Лекции Тестове Симулации на клинични случаи



страница1/3
Дата01.06.2017
Размер422.16 Kb.
ТипЛекции
  1   2   3

Медицински Университет-София
Медицински факултет, Катедра химия и биохимия

Добре дошли в "Интерактивна биохимия - София"



Връзка към новия сайт на курса
(http://www.mu-sofia.bg/index.php?=34&mbs=1,0,0,0&d=1)




Лекции        Тестове
Симулации на клинични случаи


Изказва се благодарност на Dir.bg за безплатно предоставяне на Web-пространство, на Медицински факултет-София и Фондация "Отворено общество" (програма "Интернет") за началната подкрепа при реализиране на този Web-базиран курс по биохимия и на Медицински Университет-София за финансовата подкрепа (грант №7/2000) .
Лични благодарности:


Запитвания, коментари, предложения и корекции се очакват с благодарност от Г. Косекова
(Е-mail: ganka@mu-sofia.bg).


http://biochemistry.dir.bg/index.html

http://biochemistry.dir.bg/lectures/index2.html

Цели: да се разгледа значението, съставът и структурата на белтъците, да се свърже структурата на белтъците с тяхната функция и да се дадат примери за приложение на тези познания в клиничната практика.



2.1. Значение, състав и свойства на белтъци
2.1.1. Резюме
 Белтъците са хетеробиополимери, които се получават при поликонденсация на 20 т.н. "природни" -аминокиселини, 19 от които са оптично-активни (всички от L-стеричен ред), една е оптически неактивна (Гли) и една е циклична иминокиселина (Про). Мономерите са свързани помежду си чрез пептидни връзки. Значението на белтъците произтича от разнообразните им и жизнено важни функции, които те изпълняват в организма (структуро-образуваща, каталитична, защитна, регулаторна, транспортна, двигателна, рецепторно-сигнална и складова).
  -Въглеродният атом на аминокиселините, който носи амино- и карбоксилната група, е асиметричен с изключение при глицин. Според химическата структура на радикалите аминокиселините се делят на алифатни, с хидроксилна група, S-съдържащи, ароматни, кисели, киселинни амиди и базични. Според полярността на радикалите аминокиселините се делят на хидрофобни (неполярни) и хидрофилни (полярни). Разнообразните функционални групи в радикалите, наред с крайните амино- и карбоксилна групи, са от значение за структурата, свойствата и функциите на белтъчната молeкула.
 Част от полярните групи са йоногенни и могат да имат различен заряд при промяна на рН. При физиологично рН положително заредени са -амино-групата на лизина, имидазоловия пръстен на хистидина, гуанидо-групата на аргинина и крайната амино-група. При физиологично рН отрицателно заредени са -карбоксилната група на аспарагиновата киселина, -карбоксилната група на глутаминовата киселина и крайната карбоксилна група. Наличието на базични и киселинни групи придава на белтъците амфотерни свойства и обуславя сумарния заряд на белтъчните молекули

Глава 2: Б Е Л Т Ъ Ц И
2.1. Значение, състав и свойства на белтъците



2.1.2. Определение и значение на белтъци
 Белтъците са хетеробиополимери - високомолекулни съединения, изградени от мономери – 20 вида т.н. "природни" -аминокисeлини, 19 от които са оптично-активни (всички от L-стеричен ред), една е оптически неактивна (Гли) и една е циклична иминокиселина (Про). Аминокиселините са свързани в полипептидни вериги чрез пептидни връзки. Молекулната маса на белтъците е от 10 000 до стотици хиляди.

Белтъците се делят на прости и сложни. Простите при хидролиза се разграждат само до аминокиселини, а сложните - до аминокиселини и небелтъчна съставка. Според формата си белтъците се делят на глобуларни (сферични - с компактно нагънати вериги, със съотношение на осите за дължина към ширина обикновено 3-4 към 1 до 10 към 1) и фибриларни (силно удължени молекули, в които дългата ос надвишава късата ос стотици пъти).

Молекулата на даден белтък съдържа една или повече полипептидни вериги. Всяка полипептидна верига съдържа различен брой от двадесетте вида мономери. При вариране броя и подреждането на мономерите, организмите могат да синтезират огромен брой различни вериги, респ. белтъци с разнообразни функции.

