислот, оказавшихся внутри гидрофобного ядра.

Ионные и водородные связи, а также гидрофобные взаимодействия относятся к числу слабых, их энер­гия не намного превышает энергию теплового движения молекул при комнат­ной температуре.

Наличие дисульфидных связей характерно для секретируемых клеткой белков (инсулин, иммуног­лобулины).

Домены — независимые, компактно свернутые фрагменты полипептидной цепи, отвечающие за определенный биологический эффект. Они имеют само­стоятельную третичную структуру, аналогичную глобулярным белкам.

В структуре мембранного рецептора выделяют три домена:

1 — внеклеточный (состоит из спи­ральных и складчатых участков);

2 — мембранный, альфа-спиральный уча­сток состоящий из гидрофобных аминокислот (якорный участок);

3 — внутриклеточный, для взаимодей­ствия с внутриклеточным ферментом.

Особенностью доменной организации белка является относительная неза­висимость доменов, т.е.

возможность их автономного функционирования. Так, например, внеклеточный домен мембранного рецептора, будучи отделен от мембранного альфа-спирального участка, продолжает связывать молекулы гормона. Выделенный якорный участок мембранного рецептора способен спонтанно встраиваться в клеточную мембрану, а изолированный внутриклеточный домен мембранного рецептора способен взаимодействовать с внутриклеточным фер­ментом (например, аденилатциклазой).

(Так, например у гексокиназы один домен связан с глюкозой, другой с АТФ, сближение доменов способствует сближению АТФ и глюкозы и соответственно ускоряет перенос фосфатной группы)

Гексокиназа катализирует фосфорилирование глюкозы.

Активный центр находится в складке между двумя доменами. При связывании гексокиназы с глюкозой домены смыкаются, и субстрат оказывается в «ловушке», где подвер­гается фосфорилированию.

Конфигурация и конформация белковой молекулы

Из всего сказанного можно заключить, что пространственная организация белков очень сложна.

В химии существует понятие — пространственная КОНФИГУРАЦИЯ — жестко закрепленное ковалентными связями пространственное взаимное расположение частей молекулы (например: принадлежность к L-ряду стереоизомеров или к D-ряду).

Для белков также используется понятие КОНФОРМАЦИЯ белковой молекулы — определенное, но не застывшее, не неизменное взаимное расположение частей молекулы.

Так как конформация белковой молекулы формируется при участии слабых типов связей, то она является подвижной (способной к изменениям), и белок может изменять свою структуру. В зависимости от условий внешней среды молекула может существовать в разных конформационных состояниях, которые легко переходят друг в друга. Энергетически выгодными для реальных условий являются только одно или несколько конформационных состояний, между которыми существует равновесие.

Переходы из одного конформационного состояния в другое обеспечивают функционирование белковой молекулы. Это обратимые конформационные изменения (встречаются в организме, например, при проведении нервного импульса, при переносе кислорода гемоглобином). При изменении конформации часть слабых связей разрушается, и образуются новые связи слабого типа.

Лиганды

Взаимодействие белка с каким-нибудь веществом иногда приводит к связыванию молекулы этого вещества молекулой белка.

Этот явление известно как «сорбция» (связывание). Обратный же процесс — освобождение другой молекулы от белковой называется «десорбция».

Если для какой-нибудь пары молекул процесс сорбции преобладает над десорбцией, то это уже специфическая сорбция,а вещество, которое сорбируется, называется «лиганд».

1) Лиганд белка-фермента – субстрат.

2) Лиганд траспортного белка – транспортируемое вещество.

3) Лиганд антитела (иммуноглобулина) – антиген.

4) Лиганд рецептора гормона или нейромедиатора – гормон или нейромедиатор.

Белок может изменять свою конформацию не только при взаимодействии с лигандом, но и в результате любого химического взаимодействия.

Примером такого взаимодействия может служить присоединение остатка фосфорной кислоты.

В природных условиях белки имеют несколько термодинамически выгодных конформационных состояний.

Это нативные состояния (природные). Natura (лат.) – природа.

НАТИВНОСТЬ БЕЛКОВОЙ МОЛЕКУЛЫ

НАТИВНОСТЬ — это уникальный комплекс физических, физико-химических, химических и биологических свойств белковой молекулы, который принадлежит ей, когда молекула белка находится в естественном, природном (нативном) состоянии.

Например: белок хрусталика глаза — кристаллин — обладает высокой прозрачностью только в нативном состоянии).

ДЕНАТУРАЦИЯ БЕЛКА

Для обозначения процесса, при котором нативные свойства белка теряются, используют термин ДЕНАТУРАЦИЯ.

