Что такое белки кратко: Аминокислоты, белки. Строение белков. Уровни организации белковой молекулы

Белки, их строение и роль в клетке | Биология. Реферат, доклад, сообщение, краткое содержание, конспект, сочинение, ГДЗ, тест, книга

Тема: Микробиология

Белки — основная структурная единица клеток. Это полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. В состав белков входит 20 типов аминокислот. В каждой из аминокислот содержится аминогруппа (-NH), карбоксиль­ная группа (-СООН) и радикал (R). Строение радикалов от­личается у различных аминокислот. Соединение аминокис­лот в молекуле белка происходит благодаря образованию пептидной связи: аминогруппа одной аминокислоты соеди­няется с карбоксильной группой другой аминокислоты.

Соединение, состоящее из нескольких аминокислот, на­зывают пептидом. Выделяют первичную, вторичную, тре­тичную и четвертичную структуры белков. Первичная структура белка определяется последовательностью амино­кислот в полипептидной цепи. Именно порядок чередова­ния аминокислот в данной белковой молекуле определяет её особые физико-химические и биологические свойства.

Вторичная структура представляет собой белковую нить, закрученную в виде спирали. Между карбоксильны­ми группами на одном витке спирали и аминогруппами на другом витке возникают водородные связи, которые слабее ковалентных, но при их большом числе обеспечивают об­разование прочной структуры.

Третичная структура — это клубок, или глобула, в кото­рый свертывается спираль. Он образуется в результате взаимодействия различных остатков аминокислот. Для ка­ждого белка характерна своя форма.

Некоторые белки имеют четвертичную структуру. Она характерна для сложных белков. Несколько глобул объеди­нены вместе и удерживаются вместе благодаря ионным, водородным и другим нековалентным связям. Например, белок гемоглобин — состоит из четырех глобул, каждая из которых соединена с железосодержащим гемом.

Под влиянием внешних факторов (изменение температуры, солевого состава среды, pH, под действием радиации и т.п. факторов) слабые химические связи, поддерживаю­щие молекулу белка (вторичную, третичную, четвертичную структуры), разрываются, изменяются структура и свойст­ва белка. Этот процесс называется денатурацией.

Роль белков: Материал с сайта //iEssay.ru

1. Строительная функция. Белки входят в состав клеточ­ных структур, являются структурными компонентами био­логических мембран и многих внутриклеточных органои­дов, главным компонентом опорных структур организма.
2. Ферментативная функция. Многие белки служат биокатализаторами, ускоряют протекание различных хи­мических реакций в организме.
3. Регуляторная функция. Часть гормонов — белки. Они участвуют в регуляции активности клетки и организма. Например, инсулин регулирует обмен глюкозы.
4. Защитная функция. Антитела, образуемые лимфоцитами, нейтрализуют чужеродных для организма возбудите лей заболеваний. Белки, участвующие в процессе свертывания крови (фибриноген и тромбин), предохраняют организм от кровопотери.
5. Транспортная функция. Белки могут присоединять к себе различные молекулы и ионы и переносить их из одной части организма к другой. Например, гемоглобин переносит кислород и углекислый газ.
6. Энергетическая функция. Белки могут служить источ ником энергии для клетки. При недостатке в организме yглеводов или жиров окисляются молекулы аминокислот. При расщеплении 1 г белков высвобождается 17,6 кДж энергии.

На этой странице материал по темам:

• белки характеристика
• биополимире белки их строение тест

Краткий конспект подготовки к ЗНО по химии №39 Белки

Белки – это природные полимеры, построенные из остатков аминокислот.

 

Гидролиз белков

Пептидная связь гидролизуется в кислой или щелочной среде. При этом образуются соли аминокислот по карбоксильной группе или по аминогруппе.

Белки гидролизуются и под действием ферментов

 

Функции белков в организме

 

Функции белков в организме.

 

Строение белков

 

Первичная структура белка – это последовательность аминокислотных остатков.
Вторичная структура белка – расположение полипептидной цепи в пространстве, обусловленное водородными связями между атомом кислорода карбоксильной группы и атомом водорода аминогруппы разных аминокислотных остатков.
Третичная структура белка – расположение вторичной структуры в пространстве, обусловленное дополнительными взаимодействиями между различными участками полипептидной цепи.
Четвертичная структура белка – объединение нескольких полипептидных цепей в один белок.
Например, гемоглобин состоит из 4 пептидных цепочек, каждая из которых содержит по 140 остатков аминокислот.

 

Химические свойства белков

1. Денатурация белка
Денатурация – разрушение вторичной, третичной и четвертичной структуры белка при различных воздействиях (нагревании, действии растворителей, иногда даже при энергичном встряхивании). Первичная структура при этом не разрушается.
При снятии неблагоприятных воздействий наступает – ренатурация – восстановление до четвертичной структуры.
Деструкция – полное разрушение, затрагивающее даже первичную структуру.
Деструкция происходит при варке яйца, скисании молока.

2. Качественные реакции на белок
А. При нагревании белки разлагаются с выделением летучих продуктов, издавая характерный запах жженых перьев.
Б. Ксантопротеиновая реакция – пожелтение белка при действии концентрированной азотной кислоты (окраска появляется за счет нитрования бензольных колец, входящих в состав остатков ароматических аминокислот).
В. Биуретовая реакция – окрашивание в ярко-фиолетовый цвет при действии раствора соли меди(II) в щелочной среде – обусловлена образованием комплексов иона меди(II) с боковыми аминогруппами.

Строение и функции белков — конспект

Вернуться к теме «Строение и функции белков»

Белки – полимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

Среди органических веществ белки занимают первое место по количеству и по значению. В организме человека встречаются 5 млн разнообразных белковых молекул, отличающихся не только друг от друга, но и от белков других организмов. Несмотря на такое разнообразие и сложность строения они построены всего из 20 различных аминокислот.

Строение аминокислоты:

 

В левой части молекулы расположены группа h3N–, которая обладает свойствами основания; справа — группа –COOH — кислотная, характерная для всех органических кислот. Следовательно, аминокислоты – амфотерные соединения, совмещающие свойства и кислоты и основания. Этим обусловлена их способность взаимодействовать друг с другом. Соединяясь, молекулы аминокислот образуют связи между углеродом кислотной и азотом основной групп. Такие связи называются ковалентными, а в данном случае – пептидными связями:

Соединение двух аминокислот в одну молекулу называется дипептидом, трех аминокислот – трипептидом и т. д., а соединение, состоящее из 20 и более аминокислотных остатков, – полипептидом.

Последовательность аминокислот в полипептидной цепи принято называть первичной структурой белка.

Однако молекула белка в виде цепи аминокислотных остатков, последовательно соединенных между собой пептидными связями, еще не способна выполнять специфические функции. Для этого необходима более высокая структурная организация. Путем образования водородных связей между остатками карбоксильных и аминогрупп разных аминокислот белковая молекула принимает вид спирали (α-структура) или складчатого слоя – «гармошки» (β-структура). Это вторичная структура белка. Но и ее часто недостаточно для приобретения характерной биологической активности.

Часто только молекула, обладающая третичной структурой, может выполнять роль катализатора или любую другую. Третичная структура образуется благодаря взаимодействию радикалов, в частности радикалов аминокислоты цистеина, которые содержат серу. Атомы серы двух аминокислот, находящихся на некотором расстоянии друг от друга в полипептидной цепи, соединяются, образуя так называемые дисульфидные, или S–S, связи. Благодаря этим взаимодействиям, а также другим, менее сильным связям, белковая спираль сворачивается и приобретает форму шарика, или глобулы. Способ укладки полипептидных спиралей в глобуле называют третичной структурой белка. Многие белки, обладающие третичной структурой, могут выполнять свою биологическую роль в клетке. Однако для осуществления некоторых функций организма требуется участие белков с еще более высоким уровнем организации.