Значението на белтъците произтича от разнообразните и жизнено важни функции, които те изпълняват в организма:
 1) структурообразуваща функция: Белтъците имат много добре изразена способност заедно с други високомолекулни съединения да изграждат по-сложни комплекси, които образуват различни вътреклетъчни и междуклетъчни структури.
 2) каталитична функция: Част от белтъците са ензими, т.е. биокатализатори на определени химични реакции.
 3) защитна функция: Част от тях са антитела, които свързват и обезвреждат попаднали в организма чужди макромолекули. Други белтъци участват в кръвосъсирването и предотвратяват загуба на кръв при увреждане на кръвоносни съдове.
 4) регулаторна функция: Част от тях са хормони. Други, напр. ДНК-свързващи белтъци повлияват експресията на гените.
 5) транспортна функция: Белтъците свързват обратимо и пренасят по кръвен път различни вещества - например хемоглобинът пренася кислород и въглероден двуокис, трансферин пренася Fe; церулоплазминът - Cu, албуминът - висши мастни киселини, билирубин и др. Разположените в мембраните белтъци осигуряват специфичен активен пренос на вещества през мембраните.
 6) двигателна функция: Съкратителните белтъци актин и миозин са в основата на мускулното съкращение, а техни аналози - в "реснички" и "опашки" като двигателен апарат на едноклетъчни и др.
 7) рецепторна и сигнална функция: Част от белтъците са рецептори на хормони или други вещества. Рецепторите разпознават и предават хормоналния сигнал към вътрешността на клетката.
 8) "складова" функция: Във феритина се складират запаси от желязо, в миоглобина - кислород и др. Освен това те са източник на биологично активни вещества, които се образуват при дисимилацията им. Те могат да бъдат и източник на енергия - в крайни ситуации след изчерпване на другите енергетични източници (въглехидрати и мазнини).

Глава 2: Б Е Л Т Ъ Ц И
2.1. Значение, състав и свойства на белтъците



2.1.3. Химическа структура на аминокиселините, изграждащи белтъците

Общата формула на -аминокиселините е дадена на фиг. 2-1. Всички аминокиселини имат карбоксилна група и аминогрупа при общ -въглероден атом (при пролин вместо амино- има циклична имино-група). Тези именно групи участват в образуване на ковалентните пептидни връзки и изграждат скелета на полипептидните вериги. При неутрални рН стойности свободните L--аминокиселини в разтвор са преобладаващо под форма на цвитерйон, т.е. заредена е както карбоксилната, така и амино-групата.


-Въглеродният атом в аминокиселините е асиметричен, с изключение при глицин, в който R = H, т.е. -въглеродният атом няма четири различни заместители.



Фиг. 2-1. Абсолютна конфигурация на L-аминокиселина (1) и D-аминокиселина (2). При физиологично рН (около 7) карбоксилната и амино-групата са заредени.

 Аминокиселините, изграждащи белтъците, в зависимост от химическата структура на радикалите се разпределят в подгрупи, както следва:
1) Алифатни аминокиселини: глицин,аланин, валин, левцин, изолевцин;
2) Хидрокси-аминокиселини: серин, треонин;
3) S-съдържащи аминокиселини: цистеин, метионин;
4) Ароматни аминокиселини: фенилаланин, тирозин, триптофан;
5) Циклична имино-киселина: пролин;
6) С допълнителна базична група: лизин, аргинин, хистидин
7) С допълнителна карбоксилна група и техните амиди: аспарагинова киселина, глутаминова киселина, аспарагин, глутамин.
Техните формули и съкращения (трибуквени- на български, и еднобуквени- на английски) може да видите, като щракнете върху названието на аминокиселината.
Тези аминокиселини са едни и същи за всички организми. За всяка от тях има поне един специфичен кодон в ДНК. Чрез допълнителни химически модификации някои от тези аминокиселини, вече включени в полипептидна верига, се превръщат в производни аминокиселини: напр. цистин (при окисление на два цистеинови остатъка), хидроксипролин и хидроксилизин в колаген, десмозин в еластин, -карбоксилглутамат в протромбин и др., т.е. те са резултат от следтранслационна модификация.

