01_protein_structure

Из чего состоят клетки?
70-80 % – вода
Цитоплазма клетки – водный раствор различных веществ, большую часть из которых составляют белки

Вещества клетки
Органические
Неорганические
Белки
Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК)
Углеводы
Липиды
Витамины, АТФ
Вода, ионы, О2, СО2

Вещества клетки
Макромолекулы
(полимеры)
Простые молекулы
Белки
Нуклеиновые кислоты
Вся неорганика
«Кирпичики» макромолекул
Витамины, АТФ
Липиды
Углеводы
Состоят из тысяч и десятков тысяч атомов

Полимеры
– макромолекулы, состоящие из одинаковых или сходных структурных единиц – мономеров.
Регулярные
Нерегулярные (информационные)
А А А А А А гомо-
А Б А Б А Б гетеро-
Белки
НК
Олигосахариды в составе белков
Углеводы (полисахариды)

Синтез полимеров
Реакция конденсации – отщепление молекулы воды.
Затрата энергии
Е
Синтез полимера

Реакция гидролиза – присоединение молекулы воды
HO
H
Расщепление полимеров
Распад полимера
Выделение энергии
Е

Свойства воды

Процент воды в тканях
Мозг……………….... 70- 85
Мышцы…………….. 75
Кожа……………….... 70
Соединительная…. 60
Кости………………... 25
Жировая……………. 20

Уникальные свойства воды
Молекулы полярны – являются диполями

Водородные связи
Благодаря водородным связям вода – жидкость при обычных на Земле температурах (сравн. с H2S, CH4, NH3)
электрическое притяжение между атомами, несущими частичный отрицательный и частичный положительный заряд.
очень слабые связи
~ в 10 раз слабее ковалентной
между молекулами

водородные связи = силы Ван-дер-Ваальса

Полярные группы в органич. молекулах
– ОН гидроксильная группа
– С=О кетогруппа
– С=О карбоксильная группа
ОН
– NH2 аминогруппа
– Н2РО3 фосфат
Связи С – С и С – Н – неполярны
Водородные связи
друг с другом и водой

Гидрофильные вещества
образуют водородные связи с водой
содержат ионы или ковалентные полярные связи
растворимы

Ковалентные связи
неполярны
Гидрофобные вещества
не образуют водородных связей
нерастворимы в воде
Фобное – к фобному
гидрофобное притяжение

Из чего состоят клетки?
Химические элементы
Макроэлементы

Углерод способен
формировать длинные цепочки;
Жизнь на Земле построена на основе углерода
прочные связи со
множеством различных атомов
– Н, О, S, P, N.

Б Е Л К И
Тема 1.
Биологические молекулы
Часть 1. Строение.

БЕЛКИ = ПРОТЕИНЫ
(от греч. protos – первый, главный)

Кальмодулин
Гемоглобин
Гликопротеин
Т-лимфоцитов
Аденилатциклаза

Белки – нерегулярные полимеры,
мономерами которых являются аминокислоты
Мономеры –
20 аминокислот
неразветвленные

Аминокислота
С
-атом углерода
α
Карбоксильная группа
Аминогруппа
R
H
Радикал

С
α
Карбоксильная группа
Аминогруппа
R
H
Радикал
Основа аминокислоты
одинакова у всех аминокислот
20 разных

─
Н+
разная у разных а.к.
+ H+
– H+
Кислотность среды выше и.точки
Кислотность среды ниже и.точки

Хиральная чистота живого
Если группы 1, 2, 3 и 4 - разные
Хиральные объекты –
не равны своему зеракльному отражению
Стереоизомеры

D-изомер
(лат. dexter — правый)
L-изомер
(лат. laevus — левый)

Незаменимые аминокислоты
Организм не может синтезировать сам
→ должны поступать с пищей.
Для человека это:
валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, фенилаланин, триптофан, гистидин, лизин, аргинин.
Этот список приблизительно одинаков у всех позвоночных, и даже у насекомых.