Такую организацию называют четвертичной структурой. Присутствует не у всех белков. Она представляет собой функциональное объединение нескольких (двух, трех и более) молекул белка, обладающих третичной структурной организацией. Пример такого сложного белка – гемоглобин. Его молекула состоит из четырех связанных между собой молекул. Другим примером может служить гормон поджелудочной железы – инсулин, включающий два компонента. В состав четвертичной структуры некоторых белков включаются помимо белковых субъединиц и разнообразные небелковые компоненты. Тот же гемоглобин содержит сложное гетероциклическое соединение, в состав которого входит железо.

Строение белковой молекулы: А – первичная; Б – вторичная; В – третичная; Г – четвертичная структура

Строение молекулы гемоглобина

Гемоглобин – белок четвертичной структуры. В молекуле гемоглобина белковый компонент представлен белком глобином, небелковый компонент – гем. Глобин состоит из 4 субъединиц. Внутри каждой субъединицы имеется гидрофобный «карман», в котором располагается гем. Содержащийся в геме атом железа связывает кислород.

Свойства белка

Белки, как и другие неорганические и органические соединения, обладают рядом физико-химических свойств:

1. Белки – преимущественно водорастворимые молекулы и, следовательно, могут проявлять свою функциональную активность только в водных растворах.
2. Белковые молекулы несут большой поверхностный заряд. Это определяет целый ряд электрохимических эффектов, например изменение проницаемости мембран каталитической активности и других функций.
3. Белки термолабильны, то есть проявляют свою активность в узких температурных рамках.

Денатурация и ренатурация белков

Денатурация  – это утрата белковой молекулой своей структурной организации: четвертичной, третичной, вторичной, а при более жестких условиях – и первичной структуры. В результате денатурации белок теряет способность выполнять свою функцию. Причинами денатурации могут быть высокая температура, ультрафиолетовое излучение, действие сильных кислот и щелочей, тяжелых металлов и органических растворителей. Если изменение условий среды не приводит к разрушению первичной структуры молекулы, то при восстановлении нормальных условий среды полностью воссоздается структура белка и его функциональная активность. Такой процесс носит название ренатурации.

Функции белков

1. Каталитическая (ферментативная) функция:

Многие белки являются ферментами. Ферменты — это биологические катализаторы, т. е. вещества, ускоряющие протекание химических реакций в живых организмах. Ферменты участвуют в процессах синтеза и расщепления различных веществ. Они обеспечивают фиксацию углерода в процессе фотосинтеза, расщепление питательных веществ в пищеварительном тракте и т. д. 

 

2. Транспортная функция

Многие белки способны присоединять и переносить различные вещества. Гемоглобин связывает и переносит кислород и углекислый газ. Альбумины крови транспортируют жирные кислоты, глобулины — ионы металлов и гормоны. Многие белки, входящие в состав цитоплазматической мембраны, участвуют в транспорте веществ в клетку и из нее.

3. Защитная функция

Белки предохраняют организм от вторжения чужеродных организмов и от повреждений. Так, в ответ на проникновение чужеродных объектов (антигенов) определенные лейкоциты вырабатывают специфические белки — иммуноглобулины (антитела), участвующие в иммунном ответе организма. Белок плазмы крови фибриноген, участвуя в свертывании крови и тем самым уменьшая кровопотери.

4. Двигательная (сократительная) функция

Сократительные белки обеспечивают способность клеток, тканей, органов и целых организмов изменять форму, двигаться. Так, актин и миозин обеспечивают работу мышц и немышечные внутриклеточные сокращения.

5. Структурная (строительная, пластическая) функция

Белки входят в состав всех клеток и тканей живых организмов. Белки являются обязательным компонентом всех клеточных мембран и органоидов клетки. Из белков построены элементы цитоскелета, сократительные элементы мышечных волокон. Преимущественно из белков состоят хрящи и сухожилия. В их состав входит белок коллаген. Важнейшим структурным компонентом перьев, волос, ногтей, когтей, рогов, копыт у животных является белок кератин. В состав связок, стенок артерий и лёгких входит структурный белок эластин.

6. Сигнальная (рецепторная) функция

Некоторые белки клеточных мембран способны изменять свою структуру в ответ на действие внешних факторов. С помощью этих белков происходит прием сигналов из внешней среды и передача информации в клетку.

7. Регуляторная функция

Некоторые белки являются гормонами. Они влияют на различные физиологические процессы. Например, инсулин и глюкагон регулируют содержание глюкозы в крови, а соматотропин (гормон роста) — процессы роста и физического развития.

8. Запасающая (питательная) функция

В семенах растений запасаются резервные белки, которые используются при прорастании зародышем.

9. Энергетическая функция

При полном окислении 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии. Однако белки расходуются на энергетические нужды лишь в крайних случаях, когда исчерпаны запасы углеводов и жиров.

Химические свойства белков | Химия онлайн

По химическому составу белки делятся на две группы:

а) простые белки – протеины, которые при гидролизе распадаются только на аминокислоты;

б) сложные белки или протеиды, образующие при гидролизе аминокислоты и вещества небелковой природы (углеводы, нуклеиновые кислоты и др.) —  соединения белковых веществ с небелковыми.

1. Амфотерные свойства белков

Как и аминокислоты, белки являются амфотерными соединениями, так как молекула любого белка содержит на одном конце группу -NH₂, а на другом конце – группу -СООН.

Так, при действии щелочей белок реагирует в форме аниона – соединяется с катионом щелочи:

При действии же кислот он выступает в форме катиона:

Если в молекуле белка преобладают карбоксильные группы, то он проявляет свойства кислот, если же преобладают аминогруппы, — свойства оснований.

Очень важным для жизнедеятельности живых организмов является буферное свойство белков, т.е. способность связывать как кислоты, так и основания, и поддерживать постоянное значение рН различных систем живого организма.

Белки обладают и специфическими физико-химическими свойствами.

2. Денатурация белка (необратимое осаждение, свертывание)

Денатурация – это разрушение вторичной и третичной структуры белка (полное или частичное)  и изменение его природных свойств с сохранением первичной структуры белка.

Сущность денатурации белка сводится к разрушению связей, обусловливающих вторичную и третичную структуры молекулы (водородных, солевых и других мостиков). А это приводит к дезориентации конфигурации белковой молекулы.

Денатурация бывает обратимой и необратимой.

Обратимая денатурация белка происходит при употреблении алкоголя, солёной пищи.

Необратимая денатурация может быть вызвана при действии таких реагентов, как концентрированные кислоты и щелочи, спирты, в результате воздействия высокой температуры, радиации, при отравлении организма солями тяжелых металлов (Hg²⁺, Pb²⁺, Си²⁺).

Например, яичный белок альбумин осаждается из раствора (свертывается) при варке яиц (при температуре 60-70⁰С), теряя способность растворяться в воде.

Видеоопыт «Свертывание белков при нагревании»

Видеоопыт «Осаждение белков солями тяжелых металлов»

Видеоопыт «Осаждение белков спиртом»

3. Гидролиз белков

Гидролиз белков – это необратимое разрушение первичной структуры в кислом или щелочном растворе с образованием аминокислот.