Глава 2: Б Е Л Т Ъ Ц И
2.1. Значение, състав и свойства на белтъците



2.1.4. Относителна хидрофобност на аминокиселинните радикали

Въз основа на относителната хидрофилност или хидрофобност на радикалите (склонността да се свързват или не с вода), аминокиселините се разделят най-общо на хидрофилни (Арг, Хис, Лиз, Асп, Глу, Асн, Глн, Цис, Сер, Тре, Гли) и на хидрофобни (Ала, Вал, Лев, Иле, Мет, Про, Фал, Тир, Три) [1]. Поради наличието на различни групи, някои от аминокиселините са амбивалентни, т. е. в зависимост от микрообкръжението променят отнасянията си от хидрофобни на хидрофилни.

Относителната хидрофобност се измерва като енергия на пренос (kcal/mol) на аминокиселината от неполярен разтворител във вода. Като мярка за хидрофобността се използва и т.н. хидропатичен индекс (табл. 2-1) [2]. Отрицателните, респ. положителните стойности на тази величина показват, че аминокиселинният остатък в даден белтък може да се намира във водно, респ. хидрофобно обкръжение.

Като цяло полярността на радикалите варира широко, от силно неполярни (хидрофобни, напр. триптофан, фенилаланин, изолевцин) до силно полярни (хидрофилни, напр. лизин, аргинин). Но във всяка група също има различни степени на полярност поради присъствието на различни функционални групи. Например и трите ароматни аминокиселини фенилаланин, тирозин и триптофан могат да участват в хидрофобни взаимодействия, но тирозинът заради фенолната група и триптофанът заради N-атом в индоловия пръстен са по-полярни от фенилаланин.



Табл. 2-1. Стойности за хидропатичните индекси на
аминокиселинните остатъци*.

Амино-
киселина


Хидропатичен
индекс


Амино-
киселина


Хидропатичен
индекс


Аланин

1.8

Пролин

- 1.6

Валин

4.2

Серин

- 0.8

Левцин

3.8

Треонин

- 0.7

Изолевцин

4.5

Аспарагин

- 3.5

Цистеин

2.5

Глутамин

- 3.5

Метионин

1.9

Аспартат

- 3.5

Фенилаланин

2.8

Глутамат

- 3.5

Глицин

- 0.4

Хистидин

- 3.2

Триптофан

- 0.9

Лизин

- 3.9

Тирозин

- 1.3

Аргинин

- 4.5

* По данни на [2].

Замяната на полярен остатък с хидрофобен или обратно, се нарича неконсервативна замяна. Такава замяна се наблюдава напр. на шеста позиция в -веригите на патологичния хемоглобин S, който съдържа валин вместо глутамат. Обратно, в случаите, когато един остатък се заменя с друг, който има близка относителна хидрофобност, напр. валин с левцин, казваме, че замяната е консервативна.



Глава 2: Б Е Л Т Ъ Ц И
2.1. Значение, състав и свойства на белтъците



2.1.5. Значение на радикалите за структурата, свойствата и функциите на белтъците

Свойствата на аминокиселинните радикали, изграждащи белтъците, са основни структурни детерминанти, т.е. те определят структурата, свойствата и функциите на белтъците. Хидрофобните остатъци участват в хидрофобни, а полярните- в електростатични взаимодействия, които са от значение за оформяне на уникалната структура на даден белтък. За това допринасят и цистеиновите остатъци, които образуват помежду си дисулфидни връзки. Глицинът, най-малката и с най-проста структура аминокиселина, се вмества в участъци, недостъпни за по-големи остатъци. Тези участъци често са място, където полипептидната верига се огъва.

При физиологично рН положително заредените, както и отрицателно заредените групи, реагират като слаби киселини и слаби основи и придават на белтъците амфотерни свойства. Тези групи участват в пренос на заряди в ензимната катализа или в дихателната верига. Хистидинът със своето имидазолово ядро допринася за буферните свойства на белтъците при физиологично рН.

Ароматните аминокиселини поглъщат светлина в ултравиолетовата област (250-290nm). От трите ароматни най-голям принос за екстинкцията на белтъци при 280 nm има триптофанът. Затова концентрацията на безцветни белтъци, които съдържат ароматни аминокиселини може да се определя чрез директно измерване на екстинкцията при 280 nm, без да е необходимо оцветяването им.

