Методическая разработка по теме Белки

Глава 2. БЕЛКИ

Белки- высокомолекулярные соединения (биополимеры), состоящие из -аминокислот, связанных между собой амидной (пептидной связью).

Белки делятся на две группы: простые (протеины) и сложные (протеиды). Протеины состоят только из аминокислот. В состав сложных белков, кроме аминокислот, входит вещество небелковой природы (простетическая группа) - нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды, металлы и т.д.

Различают четыре уровня организации белковых молекул, называемых первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурой белка.

Первичная структура определяется количеством и последовательностью аминокислотных остатков, образующих полипептидную цепь и даёт полное описание ковалентных связей в белке и локализацию дисульфидных мостиков, если таковые имеются.

Под вторичной структурой понимают пространственные расположения, т.е. конформацию соседних аминокислотных остатков в полипептидиной цепи. Она образуется в результате стерического взаимодействия расположенных вблизи друг от друга в линейной последовательности аминокислотных остатков. (В случае -кератина вторичная структура полипептидной цепи представляет собой -спираль).

Вторичная структура, в основном, существует в виде -спирали или -слоёв, которые могут быть параллельными или антипараллельными.

Третичная структура обусловлена стерическими взаимодействиями аминокислотных остатков, далеко отстоящих друг от друга в линейной последовательности. Если третичную структуру отнести только к глобулярным белкам, то ее можно охарактеризовать как способ свёртывания полипептидных цепей в компактную сферическую глобулу.

Третичная структура, как правило, представляет собой комбинацию виде -спиралей, -слоёв и не структурированного участков полипептидной цепи. На один виток -спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка. Длина одного остатка составляет 0,15нм. На неструктурированном (аморфном) участке на один аминокислотный остаток приходится 0,36нм.

Длина -спиральных участков в глобулярных белках относительно не велика и обычно составляет 5-15 аминокислотных остатков, редко превышая 3 - 4 оборота спирали. Иногда наблюдаются изломы -спирали, обычно в местах включения остатков пролина, прерывающих систему водородных связей.

В отличие от -спирали -структура стабилизируется взаимодействиями между соседними отрезками полипептидной цепи, т.е. несколько более удалёнными контактами. Эти отрезки могут быть направлены в одну сторону - параллельная -структура - или в противоположную - антипараллельная -структура.

Число аминокислотных остатков в отрезке полипептидной цепи, образующим -структуру варьирует от 3 до 8. Чаще всего -структура, назывемая также -слой или -складчатый лист состоит из 2-6 цепей, иногда их число достигает 10.

Стабильность третичной структуры зависит от системы нековалентных взаимодействий внутри белковой глобулы. Некоторые белки дополнительно стабилизируются ковалентными - дисульфидными связями.

Третичная структура - основа функциональности белка. Для многих белков третичная структура эквивалентна полной пространственной структуре.

В третичной структуре имеются образования, называемые доменами, которым свойственна определённая автономия структурной организации. домены составляют подуровень структурной организации белка на пути от вторичной к третичной структуре. Они обычно состоят из отрезков полипептидной цепи, содержащих от 50 до 350 аминокислот.

Четвертичная структура характерна только для белков, содержащих несколько полипептидных цепей (олигомерные белки). Под ней подразумевают способ укладки цепей относительно друг друга. Стабилизация четвертичной структуры обусловлена качественно теми же нековалентными взаимодействиями, от которых зависит и устойчивость третичной структуры. Различие носит количественный характер: Как правило, третичная структура значительно прочнее четвертичной, поэтому при воздействии факторов, нарушающих нековалентные связи, четвертичная структура обычно утрачивается первой, диссоциируя на сохраниышие нативность субъудиницы. Относительно меньшая стабильность четвертичной структуры даёт большие премущества при использовании её изменений как факторов регуляции функциональных белков.

По форме белки делят на две большие группы: глобулярные и фибрилярные.

Глобулярные белки (от латинского globulus - шарики) имеют округлую, элипсовидную или близкую к ним форму.

Фибрилярные белки (от латинского fibrilla - волокно) состоят из вытянутых нитевидных волокон. У фибрилярных белков третичная структуране выражена.

По физико-химическим свойствам белки классифицируют на простые (протеины) и сложные (протеиды). Простыми называют такие белки, которые при гидролизе дают только аминокислоты. Сложные белки при гидролизе наряду с аминокислотами дают вещества небелковой природы (углеводы, липиды, фосфорную кислоту, нуклеиновые кислоты и др.). Небелковый компонент сложных белков получил название простетической группы (от греческого - прибавляю).