Анализируя продукты гидролиза, можно установить количественный состав белков.

Переваривание белков в организме по своей сути представляет ферментативный гидролиз белковых молекул.

В лабораторных условиях и в промышленности проводится кислотный гидролиз.

В ходе гидролиза белков происходит разрушение пептидных связей. Гидролиз белка имеет ступенчатый характер:

4. Цветные (качественные) реакции на белки

Для белков известно несколько качественных реакций.

а) Ксантопротеиновая реакция (на остатки аминокислот, содержащих бензольные кольца)

Белки, содержащие остатки ароматических аминокислот (фенилаланина, тирозина), дают желтое окрашивание при действии концентрированной азотной кислоты.

Причина появления окраски – образование нитропроизводных ароматических аминокислот, например, фенилаланина:

Видеоопыт «Ксантопротеиновая реакция на белки»

б) Биуретовая реакция (на пептидные связи)

Все соединения, содержащие пептидную связь, дают фиолетовое окрашивание при действии на них солей меди (II) в щелочном растворе.

Причина появления окраски – образование комплексных соединений с координационным узлом:     

Видеоопыт «Биуретовая реакция белков»

Видеоопыт «Качественные реакции на белки: биуретовая и ксантопротеиновая»

в) Цистеиновая реакция (на остатки аминокислот, содержащих серу)

Причина появления окраски – образование черного осадка сульфида серебра (II) PbS.

Видеоопыт «Качественное определение азота в органических соединениях»

Белки

2.3.3. Белки, их строение и функции. Биология [Полный справочник для подготовки к ЕГЭ]

2.3.3. Белки, их строение и функции

Белки – это биологические гетерополимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Белки синтезируются в живых организмах и выполняют в них определенные функции.

В состав белков входят атомы углерода, кислорода, водорода, азота и иногда серы. Мономерами белков являются аминокислоты – вещества, имеющие в своем составе неизменяемые части аминогруппу NH₂ и карбоксильную группу СООН и изменяемую часть – радикал. Именно радикалами аминокислоты отличаются друг от друга. Аминокислоты обладают свойствами кислоты и основания (они амфотерны), поэтому могут соединяться друг с другом. Их количество в одной молекуле может достигать нескольких сотен. Чередование разных аминокислот в разной последовательности позволяет получать огромное количество различных по структуре и функциям белков.

В белках встречается 20 видов различных аминокислот, некоторые из которых животные синтезировать не могут. Они получают их от растений, которые могут синтезировать все аминокислоты. Именно до аминокислот расщепляются белки в пищеварительных трактах животных. Из этих аминокислот, поступающих в клетки организма, строятся его новые белки.

Структура белковой молекулы. Под структурой белковой молекулы понимают ее аминокислотный состав, последовательность мономеров и степень скрученности молекулы, которая должна умещаться в различных отделах и органоидах клетки, причем не одна, а вместе с огромным количеством других молекул.

Последовательность аминокислот в молекуле белка образует его первичную структуру. Она зависит от последовательности нуклеотидов в участке молекулы ДНК (гене), кодирующем данный белок. Соседние аминокислоты связаны пептидными связями, возникающими между углеродом карбоксильной группы одной аминокислоты и азотом аминогруппы другой аминокислоты.

Длинная молекула белка сворачивается и приобретает сначала вид спирали. Так возникает вторичная структура белковой молекулы. Между СО и NH – группами аминокислотных остатков, соседних витков спирали, возникают водородные связи, удерживающие цепь.

Молекула белка сложной конфигурации в виде глобулы (шарика), приобретает третичную структуру. Прочность этой структуры обеспечивается гидрофобными, водородными, ионными и дисульфидными S-S связями.

Некоторые белки имеют четвертичную структуру, образованную несколькими полипептидными цепями (третичными структурами). Четвертичная структура так же удерживается слабыми нековалентными связями – ионными, водородными, гидрофобными. Однако прочность этих связей невелика и структура может быть легко нарушена. При нагревании или обработке некоторыми химическими веществами белок подвергается денатурации и теряет свою биологическую активность. Нарушение четвертичной, третичной и вторичной структур обратимо. Разрушение первичной структуры необратимо.

В любой клетке есть сотни белковых молекул, выполняющих различные функции. Кроме того, белки имеют видовую специфичность. Это означает, что каждый вид организмов обладает белками, не встречающимися у других видов. Это создает серьезные трудности при пересадке органов и тканей от одного человека к другому, при прививках одного вида растений на другой и т.д.

Функции белков. Каталитическая (ферментативная) – белки ускоряют все биохимические процессы, идущие в клетке: расщепление питательных веществ в пищеварительном тракте, участвуют в реакциях матричного синтеза. Каждый фермент ускоряет одну и только одну реакцию (как в прямом, так и в обратном направлении). Скорость ферментативных реакций зависит от температуры среды, уровня ее рН, а также от концентраций реагирующих веществ и концентрации фермента.

Транспортная – белки обеспечивают активный транспорт ионов через клеточные мембраны, транспорт кислорода и углекислого газа, транспорт жирных кислот.

Защитная – антитела обеспечивают иммунную защиту организма; фибриноген и фибрин защищают организм от кровопотерь.

Структурная – одна из основных функций белков. Белки входят в состав клеточных мембран; белок кератин образует волосы и ногти; белки коллаген и эластин – хрящи и сухожилия.

Сократительная – обеспечивается сократительными белками – актином и миозином.

Сигнальная – белковые молекулы могут принимать сигналы и служить их переносчиками в организме (гормонами). Следует помнить, что не все гормоны являются белками.

Энергетическая – при длительном голодании белки могут использоваться в качестве дополнительного источника энергии после того, как израсходованы углеводы и жиры.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть А

А1. Последовательность аминокислот в молекуле белка зависит от:

1) структуры гена 3) их случайного сочетания

2) внешней среды 4) их строения

А2. Человек получает незаменимые аминокислоты путем

1) их синтеза в клетках 3) приема лекарств

2) поступления с пищей 4) приема витаминов

А3. При понижении температуры активность ферментов

1) заметно повышается

2) заметно понижается

3) остается стабильной

4) периодически изменяется

А4. В защите организма от кровопотерь участвует

1) гемоглобин 3) фибрин

2) коллаген 4) миозин

А5. В каком из указанных процессов белки не участвуют?

обмен веществ

кодирование наследственной информации

ферментативный катализ

транспорт веществ

А6. Укажите пример пептидной связи:

Часть В

В1. Выберите функции, характерные для белков

1) каталитическая 4) транспортная

2) кроветворная 5) рефлекторная

3) защитная 6) фотосинтетическая

В2. Установите соответствие между структурой белковой молекулы и ее особенностями

Часть С

С1. Почему продукты хранят в холодильнике?

С2. Почему продукты, подвергшиеся тепловой обработке, хранятся дольше?

СЗ. Объясните понятие «специфичность» белка, и какое биологическое значение имеет специфичность?

С4. Прочитайте текст, укажите номера предложений, в которых допущены ошибки и объясните их 1) Большая часть химических реакций в организме катализируется ферментами. 2) Каждый фермент может катализировать множество типов реакций. 3) У фермента есть активный центр, геометрическая форма которого изменяется в зависимости от вещества, с которым фермент взаимодействует. 4) Примером действия фермента может быть разложение мочевины уреазой. 5) Мочевина разлагается на двуокись углерода и аммиак, которым пахнет кошачий лоток с песком. 6) За одну секунду уреаза расщепляет до 30 ООО молекул мочевины, в обычных условиях на это потребовалось бы около 3 млн лет.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

БЕЛКИ — это… Что такое БЕЛКИ?

