Белтъци Цели Цели на преподавателя



страница3/5
Дата08.02.2017
Размер0.65 Mb.
#14475
1   2   3   4   5

На фиг. 2-13 е показана третична структура на различни белтъци,
но в рамките на отделните фрагменти личи добре и локалната вторична структура.


 Фиг. 2-13. Третична структура на белтъци. .

 1 - 1-субединица на хемоглобин, съдържаща хем [9],  2 - бактериородопсин


[11]; 3 - фрагмент от верига Н на имуноглобулин G [12]; 4 - химотрипсин [13];
5 - алдолаза [14]; 6 - химотрипсиноген [15].

Фигурите са приготвени с програмата Raswin [7], ползвайки данните


за съответните атомни координати от Protein Data Bank [10].

На фиг. 2-13-1 е дадена третичната структура на 1-субединица


на хемоглобин [9 ]. Около 75 % от нея се състои от 8 -спирални
участъка, съединени с къси неструктурирани участъци. Освен -спиралните
участъци, представен е и хемът (небелтъчна лиганда, необходима за свързване
на кислород). Тези осем участъци се означават с латинските букви от A до H, а остатъците във всеки от тях се означават с съответната буква на участъка и номера, който те заемат в него. Например F8 и F7 са двата хистидинови остатъци, разположени от двете страни на хема. Останалата част от веригата е под форма на къси участъци,
свързващи спиралните участъци. Освен водно-разтворими белтъци като хемоглобин,
и някои мембранно разположени белтъци съдържат -спирални участъци. Такъв
е бактериородопсинът (фиг. 2-13-2). Седемте -спирални участъци са в по-тъмен
цвят. С пунктир са представени водородните връзки, стабилизиращи спиралните
участъци. С по-светъл цвят и чрез пълния пространствен модел е представена
небелтъчната лиганда 11-цис-ретинал.

Други белтъци съдържат предимно -структурни участъци, най-често


антипаралелни, съединени с къси участъци. Такива има напр. в Cu, Zn-супероксид
дисмутаза, конканавалин А, в тежките вериги на имуноглобулини (фиг. 2-13-3),
в химотрипсин (фиг. 2-13-4) и много други. На фиг. 2-13-3 с пунктир са
дадени водородните връзки между антипаралелни -верижни участъци, групирани
в -лист.

Някои белтъци съдържат както -спирални, така и -структурни


участъци. Такива са напр. триозофосфат изомераза, пируват киназа, лактат
дехидрогеназа, химотрипсиноген (фиг. 2-13-5), алдолаза (фиг. 2-13-6) и
много други.
Третичната структура е високоспецифична - полипептидната верига
се нагъва по строго определен начин - в резултат на което възниква уникална
пространствена (3D) структура. Всяко изменение на тази структура, дори
минимално, се отразява на биологичните функции и свойства. Следователно,
на ниво третична структура белтъците имат определена форма и големина в
пространството.

Дотук разгледаните белтъци спадат към глобуларните белтъци, тъй


като молекулате им имат сферична или леко удължена форма (съотношението
на дългата към късата ос е под 10:1). Във вътрешността на глобулата се
ориентират хидрофобните остатъци, а по повърхността – хидрофилните остатъци.
Около последните се ориентират водни диполи (хидратационна обвивка). По
повърхността, обаче, може да има и зони от хидрофобни аминокиселини, често
от значение за активността на белтъка. Глобуларните белтъци имат обикновено
каталитична или регулаторна роля. Обикновено по повърхността или близо
до нея при каталитичните белтъци се разполагат активният център и други
регулаторни центрове.

Белтъци, при които дългата ос е много по-дълга от късата ос,


се наричат фибриларни. Те имат структуро-образуваща функция. Изграждат
разнообразни структури – кости, кожа, сухожилия. Те са неразтворими във
вода. Примери за фибриларни белтъци са еластин (изграждащ сухожилия),
фибрин (изграждащ кръвния съсирек), кератин, колаген и др. Кератинът участва
в изграждане на епидермиса и роговите образувания - косми, нокти,
рога и копита). При кератина три -спирализирани вериги с десен ход се
усукват в суперспирала с ляв ход (фибрила). Между веригите възникват напречни
киселинно-амидни връзки между -COOH на Глу и -амино-групата на Лиз. Такива
връзки са характерни за кератини в рогови образувания, но са по-редки в
кератин от епидермис. Колаген (главният компонент на съединителната тъкан,
наричана още екстрацелуларен матрикс), ще бъде разгледан в т. 2.3.4.