ДЕНАТУРАЦИЯ — это лишение белка его природных, нативных свойств, сопровождающееся разрушением четвертичной (если она была), третичной, а иногда и вторичной структуры белковой молекулы, которое возникает при разрушении дисульфидных и слабых типов связей, участвующих в образовании этих структур. Первичная структура при этом сохраняется, потому что она сформирована прочными ковалентными связями.

Разрушение первичной структуры может произойти только в результате гидролиза белковой молекулы длительным кипячением в растворе кислоты или щелочи.

ФАКТОРЫ, ВЫЗЫВАЮЩИЕ ДЕНАТУРАЦИЮ БЕЛКОВ

Факторы, которые вызывают денатурацию белков, можно разделить на физические и химические.

Физические факторы

1. Высокие температуры. Для разных белков характерна различная чувствительность к тепловому воздействию.

Часть белков подвергается денатурации уже при 40-500С. Такие белки называют термолабильными. Другие белки денатурируют при гораздо более высоких температурах, они являются термостабильными.

2. Ультрафиолетовое облучение

3. Рентгеновское и радиоактивное облучение

5. Механическое воздействие (например, вибрация).

Химические факторы

1. Концентрированные кислоты и щелочи.

Например, трихлоруксусная кислота (органическая), азотная кислота (неорганическая).

2. Соли тяжелых металлов (например, CuSO4).

3. Органические растворители (этиловый спирт, ацетон)

4. Растительные алкалоиды.

5. Мочевина в высоких концентрациях

Другие вещества, способные нарушать слабые типы связей в молекулах белков.

Воздействие факторами денатурации применяют для стерилизации оборудования и инструментов, а также как антисептики.

Обратимость денатурации

В пробирке (in vitro) чаще всего это – необратимый процесс.

Если же денатурированный белок поместить в условия, близкие к нативным, то он может ренатурировать, но очень медленно, и такое явление характерно не для всех белков.

In vivo, в организме, возможна быстрая ренатурация. Это связано с выработкой в живом организме специфических белков, которые «узнают» структуру денатурированного белка, присоединяются к нему с помощью слабых типов связи и создают оптимальные условия для ренатурации.

Такие специфические белки известны как «белки теплового шока» или «белки стресса».

Белки стресса

Существует несколько семейств этих белков, они отличаются по молекулярной массе.

Например, известен белок hsp 70 – heatshock protein массой 70 kDa.

Такие белки есть во всех клетках организма.

Они выполняют также функцию траспорта полипептидных цепей через биологические мембраны и участвуют в формировании третичной и четвертичной структур белковых молекул. Перечисленные функции белков стресса называются шаперонными.

При различных видах стресса происходит индукция синтеза таких белков: при перегреве организма (40-440С), при вирусных заболеваниях, отравлениях солями тяжелых металлов, этанолом и др.

В организме южных народов установлено повышенное содержание белков стресса, по сравнению с северной расой.

Молекула белка теплового шока состоит из двух компактных глобул, соединенных свободной цепью:

Разные белки теплового шока имеют общий план построения.

Все они содержат контактные домены.

Разные белки с различными функциями могут содержать одинаковые домены. Например, различные кальций-связывающие белки имеют одинаковый для всех них домен, отвечающий за связывание Ca+2.

Роль доменной структуры заключается в том, что она предоставляет белку большие возможности для выполнения своей функции благодаря перемещениям одного домена по отношению к другому. Участки соединения двух доменов – самое слабое в структурном отношении место в молекуле таких белков.

Именно здесь чаще всего происходит гидролиз связей, и белок разрушается.

Биологические науки можно охарактеризовать как науки, изучающие механизмы, с помощью которых молекулы осуществляют свои специфические функции в живых клетках.

Механизм действия простых неорганических ионов и органических молекул во многих случаях удалось до некоторой степени объяснить.

Мы имеем, например, известное представление о физиологических последствиях повышения или понижения осмотического давления жидкостей тела при введении или удалении хлористого натрия. Другим примером служит нарушение проведения нервных импульсов в синапсах, возникающее после введения физостигмина, которое можно частично отнести за счет действия этого наркотика на фермент холинэстеразу. Однако даже такие хорошо изученные системы продолжают оставаться областью поисков и спекуляций для исследователей, что свидетельствует о сложности клетки.

Химики, изучающие белок, естественно, сознают, что легче всего приблизиться к пониманию функций клетки, изучая структуру и функцию молекул белка.

Эта точка зрения, по-видимому, не лишена оснований. За исключением тех редких явлений в биологии, которые носят чисто физический характер, «жизнь» клеток основана главным образом на совокупности ферментативных катализов и их регулировании.

