يتم تحديد الخصائص الأصلية للبروتين من خلال هيكله. الهيكل الثالث. الأسس النظرية للدرس

تم إثبات وجود 4 مستويات من التنظيم الهيكلي لجزيء البروتين.

هيكل البروتين الأساسي- تسلسل موقع بقايا الأحماض الأمينية في سلسلة البولي ببتيد. في البروتينات ، ترتبط الأحماض الأمينية الفردية ببعضها البعض السندات الببتيدالناشئة عن تفاعل مجموعة الكربوكسيل و a-amino من الأحماض الأمينية.

حتى الآن ، تم فك شفرة الهيكل الأساسي لعشرات الآلاف من البروتينات المختلفة. لتحديد التركيب الأساسي للبروتين ، يتم تحديد تكوين الأحماض الأمينية بواسطة طرق التحلل المائي. ثم يتم تحديد الطبيعة الكيميائية للأحماض الأمينية النهائية. الخطوة التالية هي تحديد تسلسل الأحماض الأمينية في سلسلة البولي ببتيد. لهذا ، يتم استخدام التحلل المائي الجزئي الانتقائي (الكيميائي والإنزيمي). من الممكن استخدام التحليل الإنشائي للأشعة السينية ، بالإضافة إلى بيانات عن تسلسل النوكليوتيدات التكميلية للحمض النووي.

هيكل البروتين الثانوي- تكوين سلسلة البولي ببتيد ، أي طريقة لتعبئة سلسلة عديد الببتيد في شكل محدد. لا تتم هذه العملية بشكل عشوائي ، ولكن وفقًا للبرنامج المنصوص عليه في الهيكل الأساسي.

يتم توفير استقرار الهيكل الثانوي بشكل أساسي من خلال روابط الهيدروجين ، ومع ذلك ، يتم تقديم مساهمة معينة من خلال الروابط التساهمية - الببتيد وثاني كبريتيد.

يعتبر النوع الأكثر احتمالا لبنية البروتينات الكروية الحلزون... يحدث التواء سلسلة البولي ببتيد في اتجاه عقارب الساعة. يتميز كل بروتين بدرجة معينة من الالتفاف. إذا تم تصاعد سلاسل الهيموغلوبين بنسبة 75٪ ، فإن البيبسين يكون 30٪ فقط.

يسمى نوع تكوين سلاسل البولي ببتيد الموجودة في بروتينات الشعر والحرير والعضلات ب- الهياكل... يتم ترتيب أجزاء سلسلة الببتيد في طبقة واحدة ، وتشكل شكلًا مشابهًا للورقة المطوية في الأكورديون. يمكن تشكيل الطبقة من اثنين أو كمية كبيرةسلاسل الببتيد.

في الطبيعة ، هناك بروتينات لا تتوافق بنيتها مع β- أو هيكل ، على سبيل المثال ، الكولاجين ، وهو بروتين ليفي يشكل الجزء الأكبر من النسيج الضام في البشر والحيوانات.

هيكل البروتين الثلاثي- الاتجاه المكاني للحلزون متعدد الببتيد أو طريقة طي سلسلة البولي ببتيد في حجم معين. البروتين الأول ، الذي تم توضيح البنية الثلاثية له من خلال التحليل البنيوي للأشعة السينية ، هو الميوجلوبين لحوت العنبر (الشكل 2).

في تثبيت البنية المكانية للبروتينات ، بالإضافة إلى الروابط التساهمية ، يتم لعب الدور الرئيسي من خلال الروابط غير التساهمية (الهيدروجين ، التفاعلات الكهروستاتيكية للمجموعات المشحونة ، قوى فان دير فال بين الجزيئية ، التفاعلات الكارهة للماء ، إلخ).

وفقًا للمفاهيم الحديثة ، فإن البنية الثلاثية للبروتين ، بعد الانتهاء من تركيبه ، تتشكل تلقائيًا. أساسي القوة الدافعةهو تفاعل جذور الأحماض الأمينية مع جزيئات الماء. في هذه الحالة ، يتم غمر جذور الأحماض الأمينية غير القطبية الكارهة للماء داخل جزيء البروتين ، ويتم توجيه الجذور القطبية نحو الماء. تسمى عملية تكوين الهيكل المكاني الأصلي لسلسلة البولي ببتيد قابلة للطي... يتم عزل البروتينات من الخلايا تسمى المرافقون.يشاركون في الطي. تم وصف عدد من الأمراض البشرية الوراثية ، والتي يرتبط تطورها بانتهاك بسبب الطفرات في عملية الطي (تصبغ ، تليف ، إلخ).

تم إثبات وجود مستويات التنظيم الهيكلي لجزيء البروتين ، الوسيط بين الهياكل الثانوية والثالثية ، من خلال طرق التحليل الإنشائي للأشعة السينية. اختصاصهو كروي مدمج الوحدة الهيكليةداخل سلسلة عديد الببتيد (الشكل 3). تم اكتشاف العديد من البروتينات (على سبيل المثال ، الغلوبولين المناعي) التي تتكون من مجالات ذات بنية ووظيفة مختلفة ، مشفرة بواسطة جينات مختلفة.

كل شئ الخصائص البيولوجيةترتبط البروتينات بالحفاظ على هيكلها العالي ، وهو ما يسمى محلي... إن كرية البروتين ليست هيكلًا جامدًا تمامًا: يمكن إجراء حركات عكسية لأجزاء من سلسلة الببتيد. هذه التغييرات لا تنتهك التكوين العام للجزيء. يتأثر تشكيل جزيء البروتين برقم هيدروجيني للوسط ، والقوة الأيونية للمحلول ، والتفاعل مع المواد الأخرى. أي تأثيرات تؤدي إلى انتهاك التكوين الأصلي للجزيء تكون مصحوبة بفقدان جزئي أو كامل للبروتين لخصائصه البيولوجية.

هيكل البروتين الرباعي- طريقة لوضع سلاسل البولي ببتيد الفردية في الفضاء ، والتي لها نفس البنية الأولية أو الثانوية أو الثالثة أو مختلفة ، وتشكيل تكوين جزيئي واحد من الناحية الهيكلية والوظيفية.