2.2.6. Четвъртична структура

Четвъртичната структура се определя от пространственото разположение
на две или повече полипептидни вериги (наричани субединици или протомери),
образуващи общ комплекс. Всяка субединица има своя първична, вторична и
третична структура. Първичната структура на субединиците може да бъде еднаква,
или различна и съответно белтъците биват хомо- или хетеро-олигомери. Субединиците
са свързани чрез нековалентни взаимодействия (водородни връзки, хидрофобни
и електростатични взаимодействия). Едни от субединиците изпълняват каталитична
функция, а други разпознавателна и регулаторна функции. Промяната в пространственото
разположение на субединиците променя свойствата на молекулата. Затова белтъците
с четвъртична структура имат важна роля за регулацията на вътреклетъчните
процеси.

За белтъци, изградени от няколко полипептидни вериги, които са


свързани чрез ковалентни дисулфидни връзки (напр. имуноглобулини) или за
белтъци, съдържащи само една полипептидна верига, не може да се говори,
че имат четвъртична структура. Ако все пак между субединиците на даден
белтък са налице ковалентни връзки, то те са резултат от следсинтетична
модификация.

Белтък с четвъртична структура е хемоглобин (фиг. 2-14). Той


е изграден от четири субединици - две - и две -вериги, всяка с 141 и
146 остатъка съответно. Означенията - и - тук се отнасят до различия
в първичната структура. Всяка от субединиците е глобуларен белтък и в съвкупност
комплексът от 4 субединици също има форма на глобула. Всяка от веригите
носи хем (Fe-порфиринов комплекс). Връзките между четирите вериги на хемоглобина
са слаби, нековалентни: хидрофобни, полярни (йонни, йон-диполни, дипол-диполни)
и водородни. Полученият тетрамер има биологична активност, а при разграждането
му до субединици, се намалява афинитетът към кислород.



Фиг. 2-14. Хемоглобин - пример за белтък с четвъртична структура.

Четирите субединици, както и четирите хемове са представени с


различен цвят.

Фигурата е приготвена с програмата Raswin [7], ползвайки атомните координати


на файл 1hba [9] в PDB [10].

По-висшите нива на белтъчната молекула са детерминирани от първичната
структура. За нейното първостепенно значение говори примера с HbS, който
се отличава от нормалния HbА само по един аминокиселинен остатък в двете
-вериги, но това е причина за заболяване - сърповидно-клетъчна анемия (вж т.2.5.7 ).

2.2.7. Денатурация и ренатурация

Денатурацията е процес, при който под въздействия на различни
химични и физични агенти (висока температура, киселини, основи, детергенти,
лъчения) се нарушава конформацията на молекулата, променят се физикохимичните
свойства и се губи биологичната активност. Тя може да бъде обратима или
необратима. При обратимата денатурация след отстраняване на денатуриращото
въздействие молекулата отново приема нативна конформация (ренатурация).
На фиг. 2-15 е показана денатурация и ренатурация на рибонуклеаза. Тя има
осем цистеинови остатъка, образуващи 4 дисулфидни връзки. При комбиниране
на тези осем остатъци са възможни 105 конформации и само една от тях е
нативна. Останалите 104 се означават като "разбъркана" конформация. В последно
време се знае, че има специални ензими (протеин дисулфид изомерази), които
улесняват образуване на правилните дисулфидни връзки.




Фиг. 2-15. Денатурация и ренатурация на ензима рибонуклеаза.

 В нативния ензим осемте цистеинови остатъци, представени чрез номерирани кръгчета, са свързани чрез


дисулфидни връзки. В редуцирания денатуриран ензим всеки от осемте цистеинови остатъци има свободна тиолова
група. В денатурирания окислен ензим има дисулфидни връзки, но не между
"правилните" цистеинови остатъци, характерни за нативната конформация.

Възможността за ренатурация на рибонуклеаза и примерът с Hb S


доказват, че първичната структура е определяща за структурата и свойствата
на белтъчната молекула.

2.2.8. Нагъване на новосинтезирани полипептидни вериги

В клетките има специални белтъци, които улесняват процеса на
нагъване. Наред със споменатите протеин дисулфид изомерази, които катализират
преместване на дисулфидни връзки, това са шапероните и ензимите от групата
на цис-транс пролил изомеразите.

Шапероните (70 kDa) са семейство белтъци, които при физиологични


условия предотвратяват неправилното огъване и "нежеланите" взаимодействия
между аминокиселинните радикали в новосинтезиращи се полипептидни вериги.