Карбоксилни и амино-групи в ензимни белтъци често се използват за свързване на различни субстрати. Алкохолната група на серина и сулфхидрилната група на цистеина участват в активните центрове на различни ензими. Цистеиновите остатъци могат да образуват помежду си дисулфидни връзки, които се срещат в доста белтъци и допринасят за стабилизиране на структурата им. Серинът и треонинът (с алкохолна група) и тирозинът (с фенолна група) могат да бъдат обратимо ковалентно модифицирани чрез фосфорилиране-дефосфорилиране и това има голямо значение за регулиране на ензимната активност

Глава 2: Б Е Л Т Ъ Ц И
2.1. Значение, състав и свойства на белтъците



2.1.6. Зарядови свойства на аминокиселини

В свободните и във включените в белтъци аминокиселини има няколко групи, които се отнасят като слаби киселини: -СООН група – в С-края и в аспарагинова и глутаминова киселина; -NH3+ - в N-края и в лизин; и други групи в хистидин, аргинин, цистеин и тирозин. (фиг. 2-3 - щракнете върху маркирания текст). В разтвор тези протонирани групи са в равновесие със съответните спрегнати бази.



Фиг. 2-3 Дисоциация на аминокиселинните радикали.
С увеличение на рН зарядът на радикалите се мени. Под рКa преобладава спрегнатата киселина, а над рКa преобладава спрегнатата база.

Протонната дисоциация на киселините се характеризира с константата на дисоциация Кa (индексът а идва от английското название на киселина - acid), представяна обикновено като рКa (рКa= - log Ka). Тази константа отразява относителната сила (реципрочен афинитет към протона) на дадена група като слаба киселина. Съгласно уравнението на Henderson-Hasselbach (ур. 2-1) рКa на дадена група е това рН, при което са дисоциирали 50 % от групата, т.е. концентрацията на спрегнатата база е равна на тази на спрегнатата киселина (тъй като log1=0):



В зависимост от обкръжението, в което се намират групите, стойностите на рКa  могат да варират в определен интервал, както личи от фиг. 2-3. Крайните карбоксилна и амино-групи имат по-ниски стойности за рКa  отколкото, ако са във вътрешността на веригата.

В разтвор свободните аминокиселини съществуват в зависимост от рН в различни йонни форми. При моноаминокарбоксиловата аминокиселина валин рКa за -COOH група е 2.2 и за -NH2 -групата е 9.7. При рН < 2.2 валинът има заредена амино-група (заряд +1). При физиологично рН около 7 сумарният заряд е 0 (заредени са и амино- и карбоксилната групи). Тази форма се нарича цвитерйон. При нея броят на положителните заряди е равен на броя на отрицателните заряди. При рН > 9.7 заредена е само карбоксилната група. Изцяло незаредена форма не съществува при никое рН. Поради наличието на допълнителна група йонните форми на лизин и аспартат са четири при pH около 7.

Това рН, при което аминокиселината е електрически неутрална и се намира в цвитерйонна форма, се нарича изоелектрично рН или изоелектрична точка (рI). При моноамино-монокарбоксиловите киселини pI е средно аритметично от рК на карбоксилната и амино-група, напр. рІвалин = (2.2+9.7)/2 = 5.95. При аминокиселини с допълнителни функционални групи pI приблизително е средно аритметично от рК на групите с еднакъв заряд. Напр. при лизин (с допълнителна амино-група) рКa за -COOH група е 2.2, за -амино групата е 9.0 и за -NH2 -групата е 10.5 и рIлизин = (9.0+10.5) / 2 = 9.75.



Глава 2: Б Е Л Т Ъ Ц И
2.1. Значение, състав и свойства на белтъците



2.1.7. Зарядови свойства на белтъци

В белтъците -амино и -карбоксилните групи са ангажирани в пептидните връзки. От значение за сумарния заряд и за буферните свойства на белтъците са само крайните групи и тези от страничните радикали (фиг. 2-3). Сумарният заряд на белтъчната молекула зависи от аминокиселинния състав и от рН на средата. В киселата област е потисната дисоциацията на киселите групи и зарядът поради наличие на положително заредени групи е положителен и твърде висок (фиг. 2-4). С увеличение на рН зарядът намалява, минава през нула и започва да нараства в отрицателна посока. В алкалната област дисоциацията на базичните групи е потисната и поради наличието на отрицателно заредени карбоксилни групи сумарният заряд е отрицателен.