где R — атом водорода или какая-нибудь органическая группа. Белковая молекула (полипептидная цепь) может состоять всего лишь из относительно небольшого числа аминокислот или из нескольких тысяч мономерных звеньев. Соединение аминокислот в цепи возможно потому, что у каждой из них имеются две разные химические группы: обладающая основными свойствами аминогруппа, Nh3, и кислотная карбоксильная группа, СООН. Обе эти группы присоединены к a-атому углерода. Карбоксильная группа одной аминокислоты может образовать амидную (пептидную) связь с аминогруппой другой аминокислоты:

После того как две аминокислоты таким образом соединились, цепь может наращиваться путем добавления ко второй аминокислоте третьей и т. д. Как видно из приведенного выше уравнения, при образовании пептидной связи выделяется молекула воды. В присутствии кислот, щелочей или протеолитических ферментов реакция идет в обратном направлении: полипептидная цепь расщепляется на аминокислоты с присоединением воды. Такая реакция называется гидролизом. Гидролиз протекает спонтанно, а для соединения аминокислот в полипептидную цепь требуется энергия. Карбоксильная группа и амидная группа (или сходная с ней имидная — в случае аминокислоты пролина) имеются у всех аминокислот, различия же между аминокислотами определяются природой той группы, или «боковой цепи», которая обозначена выше буквой R. Роль боковой цепи может играть и один атом водорода, как у аминокислоты глицина, и какая-нибудь объемистая группировка, как у гистидина и триптофана. Некоторые боковые цепи в химическом смысле инертны, тогда как другие обладают заметной реакционной способностью. Синтезировать можно многие тысячи различных аминокислот, и множество различных аминокислот встречается в природе, но для синтеза белков используется только 20 видов аминокислот: аланин, аргинин, аспарагин, аспарагиновая кислота, валин, гистидин, глицин, глутамин, глутаминовая кислота, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, пролин, серин, тирозин, треонин, триптофан, фенилаланин и цистеин (в белках цистеин может присутствовать в виде димера — цистина). Правда, в некоторых белках присутствуют и другие аминокислоты, помимо регулярно встречающихся двадцати, но они образуются в результате модификации какой-нибудь из двадцати перечисленных уже после того, как она включилась в белок.
Оптическая активность. У всех аминокислот, за исключением глицина, к a-атому углерода присоединены четыре разные группы. С точки зрения геометрии, четыре разные группы могут быть присоединены двумя способами, и соответственно есть две возможные конфигурации, или два изомера, относящиеся друг к другу, как предмет к своему зеркальному отражению, т.е. как левая рука к правой. Одну конфигурацию называют левой, или левовращающей (L), а другую — правой, или правовращающей (D), поскольку два таких изомера различаются направлением вращения плоскости поляризованного света. В белках встречаются только L-аминокислоты (исключение составляет глицин; он может быть представлен лишь одной формой, поскольку у него две из четырех групп одинаковы), и все они обладают оптической активностью (поскольку имеется только один изомер). D-аминокислоты в природе редки; они встречаются в некоторых антибиотиках и клеточной оболочке бактерий.