Първичната структура на белтъка детерминира неговите по-висши


структури, но шапероните улесняват достигането на термодинамично най-стабилната
белтъчна конформация. За правилното нагъване на новообразуващата се полипептидна
верига шапероните се свързват временно с хидрофобните участъци на новообразуващата
се верига, защитавайки ги от въздействието на разтворителя. За осъществяване
на дейността си шапероните изискват енергия под форма на АТФ.

Шапероните се наричат още топлинно-шокови или стресови белтъци,


тъй като се синтезират усилено при топлинен шок вероятно с цел да противодействат
на денатурацията на клетъчните белтъци.

Освен това система от шаперони улеснява транспорта на белтъци


в различни клетъчни отделения. Напр. един шаперон поддържа новосинтезирания
белтък в разгънато състояние докато мине през митохондрийната мембрана,
а друг шаперон в матрикса улеснява нагъването на белтъка.

За оформяне конформацията на новосинтезираните белтъчни молекули,


пролил рацемазата катализира изоергичното цис-транс-превръщане на вече
включен в полипептидната верига пролин.

2.3. Връзка между белтъчната структура и биологичната функция

2.3.1 Резюме


2.3.1. Резюме

Структурата и промени в структурата на белтъци са решаващи за


функциите на белтъците. Това се илюстрира с примери за кислород-пренасящите
белтъци миоглобин и хемоглобин, за колаген (главният структуробразуващ
белтък) и за имуноглобулините (защитни антитела).

Глобуларните кислород-свързващи белтъци миоглобин и хемоглобин


имат много близка вторична и третична структура. Тя осигурява подходящо
обкръжение за еднаквия за двата белтъка хем (Fe-порфиринов комплекс), който
свързва кислорода. Fe2+ йон в хема е координационно свързан към четирите
N атоми от порфириновия пръстен и към N атом от Хис F8 (проксимален Хис).
В окислено състояние шестата лиганда е О2, вмъкнат между Fe2+ йон и Хис
Е7 ( дистален Хис).

Кривите за асоциация/дисоциация на кислород отразяват различията


в свързването и отдаването на кислород от мономера Mb (с третична
структура) и тетрамера Hb (с четвъртична структура) при различно парциално
налягане на кислорода (рО2). Кривата за Мb е правоъгълна хипербола. Mb
в мускулите лесно свързва отделения от Нb О2, съхранява го и го предава
на митохондриите. Свързването не зависи от рН, СО2 и 2,3-бисфосфоглицерат.

Кривата за Нb е сигмоида и това е свързано с четвъртичната му


структура. Свързването на О2 към първата субединица води до конформационни
промени в останалите субединици, което улеснява свързването му. Този ефект
се означава като положителна кооперативност. В белите дробове рО2 е около
90-100 mm Hg и там Hb е максимално наситен с О2. В тъканите рО2 е от около
40 mm Hg, а в капилярите - около 20 mm Hg. Тетрамерната структура позволява
много по-голямо отдаване на О2 при по-ниски рО2 отколкото е възможно при
единичната верига на Mb.

Повишеното съдържание на СО2 и протони в тъканните капиляри улеснява


отделянето на О2 от оксиHb. Обратно, повишеното съдържание на О2 в белодробните
капиляри улеснява отделянето на СО2 и протони от Hb. Тези взаимозависимости
се означават като ефект на Бор.

НbА свързва отрицателно-заредения 2,3-бисфосфоглицерат в празнината


между четирите субединици и това снижава афинитета на Hb към О2. В свързването
участват три положително заредени групи от всяка -субединица, една от
които е Хис21. Феталният HbF вместо  вериги съдържа  вериги. В
 веригите Хис21 е заменен със Сер. Поради това НbF има по-нисък афинитет
за 2,3-фосфоглицерат и последният не инхибира свързването на О2 към
НbF. Това позволява HbF да свързва лесно О2, освободен от майчиния HbA.

Колагенът е най-застъпеният белтък в нашето тяло, съставна част


на екстрацелуларния матрикс. Известни са досега 30 различно кодирани полипептидни
вериги, които при своето комбиниране дават 19 типа колаген, различната
структура на които осигурява различните им функции.

Здравината на колаген тип I се обуславя от уникалния аминокиселинен


състав и характерната първична структура с повтаряща се последователност
от (Гли-X-Про/Хип). Всеки трети остатък е глицин. Има и хидрокси-пролин
и хидрокси-лизин, получени чрез посттранслационни модификации. Тази първична
структура предопределя спирала с ляв ход с параметри, отлични от тези на
-спиралата. Три полипептидни вериги с ляв ход образуват устойчива на развиване
тройна суперспирала с десен ход, наречена тропоколаген, който е основната
структурна единица на колаген. Трите вериги са в близък контакт и се свързват
чрез водородни връзки. Само глицин, най-малката аминокиселина, приляга
по размери в сърцевината на суперспиралата. Това обяснява защо глицин е
на всяка трета позиция.