يسمى جزيء البروتين المكون من عدة سلاسل متعددة الببتيد أوليغومر، وكل سلسلة متضمنة فيه - البروتومتر... غالبًا ما تُبنى البروتينات قليلة القسيمات من عدد زوجي من البروتومرات ، على سبيل المثال ، يتكون جزيء الهيموجلوبين من سلسلتين من عديد الببتيد a و b (الشكل 4).

حوالي 5٪ من البروتينات ، بما في ذلك الهيموجلوبين والغلوبولين المناعي ، لها بنية رباعية. تتميز بنية الوحدة الفرعية بالعديد من الإنزيمات.

تتشكل جزيئات البروتين التي تشكل بروتينًا بهيكل رباعي على الريبوسومات بشكل منفصل وفقط بعد نهاية التوليف تشكل بنية فوق الجزيئية مشتركة. يكتسب البروتين نشاطًا بيولوجيًا فقط عند الجمع بين البروتومرات المكونة له. تشارك نفس أنواع التفاعلات في تثبيت الهيكل الرباعي كما هو الحال في تثبيت المستوى الثالث.

يعترف بعض الباحثين بوجود مستوى خامس من التنظيم الهيكلي للبروتينات. هذه الأيض -مجمعات جزيئية متعددة الوظائف من إنزيمات مختلفة تحفز المسار الكامل لتحولات الركيزة (synthetase من الأحماض الدهنية العالية ، مركب نازعة هيدروجين البيروفات ، سلسلة الجهاز التنفسي).

تحدد رابطة الببتيد العمود الفقري (سلسلة التلال) للبنية الأولية لجزيء البروتين وتعطيه الصلابة.

الأسس النظرية للدرس

هيكل جزيء البروتين

الغرض من الدرس:لدراسة أنواع التنظيم الجزيئي لجزيئات البروتين.

الهيكل الأساسي للبروتينات- تسلسل الأحماض الأمينية في سلسلة البولي ببتيد (أو السلاسل) وموضع روابط ثاني كبريتيد (إن وجدت).

يتم تثبيت الهيكل الأساسي عن طريق الروابط التساهمية: الببتيد ، وفي بعض الببتيدات وثاني كبريتيد.

تدمير الروابط التساهمية للبنية الأولية - التحلل المائي: 1) الحمضية - في 6 ن. HCl ، 100-110 0 درجة مئوية ، 24 ساعة ؛ 2) الأنزيمية - بمساعدة الإنزيمات المحللة للبروتين في المعدة عند درجة الحموضة 1.5-5.0 - البيبسين ؛ التربسين ، كيموتريبسين ، كاربوكسي ببتيداز - في الاثني عشر. dipeptidases و tripeptidases و aminopeptidases - في الأمعاء الدقيقة ، عند درجة الحموضة 8.6.

توصيف رابطة الببتيد... رابطة الببتيد مسطحة (متحد المستوى). السندات C-Nيشبه الرابطة المزدوجة (الدوران مستحيل) بسبب p ، π - الاقتران (اقتران زوج حر من إلكترونات الذرة مع إلكترونات π لرابطة مزدوجة C = O).

تسلسل الأحماض الأمينية في التركيب الأساسي للبروتين هو خصائص أنواع معينة من هذا البروتين.

الهيكل الأساسي للبروتين تم تحديدها وراثيًا واستنساخها في عمليات النسخ والترجمة.

الهيكل الأساسي للبروتين هو أساسي لتشكيل هياكل البروتين اللاحقةبسبب تفاعل جذور بقايا الأحماض الأمينية في سلسلة البولي ببتيد.

· استبدال حمض أميني من سلسلة L بحمض أميني من سلسلة D أو استبدال حمض أميني L بأخرى يمكن أن يؤدي إلى اختفاء كامل للنشاط البيولوجي للببتيد.

الببتيدات النشطة فسيولوجياتحتوي على من 3 إلى 100 من بقايا الأحماض الأمينية (MW أقل من 6000 Da). على عكس البروتينات ، يمكن أن تحتوي عديد الببتيدات على أحماض أمينية غير بروتينية أو أحماض أمينية معدلة. أمثلة:

1. يتسبب البراديكينين والكاليدن في استرخاء العضلات الملساء وهما نتاج تحلل البروتينات الخاصة بـ 2 -جلوبيولين في البلازما ، لذلك تحتوي هذه الببتيدات على أحماض أمينية بروتينية فقط:

براديكينين: أرج-برو-برو-جلي-فين-سير-برو-فين-أرج ؛

كاليدين: ليز-أرج-مؤيد-مؤيد-جلي-فين-سير-برو-فين-أرج.

2. يوجد الجلوتاثيون (γ-glu-cis-gly) في جميع الخلايا. وهو ضروري لنقل الأحماض الأمينية عبر الأغشية لعمل عدد من الإنزيمات. يحتفظ بروابط ثاني كبريتيد ، ويحتوي على رابطة ببتيد غير نمطية عندما يرتبط الجلوتامات بالسيستين وليس من خلال مجموعة α-amino.

تعدد أشكال البروتين- هذا هو وجود نفس البروتين في عدة أشكال جزيئية تختلف في البنية الأولية والفيزيائية الخواص الكيميائيةومظاهر النشاط البيولوجي.

أسباب تعدد أشكال البروتين هي إعادة التركيب الجيني والطفرات. البروتينات المتساوية هي أشكال جزيئية متعددة من البروتين الموجود داخل الكائنات الحية من نفس البروتين الأنواع البيولوجيةنتيجة لوجود أكثر من جين هيكلي واحد في مجموعة الجينات لأحد الأنواع. يمكن تقديم جينات متعددة على أنها أليلات متعددة أو كمواقع جينية متعددة.

أمثلة على تعدد أشكال البروتين.

1. تعدد أشكال البروتين في التطور - وجود بروتينات متماثلة في الأنواع المختلفة. في هذه البروتينات ، تظل مناطق الهيكل الأساسي المسؤولة عن وظيفتها محفوظة (دون تغيير). لتعويض البروتينات المفقودة في جسم الإنسان ، يتم استخدام البروتينات المتماثلة للحيوانات ، والتي يوجد في التركيب الأساسي لها اختلافات طفيفة (الأنسولين من الأبقار ، والخنازير ، وحوت العنبر).