АСИММЕТРИЧЕСКИЙ АТОМ УГЛЕРОДА в молекуле аминокислоты изображен здесь в виде шарика, помещенного в центр тетраэдра. Представленное расположение четырех замещающих групп соответствует L-конфигурации, характерной для всех природных аминокислот.
Последовательность аминокислот. Аминокислоты в полипептидной цепи располагаются не случайным образом, а в определенном фиксированном порядке, и именно этот порядок определяет функции и свойства белка. Варьируя порядок расположения 20 видов аминокислот, можно получить огромное число разных белков, точно так же, как из букв алфавита можно составить множество разных текстов. В прошлом на определение аминокислотной последовательности какого-нибудь белка уходило нередко несколько лет. Прямое определение и теперь достаточно трудоемкое дело, хотя созданы приборы, позволяющие вести его автоматически. Обычно проще бывает определить нуклеотидную последовательность соответствующего гена и вывести из нее аминокислотную последовательность белка. К настоящему времени уже определены аминокислотные последовательности многих сотен белков. Функции расшифрованных белков, как правило, известны, и это помогает представить себе возможные функции сходных белков, образующихся, например, при злокачественных новообразованиях.
Сложные белки. Белки, состоящие из одних только аминокислот, называют простыми. Часто, однако, к полипептидной цепи бывают присоединены атом металла или какое-нибудь химическое соединение, не являющееся аминокислотой. Такие белки называются сложными. Примером может служить гемоглобин: он содержит железопорфирин, который определяет его красный цвет и позволяет ему играть роль переносчика кислорода. В названиях большинства сложных белков содержится указание на природу присоединенных групп: в гликопротеинах присутствуют сахара, в липопротеинах — жиры. Если от присоединенной группы зависит каталитическая активность фермента, то ее называют простетической группой. Нередко какой-нибудь витамин играет роль простетической группы или входит в ее состав. Витамин А, например, присоединенный к одному из белков сетчатки, определяет ее чувствительность к свету.
Третичная структура. Важна не столько сама аминокислотная последовательность белка (первичная структура), сколько способ ее укладки в пространстве. По всей длине полипептидной цепи ионы водорода образуют регулярные водородные связи, которые придают ей форму спирали либо слоя (вторичная структура). Из комбинации таких спиралей и слоев возникает компактная форма следующего порядка — третичная структура белка. Вокруг связей, удерживающих мономерные звенья цепи, возможны повороты на небольшие углы. Поэтому с чисто геометрической точки зрения число возможных конфигураций для любой полипептидной цепи бесконечно велико. В действительности же каждый белок существует в норме только в одной конфигурации, определяемой его аминокислотной последовательностью. Структура эта не жесткая, она как бы «дышит» — колеблется вокруг некой средней конфигурации. Цепь складывается в такую конфигурацию, при которой свободная энергия (способность производить работу) минимальна, подобно тому как отпущенная пружина сжимается лишь до состояния, соответствующего минимуму свободной энергии. Нередко одна часть цепи бывает жестко сцеплена с другой дисульфидными (-S-S-) связями между двумя остатками цистеина. Отчасти именно поэтому цистеин среди аминокислот играет особо важную роль. Сложность строения белков столь велика, что пока еще невозможно вычислить третичную структуру белка, если даже известна его аминокислотная последовательность. Но если удается получить кристаллы белка, то его третичную структуру можно определить по дифракции рентгеновских лучей. У структурных, сократительных и некоторых других белков цепи вытянуты и несколько лежащих рядом слегка свернутых цепей образуют фибриллы; фибриллы, в свою очередь, складываются в более крупные образования — волокна. Однако большинство белков в растворе имеет глобулярную форму: цепи свернуты в глобуле, как пряжа в клубке. Свободная энергия при такой конфигурации минимальна, поскольку гидрофобные («отталкивающие воду») аминокислоты скрыты внутри глобулы, а гидрофильные («притягивающие воду») находятся на ее поверхности. Многие белки — это комплексы из нескольких полипептидных цепей. Такое строение называется четвертичной структурой белка. Молекула гемоглобина, например, состоит из четырех субъединиц, каждая из которых представляет собой глобулярный белок. Структурные белки благодаря своей линейной конфигурации образуют волокна, у которых предел прочности на разрыв очень высок, глобулярная же конфигурация позволяет белкам вступать в специфические взаимодействия с другими соединениями. На поверхности глобулы при правильной укладке цепей возникают определенной формы полости, в которых размещены реакционноспособные химические группы. Если данный белок — фермент, то другая, обычно меньшая, молекула какого-то вещества входит в такую полость подобно тому, как ключ входит в замок; при этом меняется конфигурация электронного облака молекулы под влиянием находящихся в полости химических групп, и это вынуждает ее определенным образом реагировать. Таким способом фермент катализирует реакцию. В молекулах антител тоже имеются полости, в которых различные чужеродные вещества связываются и тем самым обезвреживаются. Модель «ключа и замка», объясняющая взаимодействие белков с другими соединениями, позволяет понять специфичность ферментов и антител, т.е. их способность реагировать только с определенными соединениями. Белки у разных видов организмов. Белки, выполняющие одну и ту же функцию у разных видов растений и животных и потому носящие одно и то же название, имеют и сходную конфигурацию. Они, однако, несколько различаются по своей аминокислотной последовательности. По мере того как виды дивергируют от общего предка, некоторые аминокислоты в определенных положениях замещаются в результате мутаций другими. Вредные мутации, являющиеся причиной наследственных болезней, выбраковываются естественным отбором, но полезные или по крайней мере нейтральные могут сохраняться. Чем ближе друг к другу два каких-нибудь биологических вида, тем меньше различий обнаруживается в их белках. Некоторые белки меняются относительно быстро, другие весьма консервативны. К последним принадлежит, например, цитохром с — дыхательный фермент, имеющийся у большинства живых организмов. У человека и шимпанзе его аминокислотные последовательности идентичны, а в цитохроме с пшеницы иными оказались лишь 38% аминокислот. Даже сравнивая человека и бактерии, сходство цитохромов с (различия затрагивают здесь 65% аминокислот) все еще можно заметить, хотя общий предок бактерии и человека жил на Земле около двух миллиардов лет назад. В наше время сравнение аминокислотных последовательностей часто используют для построения филогенетического (генеалогического) древа, отражающего эволюционные связи между разными организмами.
Денатурация. Синтезированная молекула белка, складываясь, приобретает свойственную ей конфигурацию. Эта конфигурация, однако, может разрушиться при нагревании, при изменении рН, под действием органических растворителей и даже при простом взбалтывании раствора до появления на его поверхности пузырьков. Измененный таким образом белок называют денатурированным; он утрачивает свою биологическую активность и обычно становится нерастворимым. Хорошо знакомые всем примеры денатурированного белка — вареные яйца или взбитые сливки. Небольшие белки, содержащие всего лишь около сотни аминокислот, способны ренатурировать, т.е. вновь приобретать исходную конфигурацию. Но большинство белков превращается при этом просто в массу спутанных полипептидных цепей и прежнюю конфигурацию не восстанавливает. Одна из главных трудностей при выделении активных белков связана с их крайней чувствительностью к денатурации. Полезное применение это свойство белков находит при консервировании пищевых продуктов: высокая температура необратимо денатурирует ферменты микроорганизмов, и микроорганизмы погибают.
СИНТЕЗ БЕЛКОВ
Для синтеза белка живой организм должен располагать системой ферментов, способных присоединять одну аминокислоту к другой. Необходим также источник информации, которая бы определяла, какие именно аминокислоты следует соединять. Поскольку в организме имеются тысячи видов белков и каждый из них состоит в среднем из нескольких сотен аминокислот, необходимая информация должна быть поистине огромной. Хранится она (подобно тому, как хранится запись на магнитной ленте) в молекулах нуклеиновых кислот, из которых состоят гены.
См. также
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ;
НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ.
Активация ферментов. Синтезированная из аминокислот полипептидная цепь — это далеко не всегда белок в его окончательной форме. Многие ферменты синтезируются сначала в виде неактивных предшественников и переходят в активную форму лишь после того, как другой фермент удалит на одном из концов цепи несколько аминокислот. В такой неактивной форме синтезируются некоторые из пищеварительных ферментов, например трипсин; эти ферменты активируются в пищеварительном тракте в результате удаления концевого фрагмента цепи. Гормон инсулин, молекула которого в активной форме состоит из двух коротких цепей, синтезируется в виде одной цепи, т.н. проинсулина. Затем средняя часть этой цепи удаляется, а оставшиеся фрагменты связываются друг с другом, образуя активную молекулу гормона. Сложные белки образуются лишь после того, как к белку будет присоединена определенная химическая группа, а для этого присоединения часто тоже требуется фермент.
Метаболический кругооборот. После скармливания животному аминокислот, меченных радиоактивными изотопами углерода, азота или водорода, метка быстро включается в его белки. Если меченые аминокислоты перестают поступать в организм, то количество метки в белках начинает снижаться. Эти эксперименты показывают, что образовавшиеся белки не сохраняются в организме до конца жизни. Все они, за немногими исключениями, находятся в динамичном состоянии, постоянно распадаются до аминокислот, а затем вновь синтезируются. Некоторые белки распадаются, когда гибнут и разрушаются клетки. Это постоянно происходит, например, с эритроцитами и клетками эпителия, выстилающего внутреннюю поверхность кишечника. Кроме того, распад и ресинтез белков протекают и в живых клетках. Как ни странно, о распаде белков известно меньше, чем об их синтезе. Ясно, однако, что в распаде участвуют протеолитические ферменты, сходные с теми, которые расщепляют белки до аминокислот в пищеварительном тракте. Период полураспада у разных белков различен — от нескольких часов до многих месяцев. Единственное исключение — молекулы коллагена. Однажды образовавшись, они остаются стабильными, не обновляются и не замещаются. Со временем, однако, меняются некоторые их свойства, в частности эластичность, а поскольку они не обновляются, следствием этого оказываются определенные возрастные изменения, например появление морщин на коже.