Гидрофобные (неполярные)
Радикалы аминокислот
Гидрофильные
Определите полярность радикалов:

Неполярные гидрофобные – 8

Полярные незаряженные – 7
Глицин
Гли

Заряженные – 5

Дипептид
Трипептид
Олигопептид
~ 10
Полипептид

Первичная структура белка – это последовательность аминокислот в полипептидной цепочке, записанная в порядке N……..C.
(соответствует направлению роста цепочки при ее синтезе в клетке).
Ала
Глу
Гис
Гис
Ала
Трп
Цис
Вал
Иле
N
C
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
I

Первичная структура мембранного белка эритроцитов гликофорина А
C-конец: Глн
Первичная структура своя у каждого белка и определяет все его свойства.
N-конец:
Лей

Белки с одной функцией у родственных видов имеют сходную I структуру
Количество отличий отражает время их дивергенции в эволюции
Молекулярная филогения
Эволюция белка р53 у позвоночных

Эволюция шаперонина-60 за ~1.5 млрд.лет
Растения и грибы
Животные
Простейшие
Бактерии
Найдите участки белка, эволюционирующие быстро и медленно

Сколько разных белков длиной в n мономеров можно построить из 20 а.к.?
20n
Средний белок: 300 а.к.
Длина большинства лежит в пределах 100 – 2 000 а.к.

Как из линейной структуры получается глобула?
Сворачивание
в несколько этапов:
уровни нашего изучения структуры белка
?
Первичная
Вторичная
Третичная
Четвертичная

I
II
III
IV

Вторичная структура – сворачивание за счет водородных связей между атомами основы цепочки. Одинакова у разных белков.
II

α спираль

β слой

В белках сочетаются разные типы вторичной структуры

Встречаемость в белках разных вторичных структур
28% – 35% 18% – 26% 40% – 50%
Нет II структуры

α-спирали
~ 30 %
β-слои
~ 20 %
Участки без вторичной структуры
~ 50 %

Лайнус Полинг
Открыл
α-спираль
в 1951

Итак, у нас есть цепочка с элементами II структуры

Третичная структура
Сворачивание за счет взаимодействий между радикалами аминокислот.
Уникальна
для каждого белка
полностью определяется первичной структурой
III

Третичную структуру формируют 4 типа связей между радикалами:
3. Ионные
–COO – +NH3–
–C=O - - - HO–
1. Ковалентная: S-S мостики (два цистеина)
И три слабых:
2. Гидрофобное притяжение
4. Водородные

Образование S-S связей между двумя остатками цистеина

Гидрофобное притяжение

Глобулярный белок
Фибриллярный белок
Глобула - шарик
Фибрилла - нить

Образование третичной структуры из элементов вторичной
Мотив
Домен

Доменная структура Src белка

Домен – часть белка
пространственно обособленная
сворачивается независимо
выполняет одну функцию В эволюции домены – функциональные блоки из которых строятся новые белки

Базовых типов доменов мало – не более 1 000
Holm and Sander. PROTEINS: Structure, Function, and Genetics 33:88–96 (1998)
Из них построено
все огромное многообразие белков всех организмов

Белки разных биологических видов с одной функцией – похожи
по пространственной форме
Хотя первичная последователь-ность может сильно отличаться

Транспортный белок железа – ферритин человека (зеленый) и лошади (голубой)

Четвертичная структура
Объединение двух и более (до 20) полипептидных цепочек в один белок.
Одна цепочка = субъединица
Четвертичную структуру имеют не все белки (меньше половины)
Связи – те же, что при формировании третичной.
IV

Четвертичная структура
IV
Разные цепочки – разным цветом

Домашнее задание
Уметь нарисовать аминокислоту и пептидную связь.
Знать, что такое I, II, III и IV структура
всё!

Английские обозначения аминокислот