2. تعدد أشكال البروتينات في عملية التكوُّن - وجود بروتينات متماثلة في أجزاء مختلفة من دورة حياة الكائن الحي. الجنين لديه الهيموغلوبين F (الهيموغلوبين الجنيني ، α 2 γ 2 ، لديه تقارب كبير للأكسجين). بعد الولادة ، يتم استبداله بالهيموجلوبين A1 (أ 2 ب 2).

3. تعدد أشكال البروتينات. يحفز الإنزيم نفسه الموجود في الخلايا المختلفة نفس التفاعل ، لكن له اختلافات في البنية الأولية - الإنزيمات. يساعد تحديد الإنزيمات المتشابهة في الدم على تشخيص تلف أنسجة معينة.

4. تعدد أشكال البروتين في علم الأمراض. تأمل في مثال الأشكال المتعددة للطفرات الموروثة. في هذه الحالة ، يحدث غالبًا استبدال حمض أميني حمضي بحمض أميني أساسي أو محايد:

في HbC ، استبدال glu 6 في السلسلة بالتحلل ؛

في HbE ، استبدال Glu 26 في سلسلة بالتحلل ؛

في HbI ، استبدال lys 16 في سلسلة β بـ asp ؛

في HbS ، استبدال glo 6 في السلسلة بعمود.

في الحالة الأخيرة ، يحدث مرض مثل فقر الدم المنجلي. يختلف الهيموجلوبين غير الطبيعي عن الطبيعي في كمية الشحنة والتنقل الكهربائي. التغيرات الفيزيائية والكيميائية في الهيموجلوبين مصحوبة بضعف في نقل الأكسجين.

هيكل البروتين الثانوي- التنظيم المنتظم لسلسلة البولي ببتيد ، المستقرة بواسطة روابط هيدروجينية. تتشكل روابط الهيدروجين بين مجموعات NH و CO من روابط الببتيد. يميز بين الشكل الحلزوني والبني والتشكيل المضطرب (الملف).

أ- لولبية. يكون التواء سلسلة البولي ببتيد في اتجاه عقارب الساعة (حلزوني في اليد اليمنى) ، ويرجع ذلك إلى بنية الأحماض الأمينية L. هناك 3.6 بقايا الأحماض الأمينية لكل منعطف (خطوة) من اللولب. تبلغ درجة اللولب 0.54 نانومتر ، وهناك 0.15 نانومتر لبقايا حمض أميني واحد. قياس الزاوية الحلزونية 26 0. كل 5 لفات من اللولب (18 بقايا من الأحماض الأمينية) ، يتكرر هيكل سلسلة البولي ببتيد. الروابط الهيدروجينية موازية لمحور اللولب وتنشأ بين كل بقايا أول وكل خامس من بقايا الأحماض الأمينية. يتم منع تكوين الحلزون بواسطة البرولين والأحماض الأمينية ذات الجذور الضخمة والمشحونة.

Β- الهيكل. في البروتينات الليفية ، ترتبط اثنتان أو أكثر من سلاسل البولي ببتيد الخطية بإحكام بواسطة روابط هيدروجينية عمودية على محور الجزيء (طبقة ب مطوية). إذا تم توصيل سلسلتين متعدد الببتيد يعملان في نفس الاتجاه من الطرف N إلى الطرف C بواسطة روابط هيدروجينية بين السلسلة ، فهذا هيكل متوازي β. إذا كان الطرفان N و C من السلاسل متعاكسين ، فهذا هيكل ب مضاد للتوازي. إذا كانت سلسلة البولي ببتيد واحدة تنحني وتعمل بالتوازي مع نفسها ، فهذا هو هيكل متقاطع β مضاد للتوازي. يتم تحديد نقاط ثني السلسلة بواسطة pro، gli، asn-b-bend.

التشكل المضطرب. تسمى مناطق جزيء البروتين التي لا تنتمي إلى هياكل حلزونية أو مطوية بأنها غير مرتبة. في التمثيل الرسومي ، تُصوَّر المقاطع الحلزونية على شكل أسطوانة ، وهياكل مطوية - مع سهم. يتميز مفهوم الهيكل فوق الثانوي ، وهو تناوب منتظم لأقسام حلزونية وهياكل ب.

الهيكل الثالث- تشكيل سلسلة البولي ببتيد ككل (أي الموقع في الفضاء ثلاثي الأبعاد). يتم تثبيت البنية الثلاثية عن طريق الروابط والتفاعلات بين جذور بقايا الأحماض الأمينية في سلسلة البولي ببتيد: الروابط التساهمية - ثاني كبريتيد ، وكذلك الروابط الهيدروجينية والأيونية والتفاعلات الكارهة للماء. أنواع البروتينات ذات البنية الثلاثية:

البروتينات ، التي تهيمن عليها المناطق الحلزونية ، لها شكل كريات (بروتينات كروية) وتؤدي وظائف ديناميكية;

البروتينات ، التي تسود فيها هياكل الطبقة b المطوية ، لها شكل خيطي (بروتينات ليفية) وتؤدي وظائف هيكلية ؛

الكولاجين هو البروتين الأكثر انتشارًا في عالم الحيوان (ما يصل إلى 25٪ من جميع بروتينات الجسم) ، وله بنية خاصة. يتكون جزيء الكولاجين (تروبوكولاجين) من ثلاث سلاسل متعددة الببتيد. تحتوي كل سلسلة بولي ببتيد على حوالي 1000 من بقايا الأحماض الأمينية (35٪ جلايسين ، 21٪ برولين وهيدروكسي برولين ، 11٪ ألانين). تحتوي كل سلسلة بولي ببتيد على شكل حلزوني محكم (3 بقايا من الأحماض الأمينية لكل دورة). في جزيء التروبوكولاجين ، تتشابك جميع الحلزونات الثلاثة مع بعضها البعض ، وتشكل حزمة. تتشكل الروابط الهيدروجينية بين الحلزونات بسبب مجموعات الببتيد. يوفر هذا الهيكل قوة ألياف الكولاجين.

هيكل البروتين الأصلي.