 Фиг. 2-4. Зависимост на сумарния заряд Z на белтъчната молекула от pH. По Т.Николов [3] с разрешение.

 Пресечната точка на кривата с абсцисата е рI (това рН, при което сумарният заряд е нула).



Изчисляването на рI за белтъци чрез уравнението на Henderson-Hasselbach е неточно. Предпочита се експериментално определяне на рI - като рН, при което белтъкът, имайки сумарен заряд нула (равен брой положителни и отрицателни заряди), не се движи в електрично поле. Изоелектричната точка за даден белтък зависи от природата на буфера, от йонната сила на разтвора, от конформацията на белтъка и др. Нейната стойност дава, макар и приблизителна, представа за аминокиселинния състав. Белтъци, които съдържат повече аргинин, лизин и хистидин, имат по-високи рI и се наричат алкални белтъци, например за цитохром с  рI=10.0. Обратно, белтъци, в които преобладават глутаминова и аспарагинова киселини, имат по-ниски рI (кисели белтъци, напр. пепсин с рI ~ 1, серумен албумин  (рI = 5.9 и др.).

Белтъците действат като буферни системи в широк рН диапазон, определян от рК на големия брой различни дисоцииращи групи в радикалите им. Буферният капацитет на всяка група е най-силен при рН около рК на групата. С най-голямо физиологично значение за буферните свойства на белтъците е хистидин, тъй като неговият имидазолов пръстен има рКa между 6 и 7, т.е. най-близо до физиологични рН.



Глава 2: Б Е Л Т Ъ Ц И
2.2. Структура на белтъци



2.2.1. Резюме

Белтъците имат четири нива на организация: първична, вторична, третична и четвъртична структури. Първичната структура е последователността на аминокиселинните остатъци и локализацията на дисулфидни връзки в полипептидните вериги. Определя се от ковалентни пептидни връзки между остатъците. Тя е генетично детерминирана и определя по-висшите нива на организация.

Вторичната структура представлява локално нагъване на част от полипептидната верига в -спирални или
-верижни участъци, стабилизирани главно от водородни връзки между близко разположени пептидни групи.

Третичната структура се отнася до пространствените взаимоотношения между всички аминокиселинни остатъци във веригата, т.е до цялостното пространствено нагъване на полипептидната верига и нейното фиксиране чрез нековалентни взаимодействия (хидрофобни, електростатични или други) между отдалечени по веригата аминокиселинни остатъци. Дисулфидните връзки (в белтъци, съдържащи цистеинови остатъци) също допринасят за стабилизиране на третичната структура.

Четвъртичната структура се определя от пространственото разположение на две или повече полипептидни вериги (наричани субединици), обединени в едно цяло в структурно и функционално отношение. Тя, както вторичната и третичната структури, зависи от нековалентни взаимодействия.

Денатурацията е процес, при който се нарушават нековалентни взаимодействия, засягат се по-висшите нива на организация без първичната структура и се губи биологичната активност.

Нагъването на полипептидните вериги в пространството се улеснява от специални ензими (пролил рацемаза и протеин дисулфид изомераза) и специални белтъци, наречени шаперони. Шапероните при физиологични условия предотвратяват неправилното нагъване и "нежеланите" взаимодействия между аминокиселинните радикали в новосинтезиращите се полипептидни вериги.

Глава 2: Б Е Л Т Ъ Ц И
2.2. Структура на белтъци



2.2.2. Първична структура на белтъчните молекули

За да бъде разбрана по-лесно сложната пространствена организация на белтъчните молекули, съдържащи хиляди атоми, тяхната структура се разглежда на четири равнища: първично, вторично и третично и четвъртично равнище. Съответно се използват термините първична, вторична, третична и четвъртична структура.