Классификация белков по форме, а также на простые и сложные условна.

Большинство природных белков имеют кислый характер (альбумины, глобулины) и в водном растворе заряжены отрицательно. Основные белки (гистоны, проламины), содержащие в значительном количестве лизин и аргинин, в водном растворе несут положительный заряд.

Количество белка, синтезируемого ежедневно в организме человека составляет около 300 грамм.

Для закрепления данной темы предлагается выполнение следующих заданий:

Пример 1. Молекула белка имеет длину 150нм. Степень её α-спирализации составляет 10%. Остальная часть молкулы не структурирована. Определите относительную молекулярную массу (М_r).

Решение:

1. Определим длину α-спирализованного и не структурированного участков.

L _{α-спирал.уч-ка} = 150нм · 0,1 = 15нм . L _{не структур.} =150нм -15нм = 135нм.

2. Исходя из того, что в α - спиральной части один аминокислотный остаток имеет длину ~0,15нм, а в неструктурированной ~0,36нм. Вычислим общее количество аминокислот молекулы белка:

N_{1 α-спирал.уч-ка} = 150нм /0,15нм =100; N_{2 не структур. уч-ка}= 135нм/0,36нм =

=375. N₁ + N₂ = 100+375=475.

3. Примем среднюю М_r одной аминокислоты равной 110. Значит

М_rмолекулы белка =475·110 =52250.

Пример 2. М_r белка равна 220 кДа. Рассчитайте (нм; мкм; мм) длину этой молекулы, если она полностью спирализована.

Решение:

1. Рассчитаем число аминокислотных остатков в молекуле белка:

220 000/110= 2000.

2. Вычислим длину молекулы: 2000·0,15нм =300 нм.

Пример 3. Молекулярная масса белка составляет 200кДа. Рассчитайте её массу в граммах.

Решение: Исходя из того, что 1Да = 1а.е.м. = ~1,67 ·10^-24 г, находим 2,0·10⁵ Да · 1,67 ·10 ^-24 = ~ 3,32· 10 ^-19 г.

Пример 4. Выведите эмпирическую и молекулярную формулу дипептида, если содержание валина в пептиде составляет 2,34г, серина - 4,2г. М_r пептида составляет примерно 654.

1. Рассчитаем молярное соотношение аминокислот в пептиде, учитывая что М_r валина 117, а М_r серина 105: Val:Ser = 2,34/117 : 4,2/105 =0,02:0,04 = 1:2. Значит эмпирическая формула дипептида Val - Ser₂.

2. Для нахождения молекулярной формулы пептида необходимо определить М_r эмпирической, которая будет составлять 117 (105·2) = 327. Определим число, на которое необходимо умножить индексы эмпирической формулы: 654/327=2. Значит молекулярная формула (Val-Ser₂)·2 = Val₂ - Ser₄.

1. Перечислите химические связи, участвующие в образовании молекулы белка.

2. Назовите уровни пространственной организации белка. Дайте определение каждому из них.

3. Из каких аминокислот преимущественно формируется гидрофобное ядро белковой молекулы? Почему?

4. Какие процессы происходят при денатурации и ренатурации белка?

5. На каком уровне структурной организации белков формируется активный центр белка?

6. Назовите основные функции белков в клетке.

7. Какие признаки лежат в основе классификации белков.

8. Цитохром С - митохондриальный белок, участвующий в переносе электронов в процессах биологического окисления. Изучены аминокислотные последовательности белка более чем у 100 видов. Количество аминокислотных замен по сравнению с цитохромом человека (цитохром содержит 104 аминокислоты) у шимпанзе, кенгуру, змеи и пшеницы - 0; 10; 14 и 35 соответственно. Какие общие закономерности функции белков подтверждаются этими данными?

9. По данным рентгеноструктурного анализа миоглобина и других одноцепочных глобулярных белков небольших размеров был сделан ряд обобщений, касающих укладки полипептидных цепей растворимых белков. Изходя из этих обобщений, укажите наиболее вероятное расположение внутри или на поверхности молекулы нативного глобулярного белка) аминокислотных остатков аспарагиновой и глутаминовой кислот, лейцина, серина, валина, и лизина. Поясните свой ответ.