تحتوي العديد من البروتينات في البنية الثلاثية على مقاطع ملفوفة ومطوية وغير منظمة. في نفس الوقت ، من الناحية الوظيفية والهيكلية ، من المهم الترتيب المتبادلجذور الأحماض الأمينية. يتم استخدام المصطلحات التالية:

المجالات – المناطق المميزة تشريحياً للبنية الثلاثية للبروتين المسؤول عن أداء وظيفة محددة للبروتين;

جيوب مسعورة – تجاويف في البنية الثلاثية ، مبطنة بجذور الأحماض الأمينية الكارهة للماء ؛ تعمل على غمر الروابط الكارهة للماء في جزيء بروتين ؛

مجموعات كارهة للماء – مناطق سطح البروتين حيث تتركز جذور الأحماض الأمينية الكارهة للماء ؛ تعمل على التفاعل مع مجموعات كارهة للماء من الجزيئات الأخرى.

لأداء وظيفة ، يجب أن يكون للبروتين بنية محددة وغالباً ما تكون من الدرجة الثالثة (التشكل) - هيكل أصلي.

وهو ناتج عن تفاعل بقايا الأحماض الأمينية البعيدة عن بعضها البعض في تسلسل خطي. عوامل الصيانة:

روابط هيدروجينية

تفاعلات كارهة للماء (ضرورية لبنية البروتين ووظائفه البيولوجية)

جسور ثاني كبريتيد وملح

السندات الأيونية وسندات فان دير فال.

في معظم البروتينات ، يحتوي سطح الجزيئات على بقايا جذور الأحماض الأمينية ذات الخصائص المحبة للماء. HC - الجذور الكارهة للماء وتقع داخل الجزيئات. هذا التوزيع مهم في تكوين التركيب الأصلي وخصائص البروتين.

نتيجة لذلك ، تحتوي البروتينات على غلاف ترطيب ، ويعزى استقرار البنية الثلاثية إلى حد كبير إلى التفاعلات الكارهة للماء. على سبيل المثال ، 25-30٪ من بقايا الأحماض الأمينية في جزيئات الجلوبيولين قد كشفت عن جذور كارهة للماء ، 45-50٪ تحتوي على مجموعات جذور أيونية وقطبية.

تتميز السلاسل الجانبية لبقايا الأحماض الأمينية المسؤولة عن بنية البروتينات بالحجم والشكل والشحنة والقدرة على تكوين روابط هيدروجينية ، فضلاً عن التفاعل الكيميائي:

سلاسل جانبية أليفاتية مثل فالين ، ألانين. هذه البقايا هي التي تشكل تفاعلات كارهة للماء.

الأليفاتية الهيدروكسيلية (سلسلة ، ثريونين). وتشارك بقايا الأحماض الأمينية في تكوين الروابط الهيدروجينية ، وكذلك الاسترات ، على سبيل المثال ، مع حمض الكبريتيك.

العطرية - هذه هي بقايا فينيل ألانين ، التيروزين ، التربتوفان.

بقايا الأحماض الأمينية ذات الخصائص الأساسية (ليسين ، أرجينين ، هيستيدين). إن غلبة هذه الأحماض الأمينية في سلسلة البولي ببتيد تعطي البروتينات الخصائص الأساسية.

بقايا ذات خصائص حمضية (أحماض الأسبارتيك والغلوتاميك)

أميد (أسباراجين ، جلوتامين)

تحتوي البروتينات التي تحتوي على العديد من سلاسل عديد الببتيد على هيكل رباعي. يشير هذا إلى الطريقة التي يتم بها وضع السلاسل فيما يتعلق ببعضها البعض. تسمى هذه الإنزيمات بالوحدات الفرعية. في الوقت الحالي ، من المعتاد استخدام مصطلح "المجال" ، والذي يشير إلى وحدة كروية مدمجة لجزيء البروتين. تتكون العديد من البروتينات من عدة وحدات كتلتها من 10 إلى 20 كيلو دالتون. في البروتينات ذات الوزن الجزيئي العالي ، ترتبط المجالات الفردية بمناطق مرنة نسبيًا من PCP. في جسم الحيوانات والبشر ، توجد حتى تنظيمات هيكلية أكثر تعقيدًا للبروتينات ، ومثال على ذلك يمكن أن يكون أنظمة متعددة الإنزيمات ، على وجه الخصوص ، مركب بيروفات ديكاربوكسيلاز.

مفهوم البروتين الأصلي

عند بعض قيم الأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة ، يكون للفينول الخماسي الكلور شكل واحد فقط ، يُسمى أصليًا ويؤدي فيه البروتين الموجود في الجسم وظيفته المحددة. دائمًا تقريبًا ، يسود هذا التشكل الفردي بقوة على عشرات ومئات من المتغيرات من المطابقات الأخرى.

تصنيف. الخصائص البيولوجية والكيميائية للبروتينات

لا يوجد تصنيف مرضٍ للبروتينات ، يتم تصنيفها تقليديًا وفقًا لتركيبها المكاني ، وقابليتها للذوبان ، والوظائف البيولوجية ، والخصائص الفيزيائية والكيميائية وغيرها من الخصائص.

1- من حيث تركيب وشكل الجزيئات ، تنقسم البروتينات إلى:

كروي (كروي)

ليفي (خيطي)

2- ينقسم التركيب الكيميائي إلى:

البساطة التي تتكون فقط من بقايا الأحماض الأمينية

معقدة ، فهي تحتوي على مركبات غير بروتينية في الجزيء. يعتمد تصنيف البروتينات المعقدة على الطبيعة الكيميائية للمكونات غير البروتينية.

أحد أنواع التصنيف الرئيسية:

Z. حسب الوظائف البيولوجية المؤداة:

التحفيز الأنزيمي. في الأنظمة البيولوجية ، يتم تحفيز جميع التفاعلات الكيميائية بواسطة بروتينات محددة ، إنزيمات. أكثر من 2000 معروف

الانزيمات. الإنزيمات عبارة عن محفزات حيوية قوية تعمل على تسريع التفاعل مليون مرة على الأقل.

النقل والتراكم

غالبًا ما يتم نقل العديد من الجزيئات الصغيرة والأيونات المختلفة بواسطة بروتينات معينة ، على سبيل المثال ، الهيموجلوبين ، الميوغلوبين ، التي تحمل الأكسجين. مثال على التراكم: يتراكم الفيريتين في الكبد.