Синтетические белки. Химики давно уже научились полимеризовать аминокислоты, но аминокислоты соединяются при этом неупорядоченно, так что продукты такой полимеризации мало похожи на природные. Правда, имеется возможность соединять аминокислоты в заданном порядке, что позволяет получать некоторые биологически активные белки, в частности инсулин. Процесс достаточно сложен, и таким способом удается получать лишь те белки, в молекулах которых содержится около сотни аминокислот. Предпочтительнее вместо этого синтезировать или выделить нуклеотидную последовательность гена, соответствующую желаемой аминокислотной последовательности, а затем ввести этот ген в бактерию, которая и будет вырабатывать путем репликации большое количество нужного продукта. У этого метода, впрочем, тоже есть свои недостатки.
См. также ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ.
БЕЛКИ И ПИТАНИЕ
Когда белки в организме распадаются до аминокислот, эти аминокислоты могут быть снова использованы для синтеза белков. В то же время и сами аминокислоты подвержены распаду, так что они реутилизируются не полностью. Ясно также, что в период роста, при беременности и заживлении ран синтез белков должен превышать распад. Некоторые же белки организм непрерывно теряет; это белки волос, ногтей и поверхностного слоя кожи. Поэтому для синтеза белков каждый организм должен получать аминокислоты с пищей.
Источники аминокислот. Зеленые растения синтезируют из СО2, воды и аммиака или нитратов все 20 аминокислот, встречающихся в белках. Многие бактерии тоже способны синтезировать аминокислоты при наличии сахара (или какого-нибудь его эквивалента) и фиксированного азота, но и сахар, в конечном счете, поставляется зелеными растениями. У животных способность к синтезу аминокислот ограниченна; они получают аминокислоты, поедая зеленые растения или других животных. В пищеварительном тракте поглощенные белки расщепляются до аминокислот, последние всасываются, и уже из них строятся белки, характерные для данного организма. Ни один поглощенный белок не включается в структуры тела как таковой. Единственное исключение заключается в том, что у многих млекопитающих часть материнских антител может в интактном виде попасть через плаценту в кровоток плода, а через материнское молоко (особенно у жвачных) быть передано новорожденному сразу же после его появления на свет.
Потребность в белках. Ясно, что для поддержания жизни организм должен получать с пищей некоторое количество белков. Однако размеры этой потребности зависят от ряда факторов. Организму необходима пища и как источник энергии (калорий), и как материал для построения его структур. На первом месте стоит потребность в энергии. Это значит, что, когда углеводов и жиров в рационе мало, пищевые белки используются не для синтеза собственных белков, а в качестве источника калорий. При длительном голодании даже собственные белки расходуются на удовлетворение энергетических нужд. Если же углеводов в рационе достаточно, то потребление белков может быть снижено.
Азотистый баланс. В среднем ок. 16% всей массы белка составляет азот. Когда входившие в состав белков аминокислоты расщепляются, содержавшийся в них азот выводится из организма с мочой и (в меньшей мере) с калом в виде различных азотистых соединений. Удобно поэтому для оценки качества белкового питания использовать такой показатель, как азотистый баланс, т.е. разность (в граммах) между количеством азота, поступившего в организм, и количеством выведенного азота за сутки. При нормальном питании у взрослого эти количества равны. У растущего организма количество выведенного азота меньше количества поступившего, т.е. баланс положителен. При нехватке белков в рационе баланс отрицателен. Если калорий в рационе достаточно, но белки в нем полностью отсутствуют, организм сберегает белки. Белковый обмен при этом замедляется, и повторная утилизация аминокислот в синтезе белка идет с максимально возможной эффективностью. Однако потери неизбежны, и азотистые соединения все же выводятся с мочой и частично с калом. Количество азота, выведенного из организма за сутки при белковом голодании, может служить мерой суточной нехватки белка. Естественно предположить, что, введя в рацион количество белка, эквивалентное этому дефициту, можно восстановить азотистый баланс. Однако это не так. Получив такое количество белка, организм начинает использовать аминокислоты менее эффективно, так что для восстановления азотистого баланса требуется некоторое дополнительное количество белка. Если количество белка в рационе превышает необходимое для поддержания азотистого баланса, то вреда от этого, по-видимому, нет. Избыток аминокислот просто используется как источник энергии. В качестве особенно яркого примера можно сослаться на эскимосов, которые потребляют мало углеводов и примерно в десять раз больше белка, чем требуется для поддержания азотистого баланса. В большинстве случаев, однако, использование белка в качестве источника энергии невыгодно, поскольку из определенного количества углеводов можно получить намного больше калорий, чем из такого же количества белка. В бедных странах население получает необходимые калории за счет углеводов и потребляет минимальное количество белка. Если необходимое число калорий организм получает в форме небелковых продуктов, то минимальное количество белка, обеспечивающее поддержание азотистого баланса, составляет для взрослого человека ок. 30 г в день. Примерно столько белка содержится в четырех ломтиках хлеба или 0,5 л молока. Оптимальным считают обычно несколько большее количество; рекомендуется от 50 до 70 г.
Незаменимые аминокислоты. До сих пор белок рассматривался как нечто целое. Между тем для того, чтобы мог идти синтез белка, в организме должны присутствовать все необходимые аминокислоты. Некоторые из аминокислот организм животного сам способен синтезировать. Их называют заменимыми, поскольку они не обязательно должны присутствовать в рационе, — важно лишь, чтобы в целом поступление белка как источника азота было достаточным; тогда при нехватке заменимых аминокислот организм может синтезировать их за счет тех, что присутствуют в избытке. Остальные, «незаменимые», аминокислоты не могут быть синтезированы и должны поступать в организм с пищей. Для человека незаменимыми являются валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, фенилаланин, триптофан, гистидин, лизин и аргинин. (Хотя аргинин и может синтезироваться в организме, его относят к незаменимым аминокислотам, поскольку у новорожденных и растущих детей он образуется в недостаточном количестве. С другой стороны, для человека зрелого возраста поступление некоторых из этих аминокислот с пищей может стать необязательным.) Этот список незаменимых аминокислот приблизительно одинаков также и у других позвоночных и даже у насекомых. Питательную ценность белков обычно определяют, скармливая их растущим крысам и следя за прибавкой веса животных.
Питательная ценность белков. Питательную ценность белка определяют по той незаменимой аминокислоте, которой более всего не хватает. Проиллюстрируем это на примере. В белках нашего тела содержится в среднем ок. 2% триптофана (по весу). Допустим, что в рацион входит 10 г белка, содержащего 1% триптофана, и что других незаменимых аминокислот в нем достаточно. В нашем случае 10 г этого неполноценного белка по сути эквивалентны 5 г полноценного; остальные 5 г могут послужить только источником энергии. Отметим, что, поскольку аминокислоты в организме практически не запасаются, а для того чтобы мог идти синтез белка, должны одновременно присутствовать все аминокислоты, эффект от поступления незаменимых аминокислот можно обнаружить лишь в том случае, если все они поступят в организм одновременно. Усредненный состав большей части животных белков близок к усредненному составу белков человеческого тела, так что аминокислотная недостаточность нам вряд ли грозит, если наш рацион богат такими продуктами, как мясо, яйца, молоко и сыр. Однако есть белки, например желатин (продукт денатурации коллагена), которые содержат очень мало незаменимых аминокислот. Растительные белки, хотя они в этом смысле и лучше желатина, тоже бедны незаменимыми аминокислотами; особенно мало в них лизина и триптофана. Тем не менее и чисто вегетарианскую диету вовсе нельзя считать вредной, если только при этом потребляется несколько большее количество растительных белков, достаточное для того, чтобы обеспечить организм незаменимыми аминокислотами. Больше всего белка содержится у растений в семенах, особенно в семенах пшеницы и различных бобовых культур. Богаты белком также и молодые побеги, например у спаржи.
Синтетические белки в рационе. Добавляя небольшие количества синтетических незаменимых аминокислот или богатых ими белков к неполноценным белкам, например к белкам кукурузы, можно значительно повысить питательную ценность последних, т.е. тем самым как бы увеличить количество потребляемого белка. Другая возможность состоит в выращивании бактерий или дрожжей на углеводородах нефти с добавлением нитратов или аммиака в качестве источника азота. Полученный таким путем микробный белок может служить кормом для домашней птицы или скота, а может и непосредственно потребляться человеком. Третий, широко применяющийся, метод использует особенности физиологии жвачных животных. У жвачных в начальном отделе желудка, т.н. рубце, обитают особые формы бактерий и простейших, которые превращают неполноценные растительные белки в более полноценные микробные белки, а эти, в свою очередь, — после переваривания и всасывания — превращаются в животные белки. К корму скота можно добавить мочевину — дешевое синтетическое азотсодержащее соединение. Обитающие в рубце микроорганизмы используют азот мочевины для превращения углеводов (которых в корме значительно больше) в белок. Около трети всего азота в корме скота может поступать в виде мочевины, что по сути и означает в определенной мере химический синтез белка. В США этот метод играет важную роль как один из способов получения белка.
ЛИТЕРАТУРА
Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека, тт. 1-2. М., 1993 Албертс Б., Брей Д., Льюс Дж. и др. Молекулярная биология клетки, тт. 1-3. М., 1994