Първичната структура представлява подреждането на аминокиселините в полипептидните вериги на молекулата, т.е аминокиселинната последователност. При наличие на дисулфидни връзки (вътрешноверижни или междуверижни) се указва тяхната локализация, т.е. посочва се между кои цистеинови остатъци е образувана дадена дисулфидна връзка. Първичната структура зависи само от ковалентни пептидни връзки. Тя детерминира останалите нива на организация. Тя е свързващото звено между генетичната информация и физиологичната функция. На първично равнище белтъчната молекула може да бъде представена опростено като линеен запис чрез последователно изписване с обикновените структурни формули на аминокиселинните остатъци в посока от N към С края, както е показано на фиг. 2-5.

 Фиг. 2-5. Част от една полипептидна верига, изписана с обикновените структурни формули.

Изписването на първичната структура по този начин отнема време и място. Броят на остатъците в белтъците е различен (от стотина в цитохром с до няколко хиляди в други белтъци. Напр. във веригата на белтъка апо-В100 има 4536 остатъка. Тъй като гръбнакът на всички вериги е еднакъв поради повтаряне на групировката >СН-СО-NH-, използува се и съкратен начин за представяне на първичната структура чрез трибуквените или еднобуквените съкращения на аминокиселините.  На фиг. 2-6 е представена молекулата на хормона инсулин от човек, използван за лечение на диабет. Инсулинът се състои от две вериги: верига А (21 остатъка) и верига В (30 остатъка). Две междуверижни дисулфидни връзки свързват тези вериги, а във верига А има вътрешноверижна дисулфидна връзка.





Фиг. 2-6. Съкратено представяне на първичната структура на двете вериги (А и В) на човешки инсулин в посока от N- към С-края.
 Оцветени са остатъците А8, А9, А10 от верига А и В30 от верига В, които в различни животински видове се различават от тези в човек (вж т. 2.5.4). Данните са по [5] и [4].
I - чрез трибуквени съкращения; II - чрез еднобуквени съкращения.

Въпреки ниската молекулна маса на инсулин (5 734 KDa), той се причислява към белтъците, тъй като се синтезира като неактивен предшественик препроинсулин (11 500 KDa). От него след протеолитично отцепване на пептид от N-края, наричан сигнален (вж гл.14), се получава проинсулин (9 000 KDa) (фиг. 2-7). От проинсулин след отделяне на пептид С и два дипептида се оформят веригите А и В на мономера инсулин.





  Фиг. 2-7. Схематично представяне на полипептидната верига на проинсулин с 86 аминокиселинни остатъци. От тази обща верига след хидролитно отделяне на пептид С (в червено) и два дипептида се получават двете вериги на инсулин: верига А с 21 остатъци (в черно) и верига В с 30 остатъци (в синьо).

Както личи от фиг. 2-5 и фиг. 2-6, полипептидните вериги, изграждащи белтъците,
се характеризират със следните особености:
 1) Веригите имат два различни края: азотен или N-край (свободна амино-група) и въглероден или С-край (свободна карбоксилна група). Тези групи при рН 7 са в йонизирано състояние.
 2) Няма циклизация на веригата - краищата са свободни.
 3) Няма разклонения, защото в образуване на пептидната връзка участвуват само  -амино и  -карбоксилни групи.
 4) Веригите имат еднакъв скелет, тъй като се повтаря една и съща групировка >CH-CO-NH-.
 5) разнообразието на природните полипептиди и белтъци е следствие от различия в аминокиселинната последователност.

Названията на аминокиселинните остатъци в пептидната верига добиват окончание -ил, напр. пептид, съдържащ глицин, аланин, лизин и валин ще се чете като глицил-аланил-лизил-валин. Последният аминокиселинен остатък в С-края не променя названието си.

Огромен брой белтъци вече имат изяснена първична структура. Данните се съхраняват в електронен вид в специални масиви от база данни, напр. Protein Data Bank (PDB) или European Molecular Biology Laboratory Data Library (EMBL), които са достъпни чрез Интернет. Eлектронната търсачка PubMed (The National Library of Medicine's Search Service) [6] има достъп до повече от 11 млн заглавия в Medline, PreMedline и други база-данни с връзки към изходните свързани с Интернет списания.

При опростеното представяне на белтъчната молекула в една равнина (фиг. 2-5 и 2-6), не се вземат предвид нито особеностите на пептидната връзка, нито другите възможни взаимодействия. Но в действителност те съществуват и обуславят по-висшите структури.






Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3




База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2020
отнасят до администрацията

    Начална страница