حركة منسقة. البروتينات هي المكون الرئيسي للعضلات الانقباضية (ألياف الأكتين والميوسين). الحركة على المستوى المجهري هي فصل الكروموسومات أثناء الانقسام ، حركة الحيوانات المنوية بسبب السوط.

دعم ميكانيكي. تعود المرونة العالية للجلد والعظام إلى وجود بروتين ليفي - الكولاجين.

حماية المناعة. الأجسام المضادة هي بروتينات عالية النوعية يمكنها التعرف على الفيروسات والبكتيريا وخلايا الكائنات الحية الأخرى وربطها بها.

توليد ونقل النبضات. تتوسط بروتينات المستقبلات استجابة الخلايا العصبية للنبضات

تنظيم النمو والتمايز. التنظيم الصارم لتسلسل التعبير عن المعلومات الجينية ضروري لنمو تمايز الخلايا. في أي وقت خلال حياة الكائن الحي ، يتم التعبير عن جزء صغير فقط من جينوم الخلية. على سبيل المثال ، تحت تأثير مركب بروتيني معين ، تتشكل شبكة من الخلايا العصبية في الكائنات الحية الأعلى.

تشمل الوظائف الأخرى للببتيدات والبروتينات الهرمونية. بعد أن تعلم البشر تصنيع الببتيدات الهرمونية ، بدأوا في الحصول على أهمية طبية حيوية للغاية. الببتيدات هي مضادات حيوية مختلفة مثل فالينومايسين ، مضادات الأورام. بالإضافة إلى ذلك ، تؤدي البروتينات وظائف الحماية الميكانيكية (كيراتين الشعر أو التكوينات المخاطية التي تبطن الجهاز الهضمي أو تجويف الفم).

المظهر الرئيسي لوجود أي كائنات حية هو التكاثر من نوعها. في النهاية ، المعلومات الوراثية هي ترميز تسلسل الأحماض الأمينية لجميع البروتينات في الجسم. تؤثر سموم البروتين على صحة الإنسان.

يُقاس الوزن الجزيئي للبروتينات بوحدة الدالتون (Da) - وهي وحدة كتلة تساوي تقريبًا كتلة الهيدروجين (-1000). تم إدخال المصطلحين دالتون والوزن الجزيئي بالتبادل. يتراوح معدل السيد لمعظم البروتينات من 10 إلى 100000.

أرز. 3.9 التركيب الثالثي للاكتوجلوبولين - بروتين a / p نموذجي (وفقًا لـ PDB-200I) (Brownlow ، S. ، Marais Cabral ، JH ، Cooper ، R. ، Flower ، DR ، Yewdall ، SJ ، Polikarpov ، I. ، North ، أي سي ، سوير ، إل: الهيكل ، 5 ، ص 481. 1997)

لا يعتمد التركيب المكاني على طول سلسلة البولي ببتيد ، ولكن على تسلسل بقايا الأحماض الأمينية الخاصة بكل بروتين ، وكذلك على الجذور الجانبية المميزة للأحماض الأمينية المقابلة. يتكون الهيكل المكاني ثلاثي الأبعاد أو تشكيل جزيئات البروتين الكبيرة بشكل أساسي من الروابط الهيدروجينية ، بالإضافة إلى التفاعلات الكارهة للماء بين الجذور الجانبية غير القطبية للأحماض الأمينية. تلعب الروابط الهيدروجينية دورًا كبيرًا في تكوين وصيانة البنية المكانية لجزيء البروتين. تتكون رابطة هيدروجينية بين ذرتين كهربائيتين عبر بروتون هيدروجين مرتبط تساهميًا بإحدى هذه الذرات. عندما يشارك إلكترون واحد من ذرة الهيدروجين في تكوين زوج إلكترون ، ينجذب البروتون بواسطة ذرة مجاورة ، مكونًا رابطة هيدروجينية. الشرط الأساسي لتكوين رابطة هيدروجينية هو وجود زوج واحد على الأقل من الإلكترونات الحرة من ذرة كهربية. أما بالنسبة للتفاعلات الكارهة للماء ، فإنها تنشأ نتيجة التلامس بين الجذور غير القطبية غير القادرة على كسر الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء ، والتي تنطلق إلى سطح الكريات البروتينية. عندما يتم تصنيع البروتين ، يتم جمع المجموعات الكيميائية غير القطبية داخل الكريات ، ويتم إزاحة المجموعات القطبية على سطحها. وبالتالي ، يمكن أن يكون جزيء البروتين محايدًا أو موجب الشحنة أو سالبًا ، اعتمادًا على الرقم الهيدروجيني لمجموعات المذيبات والأيونات في البروتين. تشمل التفاعلات الضعيفة أيضًا الروابط الأيونية وتفاعلات فان دير فالس. بالإضافة إلى ذلك ، يتم الحفاظ على تكوين البروتينات بواسطة التساهمية روابط S-Sتشكلت بين اثنين من بقايا السيستين. نتيجة للتفاعلات الكارهة للماء والماء ، يتبنى جزيء البروتين تلقائيًا واحدًا أو أكثر من أكثر التطابقات ملاءمة من الناحية الديناميكية الحرارية ، وإذا كان التشكل الأصلي ، نتيجة لأي تأثيرات خارجية ، مضطربًا ، فمن الممكن استعادة كاملة أو شبه كاملة. تم عرض هذا لأول مرة بواسطة K. Anfinsen باستخدام بروتين نوكلياز البروتين النشط حفازًا كمثال. اتضح أنه عند التعرض لليوريا أو p-mercaptoethanol ، هناك تغيير في شكله ، ونتيجة لذلك ، انخفاض حاد في النشاط التحفيزي. تؤدي إزالة اليوريا إلى انتقال تكوين البروتين إلى حالته الأصلية ، واستعادة النشاط التحفيزي.