Энциклопедия Кольера. — Открытое общество.
2000.

Белки и аминокислоты (2) (Реферат)

РЕФЕРАТ

Белки

Белки – это биологические
полимеры, состоящие из аминокислот. Ни
один из существующих живых организмов
– от вирусов до растений и животных –
не может существовать без белка. Правда,
у растений имеются особые возбудители
болезней – вироиды, состоящие из одной
нуклеиновой кислоты, однако для их
размножения необходимы белки растительной
клетки-хозяина.

Белки выполняют в организме
множество жизненно важных функций.

Структурная функция

Структурную функцию выполняет,
например, белок кератин, из которого
состоят шерсть, рога, копыта, верхний
отмерший слой кожи. В зависимости от
числа поперечных сшивок, скрепляющих
белковые молекулы, кератиновые структуры
бывают довольно мягкими и гибкими
(волосы), а бывают чрезвычайно жесткими
и прочными (панцирь черепахи).

В сухожилиях содержится белок
коллаген, его фибриллы почти не поддаются
растяжению. Благодаря этому мышечное
усилие передается костям, к которым
крепятся мышцы. При кипячении в воде
коллаген образует желатину, часто
применяющуюся для приготовления студней
и желе. Белок эластин, наоборот, не
слишком прочен, но очень эластичен, он
содержится в стенках сосудов, легко
растягивающихся при увеличении давления.

Белки выполняют структурную
функцию не только на организменном, но
и на клеточном уровне – в любой
эукариотической клетке есть состоящий
из белков внутренний цитоскелет.
Различают три различных цитоскелетных
системы: микротрубочки, микрофиламенты
и промежуточные филаменты.

Микротрубочки представляют
собой трубчатые образования, состоящие
из белка тубулина. По ним, как по рельсам,
движутся органеллы от одного участка
клетки к другому (другие белки прикрепляют
органеллы к наружной стороне «трубы»
и обеспечивают движение). Во время митоза
они обеспечивают расхождение хромосом
к полюсам клетки.

Рис. 1. Слева – строение
микротрубочки, справа – цитоскелет,
образованный микротрубочками, в клетке
соединительной ткани – фибробласте.
Микротрубочки окрашены зеленым, ядро
– голубым

Микрофиламенты состоят из белка
актина. Они образуют сплошную сеть под
наружной мембраной клетки, придавая ей
упругость и прочность. Пучки микрофиламентов
образуются на переднем конце движущейся
амебы (и любой клетки с амебоидным
движением), именно они выпячивают
ложноножку (псевдоподию).

Рис. 2. Слева – строение
микрофиламента, справа – цитоскелет,
образованный микрофиламентами, в
фибробласте. Микрофиламенты окрашены
желтым

Промежуточные филаменты в разных
клетках состоят из различных белков. В
эпителиальных клетках они состоят из
кератина, так что волосы представляют
собой остатки мертвых ороговевших
клеток. По-видимому, эти филаменты просто
придают механическую прочность клетке.

Каталитическая функция

Катализатор – это вещество,
которое ускоряет реакцию, оставаясь в
конце ее неизменным (не расходуясь).
Биологические катализаторы называются
ферментами, а вещества, участвующие в
самой реакции, – субстратами. Почти все
ферменты – это белки. В живой клетке
может содержаться около 1000 ферментов.

Для живой клетки весьма ценны
такие особенности работы ферментов по
сравнению с обычными «химическими»
катализаторами, как специфичность,
высокая эффективность и регулируемость.

Обычно один фермент узнает только
«свой» субстрат и ускоряет одну
определенную реакцию. Правда, в некоторых
случаях специфичность нужна лишь в
определенных пределах – так, многие
протеазы расщепляют любую пептидную
связь белкового субстрата, они неспецифичны
к аминокислотным остаткам, составляющим
эту связь. Однако они не расщепляют
связи между остатками моносахаридов.

Большинство ферментов значительно
превосходят по каталитической активности
неорганические и простые органические
катализаторы. Для эффективной работы
небиологических катализаторов, как
правило, нужна высокая температура,
тогда как в организме человека все
ферменты обходятся температурой около
37°С (а у холоднокровных животных – и
более низкой).

Еще одно ценное свойство ферментов
– это регулируемость, т.е. способность
«включаться» и «выключаться». Это
относится не ко всем ферментам, некоторые
и не надо регулировать.

Однако у ферментов есть и
недостатки. Так, они не выдерживают
высокой температуры – теряют свою
каталитическую активность из-за
денатурации (впрочем, у разных белков
различная устойчивость к температурным
воздействиям – у бактерий-термофилов
белки нормально работают при 100 °С).

Многие ферменты нуждаются для
своей работы в наличии небольших
небелковых соединений – коферментов.
Они часто образуются из витаминов –
почти все витамины группы В являются
предшественниками коферментов. Некоторые
коферменты прочно связаны со своими
ферментами, тогда как другие легко
отделяются от одного белка и присоединяются
к другому.

Некоторые ферменты активны
только тогда, когда связываются с ионами
металлов – магния, марганца, цинка,
железа, меди и др.

Двигательная функция

Все известные способы движения
живых организмов основаны на работе
соответствующих белков. Так, сокращение
мышц обеспечивают мышечные белки актин
и миозин. В поперечно-полосатых мышцах
имеются пучки актиновых и миозиновых
нитей, которые называются тонкими и
толстыми филаментами. При возбуждении
мышцы эти филаменты начинают скользить
друг по другу. Толстые филаменты как бы
втягиваются в пространство между
тонкими, в результате чего мышца
сокращается (энергию для такого
направленного скольжения дает АТФ).

Рис. 3. Скольжение актиновых и
миозиновых нитей вызывает мышечное
сокращение

Они же делают возможным ползание
амебы. На переднем конце амебоидной
клетки растут актиновые филаменты, они
выпячивают наружную мембрану, образуя
ложноножку. Затем ложноножка прикрепляется
к поверхности, по которой ползет амеба.
Наконец, с помощью миозина вся клетка
подтягивается к прикрепленной ложноножке,
и процесс повторяется снова.

Другие белки обеспечивают
подвижность жгутиков. По окружности
жгутика эукариотических клеток
располагаются микротрубочки, связанные
друг с другом с помощью белка динеина.
Этот белок как бы пытается заставить
скользить одну микротрубочку по другой
(вспомните скольжение нитей при мышечном
сокращении). Но микротрубочки скреплены
друг с другом специальными белками,
поэтому они не могут свободно скользить
друг по другу, а могут лишь изгибаться.
Этот изгиб распространяется по всему
жгутику, он начинает биться как хлыст,
вызывая движение всей клетки. Динеин
работает на энергии АТФ.

Рис. 4. Механизм движения жгутика
эукариотических клеток

Транспортная функция

Классический пример транспортного
белка – это гемоглобин крови, который
переносит кислород по кровяному руслу
(он участвует и в транспорте углекислого
газа). Имеются специальные белки,
переносящие по организму различные
вещества: ионы железа (белок трансферрин),
витамин В12 (транскобаламин), жирные
кислоты (сывороточный альбумин),
стероидные гормоны и т. п.