Область химии белка теперь достигла достаточной сложности, чтобы думать о белках скорее как об органических веществах, а не как о конгломератах аминокислот. Несмотря на необычайную сложность молекулы белка, мы можем в настоящее время количественно описать такие явления, как денатурация, в терминах довольно хорошо установленных изменений в специфических типах химических связей.

Такая благоприятная ситуация дает нам возможность найти разумные пути для сопоставления специфических особенностей ковалентной и нековалентной структуры белков с биологической активностью. Белковые молекулы, по-видимому, состоят из одной или нескольких полипептидных цепей, соединенных между собой и удерживаемых в виде спиральной структуры благодаря наличию системы разнообразных химических связей различной силы.

При изменении какой-либо из этих связей появляется вещество, которое не идентично первоначальной нативной молекуле и которое в известном смысле можно рассматривать как денатурированный белок. Однако с точки зрения функции мы можем придерживаться более строгих критериев. Нативность фермента, выражающуюся в его способности катализировать некую определенную реакцию, не следует связывать со всей его структурой.

Изучение последствий частичного специфического разрушения биологически активных белков начато совсем недавно.

Однако еще 20 с лишним лет назад было показано, что замещение некоторых активных групп белков или превращение их в какие-либо другие группы не сопровождается потерей активности. Пожалуй, наиболее хорошо изученный пример такого рода исследований — это серия работ Херриота и Нортропа по Изучению активности пепсина при постепенном ацетилировании его молекулы.

Пепсин обрабатывали кетеном, и при этом происходило превращение свободных аминогрупп и гидроксильных групп в их ацетилпроизводные. С помощью этого метода Херриот смог получить кристаллическое ацетилпроизводное пепсина, содержащее 7 ацетильных групп на молекулу пепсина. Ацетилпепсин обладал 60% каталитической активности исходного фермента. Херриот показал, что спектр поглощения в ультрафиолете этого вещества, обладавшего 60% активности, изменился настолько, что это изменение можно было объяснить блокированием трех гидроксильных групп тирозина.

При осторожном гидролизе ацетилированного пепсина при pH 0 или при pH 10,0 происходило отщепление трех ацетильных групп, сопровождавшееся восстановлением каталитической активности фермента. Эти, а также некоторые другие исследования показали, что остатки тирозина имеют какое-то отношение к активности пепсина, тогда как ацетилирование ряда свободных аминогрупп белка не оказывает влияния на его функцию.

Такого рода опыты стали в настоящее время относительно обычными, и нет сомнения в том, что можно несколько изменить строение многих ферментов и гормонов, не вызывая их инактивации.

Несмотря на эти данные, еще сравнительно недавно считали, что структура биологически активных белков более или менее «неприкосновенна» и что для осуществления своих функций эти белки должны сохранять свою трехмерную структуру во всей ее целостности.

Эта концепция поддерживается некоторыми теоретическими соображениями, согласно которым молекула белка может иметь несколько различных резонансных конфигураций.

Наблюдения, проведенные в области иммунологии, также говорят в пользу этой концепции. Хорошо известно, что относительно небольшие изменения, например, в строении гаптена, могут вызвать значительный сдвиг эффективности реакции со специфическим антителом.

Идея «неприкосновенности» структуры белка теперь постепенно заменяется идеей о «функциональной значимости части молекулы». Вскоре после того, как Сэнджер с сотрудниками завершили свои фундаментальные исследования инсулина быка, Лене показал, что определенное нарушение структуры гормона, а именно удаление С-концевого остатка аланина в цепи В, не ведет к потере биологической активности.

Эволюционное значение этого факта в свое время было неясно, поскольку это был первый опыт такого рода и можно было рассматривать его как отдельный нетипичный случай. Однако в настоящее время накопилось много подобных наблюдений, и необходимо заняться вопросом о том, почему С-концевой остаток аланина сохранился в качестве постоянного структурного элемента молекулы инсулина, если этот остаток не играет роли в биологической активности гормона.

Инсулин подвергался и другим более подробным исследованиям этого типа.

Однако для того, чтобы выяснить, до какой степени можно нарушить структуру белков, не вызывая при этом их инактивации, мы обратимся к трем другим примерам, о которых имеется несколько больше сведений: 1) гормону гипофиза, АКТГ; 2) ферменту поджелудочной железы — рибонуклеазе и 3) растительному ферменту — папаину.

При последующем обсуждении этих примеров мы используем более или менее одновременно два различных подхода к структурной основе биологической активности: во-первых, мы постараемся показать, что активные полипептиды можно подвергать разрушению, не нарушая их функции, т. е. выявить части структуры, не имеющие существенного значения для функции; во-вторых, следует определить существенные части структуры, т. е. активные центры.

Источник