وبالتالي ، فإن تكوين البروتينات هو هيكل ثلاثي الأبعاد ، ونتيجة لتشكيله ، تقترب العديد من الذرات الموجودة في مناطق بعيدة من سلسلة البولي ببتيد من بعضها البعض ، وتعمل على بعضها البعض ، وتكتسب خصائص جديدة غائبة في الأمينية الفردية. الأحماض أو عديد الببتيدات الصغيرة. هذا هو ما يسمى ب الهيكل الثالث، التي تتميز بتوجيه سلاسل عديد الببتيد في الفضاء (الشكل 3.9). يختلف التركيب الثلاثي للبروتينات الكروية والليفية اختلافًا كبيرًا عن بعضها البعض. يتميز الشكل المعتمد لجزيء البروتين بمؤشر مثل درجة عدم التناسق (نسبة المحور الطويل للجزيء إلى المحور القصير). في البروتينات الكروية ، تكون درجة عدم التناسق 3-5 ، أما بالنسبة للبروتينات الليفية ، فهذه القيمة أعلى بكثير (من 80 إلى 150).

كيف ، إذن ، يتم تحويل الهياكل الأولية والثانوية غير المطوية إلى شكل منهار ومستقر للغاية؟ تظهر الحسابات أن عدد التوليفات الممكنة نظريًا لتشكيل الهياكل ثلاثية الأبعاد للبروتينات أكبر بما لا يقاس من تلك الموجودة بالفعل في الطبيعة. على ما يبدو ، فإن الأشكال الأكثر ملاءمة هي العامل الرئيسي للاستقرار التوافقي.

فرضية الكريات المنصهرة. تتمثل إحدى طرق دراسة طي سلسلة البولي ببتيد في بنية ثلاثية الأبعاد في التمسخ وإعادة التشبع اللاحق لجزيء البروتين.

تُظهر تجارب K. Anfinsen مع الريبونوكلياز بشكل لا لبس فيه إمكانية تجميع تلك البنية المكانية التي تم انتهاكها نتيجة للتمسخ (الشكل 3.10).

في هذه الحالة ، لا تتطلب استعادة الشكل الأصلي أي هياكل إضافية. ما هي أكثر النماذج احتمالية لطي سلسلة البولي ببتيد في التشكل المقابل؟ واحدة من أكثر الفرضيات انتشارًا للتنظيم الذاتي للبروتين هي فرضية الكريات المنصهرة. في إطار هذا المفهوم ، يتم تمييز عدة مراحل من التجميع الذاتي للبروتين.

• 1. في سلسلة البولي ببتيد غير المطوية ، بمساعدة الروابط الهيدروجينية والتفاعلات الكارهة للماء ، يتم تشكيل أقسام منفصلة من الهيكل الثانوي ، والتي تعمل كبذور لتشكيل هياكل ثانوية وفائقة الثانوية.
• 2. عندما يصل عدد هذه المواقع إلى قيمة حدية معينة ، يكون هناك إعادة توجيه للجذور الجانبية وانتقال سلسلة البولي ببتيد إلى شكل جديد أكثر إحكاما وعدد الروابط غير التساهمية

أرز. 3.10.

يزيد بشكل ملحوظ. السمة المميزة لهذه المرحلة هي تكوين اتصالات محددة بين الذرات الموجودة في مناطق بعيدة من سلسلة البولي ببتيد ، ولكن وجد أنها قريبة نتيجة لتشكيل بنية ثلاثية.

3. في المرحلة الأخيرة ، يتم تكوين التكوين الأصلي لجزيء البروتين ، المرتبط بإغلاق روابط ثاني كبريتيد والتثبيت النهائي لتشكيل البروتين. من الممكن أيضًا أن يكون التجميع غير المحدد مطويًا جزئيًا.

سلاسل polypstide ، والتي يمكن تصنيفها على أنها أخطاء في تكوين البروتينات الأصلية. سلسلة بولي ببتيد مطوية جزئيًا (خطوة 2) تسمى الكريات المنصهرة ، والمرحلة 3 هو الأبطأ في تكوين بروتين ناضج.

في التين. يوضح الشكل 3.11 متغيرًا من تكوين جزيء البروتين المشفر بواسطة جين واحد. ومع ذلك ، فمن المعروف أن عددًا من البروتينات ذات مجال

أرز. 3.11.

(وفقًا لـ NK Nagradova) يتكون الهيكل نتيجة ازدواج الجينات ، ويتطلب تكوين اتصالات بين المجالات المنفصلة جهودًا إضافية. اتضح أن الخلايا لديها آليات خاصة لتنظيم طي البروتينات المصنعة حديثًا. حاليًا ، تم اكتشاف إنزيمين يشاركان في تنفيذ هذه الآليات. واحدة من التفاعلات البطيئة للمرحلة الثالثة من طي سلسلة البولي ببتيد هي *

أرز. 3.12.

بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي الخلايا على عدد من البروتينات غير النشطة تحفيزيًا ، والتي تقدم مع ذلك مساهمة كبيرة في تكوين الهياكل المكانية للبروتينات. هذه هي ما يسمى بالمرافقين والمرافقين (الشكل 3.12). يسميهم أحد مكتشفات المرافقات الجزيئية ، L. Ellis ، فئة وظيفية من عائلات البروتين غير ذات الصلة التي تساعد على التجميع غير التساهمي الصحيح للهياكل الأخرى المحتوية على عديد الببتيد في الجسم الحي ، ولكنها ليست جزءًا من الهياكل المجمعة وليست مشتركة في تنفيذ وظائفهم الفسيولوجية العادية.

تساعد المرافقات في التجميع الصحيح لتشكل البروتين ثلاثي الأبعاد عن طريق تكوين مجمعات غير تساهمية قابلة للانعكاس مع سلسلة بولي ببتيد مطوية جزئيًا ، بينما تثبط في نفس الوقت الروابط المشوهة التي تؤدي إلى تكوين هياكل بروتينية غير نشطة وظيفيًا. تتضمن قائمة الوظائف المتأصلة في المرافقين حماية الكريات المنصهرة من التجميع ، وكذلك نقل البروتينات المركبة حديثًا إلى مواقع الخلايا المختلفة. المرافقات عبارة عن بروتينات صدمة حرارية في الغالب ، يتم زيادة تركيبها بشكل حاد تحت التعرض لدرجة حرارة الإجهاد ، لذلك يطلق عليها أيضًا hsp (بروتينات الصدمة الحرارية). تم العثور على عائلات هذه البروتينات في الخلايا الميكروبية والنباتية والحيوانية. تصنيف المرافقين على أساس الوزن الجزيئي الغراميوالتي تتراوح من 10 إلى 90 كيلو دالتون. تختلف وظائف المرافقين والمرافقين بشكل أساسي ، على الرغم من أن كلاهما بروتينات تساعد في تكوين بنية ثلاثية الأبعاد للبروتينات. تحافظ المرافقون على سلسلة البولي ببتيد المُصنَّعة حديثًا في حالة غير مطوية ، مما يمنعها من الانطواء إلى شكل مختلف عن الشكل الأصلي ، وتوفر المرافقون الشروط اللازمة لتشكيل بنية البروتين الأصلية الصحيحة الوحيدة (الشكل 3.13).