Вътреклетъчните посттранслационни модификации на проколаген са


условие за образуване на тройната спирала. Извън клетките от проколаген
се отцепват N- и С- крайните пропептиди. Получените тропоколагенови молекули
се свързват една с друга и образуват колагенови фибрили. В тях всяка тропоколагенова
молекула се отмества с около 23 % от своята дължина по отношение на съседните.
Колагеновите фибрили се пакетират в колагенови влакна. В техните рамки
продължава зреенето на колаген, водещо до по-нататъшно усилване здравината
на колаген чрез образуване на стабилни ковалентни напречни връзки, усилващи
якостта на влакната.

Имуноглобулините, наричани антитела, са защитни белтъци, които


разпознават и свързват чужди за организма макромолекули, след което ги
бележат и предават на фагоцитите за разрушаване. Всеки имуноглобулин се
състои от две леки (L) и две тежки вериги (H), свързани помежду си чрез
дисулфидни връзки. Известни са пет класа имуноглобулини: IgG, IgМ, IgА,
IgE, IgD.

Всеки човек може да произвежда антитела срещу 106 [1] до 109 [16]


антигени. Генерирането на такъв огромен брой антитела осигурява ефикасна
защита срещу чужди макромолекули.

2.3.2. Кислород-пренасящи белтъци

Структурата на глобуларните белтъци миоглобин (Mb) и тетрамера
хемоглобин (Hb) е идеално пригодена за изпълнение на функциите им. Hb пренася
О2 от белите дробове до тъканите, а обратно СО2 и протони. Mb съхранява
О2 в мускулите и го пренася до митохондриите. За целта Mb трябва да може
да свързва О2 добре при ниското рО2 в тъканите, при което Hb освобождава
кислород.
2.3.2.1. Структурни прилики между миоглобин и субединиците на хемоглобин, важни за свързването на кислород

И двата белтъка свързват О2. Почти идентичната вторична и третична


структура на мономера Mb и на субединиците на тетрамера Нb осигурява подходящо
обкръжение за желязо-порфириновия пръстен (хем), който е пряко ангажиран
в свързването на О2. Без хем веригата се денатурира и не може да свързва
кислород. Полипептидната верига е така нагъната в пространството, че повечето
от хидрофобните остатъци са във вътрешността на молекулата, а полярните
са по нейната повърхност. Fe2+ йон в хема е координационно свързан към четирите
N атоми от порфириновия пръстен и към N атом от Хис F8 (дистален Хис).
В окислено състояние шестата лиганда е О2, вмъкнат между Fe2+ йон и Хис
Е7 (проксимален Хис). Плоскостта на хема е разположена във хидрофобна гънка
близо до повърхността, където Fe2+ йон е защитен от окисление. Mb и Hb
без хем или с окислен Fe3+ йон в хема (метмиоглобин и метхемоглобин) не
могат да свързват кислород.

2.3.2.2. Разлики в кривите за асоциация/дисоциация на О2 при Mb и Hb

Тези криви отразяват различията в свързването и отдаването на
кислород от мономера Mb (с третична структура) и тетрамера Hb (с
четвъртична структура) при различно парциално налягане на кислорода (рО2).
Р50 е това рО2, при което белтъкът е наситен наполовина с О2. За миоглобин
Р50 = 2.8, а за хемоглобин Р50 = 26.

Кривата за Мb е правоъгълна хипербола (фиг. 2-16). При ниското


рО2 в мускулите (20-40 mm Hg) около 90 % от Mb e наситен с О2 и не го отдава.
Едва когато рО2 спадне към 5 mm Hg, миоглобинът започва да отдава О2 на
митохондриите.



      

Фиг. 2-16. Криви на асоциация/дисоциация на кислород от миоглобин
и хемоглобин в зависимост от парциалното му налягане (рО2).

За разлика от него, хемоглобин освобождава по-лесно О2 в тъканите.
Кривата за Нb е сигмоида и това е свързано с четвъртичната му структура.
В дезокси-състояние конформацията на тетрамера Hb се означава като T форма
(от англ. tight). Свързването на О2 към първата субединица води до конформационни
промени в останалите субединици, което улеснява свързването му от тях.
Този ефект се означава като положителен кооперативен ефект на свързване.
Конформацията на окси-Hb се означава като R форма (от англ. relaxed). В
белите дробове рО2 е около 90-100 mm Hg и там Hb е максимално наситен с
О2. В тъканите рО2 е около 40 mm Hg, а в капилярите - около 20 mm Hg. Свързването
на веригите в тетрамер позволява много по-голямо отдаване на О2 при тези
по-ниски рО2 отколкото е възможно при единичната верига на Mb.