10. В молекулах целого ряда природных белков содержится большое число остатков цистина. При этом наблюдается корреляция между механическими свойствами белков (прочностью на разрыв, вязкостью твёрдостью и т.д.) и содержанием цистина. Например, глутенин (богатый цистином белок пшеницы) определяет вязкость и эластичность теста, приготовленного из пшеничной муки. Точно также твёрдый и прочный панцирь черепахи обязан этими свойствами высокому содержанию цистина в - кератине, из которого он состоит. Какова молекулярная основа наблюдаемой корреляции между содержанием цистина и механическими свойствами белка.

11. Гистоны -это белки, содержащиеся в ядрах эукариотических клеток. Они прочно связаны с ДНК, которая содержит много фосфатных групп. Изоэлектрическая точка гистонов очень высока (около 10,8). Какие аминокислотные остатки должны присутствовать в гистонах в относительно больших количествах? Каким образом эти остатки обеспечивают прочное связывание гистонов с ДНК?

12. Первоначально было установлено, что гемоглобин содержит 0,34 % железа. Исходя из этой информации, определите минимальную молекулярную массу гемоглобина. Последующие эксперименты показали, что истинная молекулярная масса гемоглобина равна 64500. Какую информацию отсюда можно извлечь о числе атомов железа в гемоглобине. (а-16400; б-4).

13. Массовая концентрация лейцина и изолейцина в рибонуклеазе составляет 1,65 и 2,48% соответственно. Рассчитайте её минимальную молекулярную массу. (13800).

14. Белок содержит 0,58% триптофана. Чему равна минимальная относительная молекулярная масса этого белка? (35172).

15. Белок содержит 0,8% цистеина. Вычислите минимальную относительную массу этого белка.? (15125).

16. Рассчитайте концентрацию меди (в%) в гемоциане-медьсодержащем белке крови омара, если известно, что М_г=780 тыс. и на одну молекулу приходится 20 атомов меди. (16%).

17. По данным гель-фильтрации молекулярная масса сывороточного альбумина быка составляет приблизительно 70тыс. В белке содержится 0,58% (по весу) триптофана, молекулярная масса которого равна 204.

18. Сколько остатков триптофана присутствует в молекуле сывороточного альбумина? (2).

19. Вычислите длину (в нм) полипептидной цепи , содержащей 105 аминокислотных остатков, если а) цепь целиком представлена в виде α- спирали; б) цепь полностью вытянута. (а-15,75нм; б-37,8нм).

Рассчитайте длину молекулы белка массой 110 кДа, если она: а) не содержит спирализованных участков; б) Полностью спирализована (а-360 нм; б-150нм).

20. В клетке кишечной палочки содержится 10⁶ молекул белка со средней молекулярной массой каждой молекулы, равной 40тыс. (М_r аминокислоты =115). Вычислите длину всех полипептидных цепей, находящихся в одной клетке кишечной палочки, если полипептидные цепи имеют α-спиральную конфигурацию. (5,2см).

21. Мышечный белок тропомидин представляет собой суперспираль состоящую из двух α-спирализованных тяжей. масса этого белка -70кДа. Раассчитайте длину молекулы.(47,7нм).

22. Длина молекулы белка 105 нм. Из них 15нм приходится на α-спираль. Рассчитайте относительную молекулярную массу белка (М_r) этого белка и степень его спирализации. (М_r=38500; степень спирализации 14,3 %).

23. Длина белковой молекулы составляет 150 нм, на α-спиральный участок приходится 10%. Рассчитайте относительную молекулярную массу (М_r) молекулы. (52250).

24. Длина альфа - спирального участка белковой молекулы составляет 15нм. Рассчитайте относительную молекулярную массу (М_r) молекулы, если степень спирализации 8%. (63690).

25.В клетке E. coli имеется около 25 тыс. рибосом. Подсчитайте сколько раз можно было бы обернуть клетку цепью, которая образуется, если полностью растянуть полипептидные цепи структурных белков этих рибосом и соединить их концы. Диаметр рибосом 18нм, ρ=1г/см³, содержание белка в рибосоме 40%. Клетка представляет собой шар d=1мкм. (1750раз).

26. Гистоны представляют собой небольшие основные белки, связывающиеся с ДНК в хроматине. Они содержат относительно много положительно заряженных аминокислот, радикалы которых взаимодействуют с отрицательно заряженными остататками фосфорной кислоты в ДНК. Предположите, какие диаминокарбоновые кислоты входят в состав молекул гистонов?