أرز. 3.13.

Chaperones / مرتبطة بسلسلة بولي ببتيد نانوية تنحدر من الريبوسوم. بعد تكوين سلسلة البولي ببتيد وإطلاقها من الريبوسوم ، ترتبط المرافقون بها وتمنع التجمع 2. بعد الطي في السيتوبلازم ، يتم فصل البروتينات عن المُرافق ونقلها إلى المُرافق المقابل ، حيث يحدث التكوين النهائي للبنية الثلاثية. 3. بمساعدة المرافِق العصاري الخلوي ، تنتقل البروتينات إلى الغشاء الخارجي للميتوكوندريا ، حيث يسحبها مرافق الميتوكوندريا إلى الميتوكوندريا و "ينقلها" إلى مرافق الميتوكوندريا ، حيث يحدث الطي. 4, 5 مشابه 4 ، ولكن فيما يتعلق بالشبكة الإندوبلازمية.

البنية الثلاثية للبروتين هي الطريقة التي يتم بها طي سلسلة البولي ببتيد في مساحة ثلاثية الأبعاد. ينشأ هذا التشكل بسبب تكوين روابط كيميائية بين جذور الأحماض الأمينية البعيدة عن بعضها البعض. تتم هذه العملية بمشاركة الآليات الجزيئية للخلية وتلعب دورًا كبيرًا في نقل النشاط الوظيفي للبروتينات.

ملامح الهيكل الثالث

الأنواع التالية من التفاعلات الكيميائية هي سمة من سمات البنية الثلاثية للبروتينات:

• أيوني؛
• هيدروجين؛
• نافرة من الماء؛
• فان دير فال؛
• ثاني كبريتيد.

كل هذه الروابط (باستثناء رابطة ثاني كبريتيد التساهمية) ضعيفة جدًا ، ولكن نظرًا لمقدارها فإنها تثبت الشكل المكاني للجزيء.

في الواقع ، المستوى الثالث لطي سلاسل البولي ببتيد هو مزيج من عناصر مختلفة من البنية الثانوية (حلزونات α ؛ طبقات وحلقات مطوية) ، والتي يتم توجيهها في الفضاء بسبب التفاعلات الكيميائية بين جذور الأحماض الأمينية الجانبية. من أجل التعيين التخطيطي للبنية الثلاثية للبروتين ، يتم الإشارة إلى حلزونات α بواسطة أسطوانات أو خطوط ملتوية حلزونية ، وطبقات مطوية بواسطة أسهم ، وحلقات بخطوط بسيطة.

يتم تحديد طبيعة التشكل الثلاثي من خلال تسلسل الأحماض الأمينية في السلسلة ؛ لذلك ، فإن جزيئين لهما نفس البنية الأولية في ظل ظروف متساوية سوف يتوافقان مع نفس متغير الطي المكاني. يوفر هذا التشكل النشاط الوظيفي للبروتين ويسمى أصلي.

في عملية طي جزيء البروتين ، تقترب مكونات المركز النشط من بعضها البعض ، والتي في الهيكل الأساسي يمكن إزالتها بشكل كبير من بعضها البعض.

بالنسبة للبروتينات أحادية السلسلة ، فإن الهيكل الثلاثي هو الشكل الوظيفي النهائي. تشكل البروتينات المعقدة متعددة الوحدات تركيبًا رباعيًا يميز ترتيب العديد من السلاسل فيما يتعلق ببعضها البعض.

توصيف الروابط الكيميائية في البنية الثلاثية للبروتين

يرجع طي سلسلة البولي ببتيد إلى حد كبير إلى نسبة الجذور المحبة للماء والكارهة للماء. تميل الأولى إلى التفاعل مع الهيدروجين (عنصر مكون من الماء) وبالتالي فهي على السطح ، بينما المناطق الكارهة للماء ، على العكس من ذلك ، تندفع إلى مركز الجزيء. هذا التشكل هو الأكثر مواتاة من الناحية النشطة. نتيجة لذلك ، يتم تكوين كرة ذات نواة كارهة للماء.

الجذور المحبة للماء ، التي تقع مع ذلك في مركز الجزيء ، تتفاعل مع بعضها البعض لتكوين روابط أيونية أو هيدروجينية. يمكن أن تنشأ الروابط الأيونية بين جذور الأحماض الأمينية المشحونة ، والتي هي:

• المجموعات الكاتيونية من الأرجينين أو اللايسين أو الهيستيدين (لها شحنة موجبة) ؛
• مجموعات الكربوكسيل من جذور الجلوتاميك وحمض الأسبارتيك (لها شحنة سالبة).

تتكون الروابط الهيدروجينية من تفاعل المجموعات غير المشحونة (OH ، SH ، CONH 2) والمجموعات المحبة للماء المشحونة. تنشأ الروابط التساهمية (الأقوى في التشكل الثلاثي) بين مجموعات SH من بقايا السيستين ، وتشكل ما يسمى جسور ثاني كبريتيد. عادة ما تكون هذه المجموعات بعيدة عن بعضها البعض في سلسلة خطية وتقترب فقط أثناء عملية التكديس. روابط ثاني كبريتيد ليست نموذجية لمعظم البروتينات داخل الخلايا.

التوافقية

نظرًا لأن الروابط التي تشكل البنية الثلاثية للبروتين ضعيفة جدًا ، فإن الحركة البراونية للذرات في سلسلة الأحماض الأمينية يمكن أن تؤدي إلى تكسرها وتشكيلها في أماكن جديدة. يؤدي هذا إلى تغيير طفيف في الشكل المكاني للمناطق الفردية للجزيء ، لكنه لا ينتهك التشكل الأصلي للبروتين. تسمى هذه الظاهرة قابلية التوافق. يلعب الأخير دورًا كبيرًا في فسيولوجيا العمليات الخلوية.