Концентрациите на СО2, протони и 2,3-бисфосфоглицерат не повлияват


свързването на О2 към Mb в тъканите, но за Hb влиянието на тези три ефектора
се описва с т. н. ефект на Бор. Повишеното съдържание на СО2 и протони
в тъканите, както и наличието на 2,3-бисфосфоглицерат изместват кривата
за Hb надясно, което улеснява отделянето на О2 от оксиНb в тъканите. Обратно,
повишеното съдържание на О2 в белите дробове улеснява отделянето на СО2
и протони от Hb.

2.3.2.3. Разлики в структурата на HbA и HbF

HbA (22) свързва отрицателно-заредения 2,3-бисфосфоглицерат
в централната празнина между четирите субединици (фиг. 2-17). Това снижава
афинитета на Hb към О2 и стабилизира дезокси-формата Т. В свързването на
отрицателно-заредения 2,3-бисфосфоглицерат участват по три положително
заредени групи от всяка -субединица (амино-група от N-крайния Вал, Лиз
ЕF6 и Хис21).

Феталният HbF (22) съдържа две  и две  вериги (вместо 2 


вериги). В  веригите на HbF Хис21 е заменен със Сер. Поради тази структурна
разлика НbF има по-нисък афинитет за 2,3-фосфоглицерат и последният
влияе много по-слабо върху свързването на кислород към НbF (не го инхибира).
За HbA P50 = 26 mm Hg, а за HbF P50 = 20 mm Hg. Това позволява HbF да извлича
(да свързва лесно) О2, освободен от майчиния HbA.



 Фиг. 2-17. Свързване на 2,3-бисфосфоглицерат (2,3-БФГ) към двете -субединици на деоксиHbА посредством електростатични взаимодействия.
Вляво - формула на 2,3-бисфосфоглицерат с пет отрицателни заряди;
Вдясно - йонни връзки между петте отрицателно заредени групи на 2,3-БФГ и положително заредените Лиз ЕF6, Вал NA1 и ХисН21 от всяка от двете -субединици.
2.3.3. Колагени

2.3.3.1. Различни типове колаген

Колагенът е най-застъпеният белтък не само в екстрацелуларния


матрикс, но и въобще в тялото. Той съставлява около 25 % от белтъците в
тялото, като концентрацията му варира: 4 % в черния дроб, 10 % в белите
дробове, 12-24 % в аортата, 50 % в хрущялите, 64 % в корнеата, 23 % в кортикалните
кости, 74 % в кожата [16]. Известни са засега 30 различни полипептидни вериги
за колаген, всяка кодирана от различен ген. В зависимост от комбинацията
им и от съдържанието на допълнителни въглехидратни съставки, са установени
19 типа колаген [17]

Различната структура на тези типове колаген осигурява различните


им функции. В очната корнея колагенът е прозрачен, в костите и зъбите той
съдържа калциево-фосфатен полимер хидроксилапатит, кожният колаген е с
хлабави и гъвкави влакна. Характерната за колаген тип I тройна спирала
се среща в повечето от другите типове колаген, но дължината є може да варира,
а освен това някои от колагените съдържат и глобуларни участъци в N- и
C-краищата.
2.3.3.2. Структура на колаген, тип I

Колаген тип I има уникален аминокиселинен състав (вж табл. 2-4).


От общо 1050 остатъци в полипептидната верига 33 % са глицин, т. е. всеки
трети остатък е глицин. Освен това има и необичайни остатъци: 3-хидрокси-пролин,
4-хидрокси-пролин и 5-хидрокси-лизин, получени чрез посттранслационни модификации (вж т. 2.5.6).
По протежение на веригата се повтаря последователността (Гли-X-Про/Хип),
където Хип е хидроксипролин, а Х - коя да е аминокиселина [18].

Каталог: docs -> biohimia
biohimia -> След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания
biohimia -> Захарен диабет Цели Цели на преподавателя
biohimia -> След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания
biohimia -> Ензими Цели Цели на преподавателя
biohimia -> След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания
biohimia -> Биоенергетика Цели Цели на преподавателя
biohimia -> След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания
biohimia -> След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания
biohimia -> След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания


Сподели с приятели:
1   2   3   4   5




©obuch.info 2024
отнасят до администрацията

    Начална страница