يتأثر تشكيل البروتين بتفاعلاته مع الجزيئات الأخرى أو بالتغيرات في المعلمات الفيزيائية والكيميائية للبيئة.

كيف يتم تكوين البنية الثلاثية للبروتين

تسمى عملية طي البروتين إلى شكله الأصلي الطي. تستند هذه الظاهرة إلى رغبة الجزيء في قبول التشكل بأقل قيمة للطاقة الحرة.

لا يحتاج أي بروتين إلى وسطاء مدرّبين لتحديد البنية الثلاثية. يتم "كتابة" نمط الطي مبدئيًا في تسلسل الأحماض الأمينية.

ومع ذلك ، في ظل الظروف العادية ، قد يستغرق جزيء البروتين الكبير أكثر من تريليون سنة ليفترض شكله الأصلي وفقًا لبنيته الأساسية. ومع ذلك ، في الخلية الحية ، لا تستغرق هذه العملية سوى بضع عشرات من الدقائق. يتم توفير مثل هذا الانخفاض الكبير في الوقت من خلال المشاركة في طي البروتينات المساعدة المتخصصة - الطيات والمرافقات.

يحدث طي جزيئات البروتين الصغيرة (ما يصل إلى 100 من الأحماض الأمينية في سلسلة) بسرعة إلى حد ما ودون مشاركة وسطاء ، كما هو موضح في التجارب المختبرية.

عوامل الطي

تنقسم البروتينات المساعدة المشاركة في الطي إلى مجموعتين:

• foldases - لها نشاط تحفيزي ، مطلوبة بكمية أقل بكثير من تركيز الركيزة (مثل الإنزيمات الأخرى) ؛
• المرافقات - البروتينات ذات آليات العمل المختلفة ، مطلوبة بتركيز مماثل لكمية الركيزة المطوية.

يتم تضمين كلا النوعين من العوامل في الطي ، لكن لا يتم تضمينهما في المنتج النهائي.

يتم تمثيل مجموعة foldase بواسطة إنزيمين:

• إيزوميراز ثنائي كبريتيد البروتين (PDI) - يتحكم في التكوين الصحيح لروابط ثاني كبريتيد في البروتينات التي تحتوي على عدد كبير من بقايا السيستين. هذه الوظيفة مهمة جدًا ، نظرًا لأن التفاعلات التساهمية قوية جدًا ، وفي حالة وجود اتصالات خاطئة ، لا يمكن للبروتين إعادة الترتيب بشكل مستقل وافتراض التشكل الأصلي.
• يوفر Peptidyl-prolyl-cis-trans-isomerase - تغييرًا في تكوين الجذور الموجودة على جوانب البرولين ، مما يغير طبيعة انحناء سلسلة البولي ببتيد في هذا الموقع.

وبالتالي ، تلعب الأغطية القابلة للطي دورًا تصحيحيًا في تكوين التشكل الثلاثي لجزيء البروتين.

الوصيفات

يتم استدعاء المرافقين أو الإجهاد. ويرجع ذلك إلى زيادة كبيرة في إفرازها مع تأثيرات سلبية على الخلية (درجة الحرارة ، الإشعاع ، المعادن الثقيلة ، إلخ).

تنتمي Chaperones إلى ثلاث عائلات بروتينية: hsp60 و hsp70 و hsp90. تؤدي هذه البروتينات وظائف عديدة منها:

• حماية البروتينات من التمسخ.
• استبعاد تفاعل البروتينات المركبة حديثًا مع بعضها البعض ؛
• منع تكوين روابط ضعيفة غير صحيحة بين الجذور وتسميتها (التصحيح).

وهكذا ، تساهم المرافقون في الاكتساب السريع لتشكل صحيح وفعال ، باستثناء التعداد العرضي للعديد من الخيارات وحماية جزيئات البروتين التي لم تنضج بعد من التفاعل غير الضروري مع بعضها البعض. بالإضافة إلى ذلك ، يوفر المرافقون:

• بعض أنواع نقل البروتينات.
• التحكم في إعادة التشكيل (استعادة الهيكل الثلاثي بعد خسارته) ؛
• الحفاظ على حالة الطي غير المكتمل (لبعض البروتينات).

في الحالة الأخيرة ، يظل جزيء المرافِق مرتبطًا بالبروتين عند الانتهاء من عملية الطي.

تمسخ

يسمى انتهاك البنية الثلاثية للبروتين تحت تأثير أي عوامل تمسخ. يحدث فقدان التشكل الأصلي عندما يتم تدمير عدد كبير من الروابط الضعيفة التي تعمل على استقرار الجزيء. في هذه الحالة ، يفقد البروتين وظيفته المحددة ، لكنه يحتفظ بهيكله الأساسي (لا يتم تدمير روابط الببتيد أثناء تمسخ الطبيعة).

أثناء التمسخ ، تحدث زيادة مكانية في جزيء البروتين ، وتعود المناطق الكارهة للماء مرة أخرى إلى السطح. تكتسب سلسلة البولي ببتيد تشكيل ملف مضطرب ، يعتمد شكله على روابط البنية الثلاثية للبروتين التي تم كسرها. في هذا الشكل ، يكون الجزيء أكثر عرضة لعمل الإنزيمات المحللة للبروتين.

العوامل التي تعطل البنية الثلاثية

هناك عدد من التأثيرات الفيزيائية والكيميائية التي يمكن أن تسبب تمسخًا. وتشمل هذه:

• درجة الحرارة فوق 50 درجة ؛
• إشعاع؛
• تغيير درجة حموضة البيئة ؛
• أملاح المعادن الثقيلة
• بعض مركبات العضوية;
• المنظفات.

بعد إنهاء تأثير تغيير الطبيعة ، يمكن للبروتين استعادة البنية الثلاثية. تسمى هذه العملية إعادة التشبع أو إعادة التشكيل. في المختبر ، هذا ممكن فقط للبروتينات الصغيرة. في الخلية الحية ، يوفر المرافقون إعادة الطي.