Специальные белки служат и для
транспорта разных веществ через мембрану.
Глюкоза является гидрофильным соединением
и очень плохо проникает через липидный
бислой, поэтому на мембранах различных
клеток имеется специальный белок –
переносчик глюкозы. Хотя бислой проницаем
для воды, все же на мембране есть
белки–аквапорины, ускоряющие прохождение
воды через нее. Некоторые аквапорины
специфично транспортируют только воду,
другие могут переносить еще и разные
небольшие нейтральные молекулы (глицерин,
мочевину).

Питательная или энергетическая
функция

Белки можно расщепить, окислить
и получить энергию, необходимую для
жизни. При окислении 1 г белка выделяется
около 4,1 килокалории. Обычно белки идут
на энергетические нужды организма
человека в крайних случаях, когда
исчерпаны запасы жиров и углеводов.

В яйцеклетках содержатся
специальные запасные белки (например,
яичный альбумин). Когда начинается
развитие нового организма из
оплодотворенного яйца, они расщепляются
и используются как «строительный
материал» для синтеза новых белков, а
также как источник энергии. Запасные
белки содержатся и в семенах растений.

уровней белковой организации

уровень белковой организации

Уровни белковой организации
A 2014 Основы медицины eLAB

Первичная структура белка определяется как аминокислотная последовательность его полипептидной цепи; вторичная структура — это локальное пространственное расположение атомов основной цепи (основной цепи) полипептида; третичная структура относится к трехмерной структуре всей полипептидной цепи; и четвертичная структура представляет собой трехмерное расположение субъединиц в мультисубъединичном белке.В этой серии страниц мы исследуем различные уровни белковой организации. Мы также рассматриваем структуры по-разному — основа Cα, шарнирно-стержневой, CPK, лента, заполнение пространства — также цвет используется для выделения различных аспектов аминокислот, структуры и т. Д. По мере того, как вы проходите через этот модуль обратите внимание на эти аспекты.

Этот модуль включает ссылки на KiNG (Kinemage, Next Generation), который отображает трехмерные структуры в анимированном интерактивном формате.Эти «кинемаги» (кинетические изображения) можно вращать, перемещать и масштабировать, а части можно скрывать или показывать. Первоначально кинемаги были реализованы под эгидой Фонда инновационных технологий и Protein Society, а программированием и обслуживанием занимались Дэвид С. Ричардсон и Джейн С. Ричардсон.

Ссылка : «КИНЕМИДЖ: ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ НАУЧНОЙ КОММУНИКАЦИИ» Д.К. Ричардсон и Дж. Ричардсон (1992) Protein Science 1: 3-9.Также Trends in Biochem. Sci. (1994) 19: 135-8.

Текст адаптирован из : Demo5_4a.kin

Первичная структура пептида или белка — это линейная последовательность его аминокислот (АК). По соглашению, первичная структура белка читается и записывается от аминоконцевого (N) до карбоксильного (C) конца. Каждая аминокислота связана со следующей пептидной связью.

В то время как первичная структура описывает последовательность аминокислот, образующих пептидную цепь, вторичная структура относится к локальному расположению цепи в пространстве.В белках было идентифицировано несколько общих вторичных структур. Они будут описаны в следующих разделах и визуализированы с помощью программного обеспечения KiNG, упомянутого ранее.

Чтобы загрузить Java-апплет KiNG, просто щелкните здесь. После загрузки этой страницы должен автоматически появиться Java-апплет KiNG. Если вам нужна информация об использовании King, наведите указатель мыши на эту ссылку.

Альфа-спираль

Альфа-спираль — это элемент вторичной структуры, в котором аминокислотная цепь расположена по спирали.Связанный выше кинемаг показывает индивидуальную альфа-спираль, если смотреть с N-концевого конца, чтобы напоминать «спиральное колесо» (см. Рисунок ниже). Атомы O и N основной цепи спирали показаны красными и синими шарами соответственно. Нецелое повторение альфа-спирали на 3,6 остатка на виток означает, что Cα последовательных витков смещены примерно наполовину, что придает основной цепи характерный вид 7-конечной звезды на виде с торца. Обратите внимание, что связи Cα-Cβ не направлены в радиальном направлении от оси спирали, а являются «вертушкой» вдоль линии одного из соседних пептидов, давая боковым цепям асимметричное начало.

Гидрофобные боковые цепи показаны морским зеленым цветом, полярные — небесно-голубым, а заряженные — красным. Их можно включить, установив флажок «side ch». Теперь ВКЛЮЧИТЕ и ВЫКЛЮЧИТЕ различные группы и наборы отображения, щелкнув соответствующее поле кнопки.

Когда вы нажимали на разные типы сайдчейнов, что вы наблюдали? Вы заметили, что на одной стороне спирали в основном полярные остатки, а на другой — в основном гидрофобные? Это типичная спираль глобулярных белков; в своей нативной конфигурации полярные остатки обращены к растворителю, тогда как гидрофобные остатки обращены к внутренней части белка. В меню просмотра в KiNG выберите View2 или View3, чтобы увидеть больше структуры.

На рисунке слева показано представление аминокислотной последовательности в виде спирального колеса, как если бы он смотрел вниз по оси альфа-спирали, перпендикулярной странице. Аминокислотные остатки пронумерованы от ближайшего к самому дальнему и расположены в виде идеальной альфа-спирали с 3,6 остатками на полный оборот. Этот рисунок представляет собой снимок Java-апплета, написанного Эдвардом К. О’Нилом и Чарльзом М. Гришемом (Университет Вирджинии в Шарлоттсвилле, Вирджиния).

В KiNG выберите View4, чтобы увеличить изображение сбоку со спиральными водородными связями (Н-связями) коричневого цвета. Включите «Hbonds» на панели кнопок, чтобы увидеть H-связи коричневым цветом. Щелкните атомы основной цепи на обоих концах одной из Н-связей, чтобы убедиться, что альфа-спиральный образец Н-связи действительно идет от донора NH в остатке i к акцептору O в остатке i-4 (как показано на рисунке). рисунок справа). Проверьте, есть ли у этой альфа-спирали 3,6 остатка за оборот. Если вы измеряете, то подъем на полный оборот равен 5.4 Ангстрем (Â).

Альфа-спирали почти все правосторонние. Чтобы увидеть, что это правша, возьмите правую руку большим пальцем вверх и слегка согните пальцы; пытаясь совместить спираль спирали, медленно двигайтесь в направлении, указанном указателем большого пальца, и согните его вдоль линии пальцев, как будто затягивая винт. Когда это движение совпадает со спиралью позвоночника, если выполняется правой рукой, тогда спираль будет правосторонней.

Чтобы измерить фи и пси углы для спирали KiNG в качестве примера, включите «Измерение угла и двугранного угла» в раскрывающемся меню «Инструменты».Начните с нажатия на атом углерода карбонила в верхней части, затем следующий N, затем Cα, а затем снова C; в этой точке информационная линия покажет двугранный угол, который является углом фи центральной связи N-Cα этих 4 атомов. Для правосторонней альфа-спирали он должен находиться в диапазоне от -50 до -80 градусов. Нажмите на следующую букву N, и вы получите угол psi, который должен составлять от -25 до -60 градусов. Продолжайте движение вниз по позвоночнику спирали, получая омега (около 180 градусов), фи, фунты на квадратный дюйм и т. Д. Эти спиральные значения фи, фунты на квадратный дюйм находятся в хорошо населенной области в нижнем левом углу графика Рамачандрана (показано справа).

Таким образом, идеальная альфа-спираль имеет следующие свойства:

• Совершает один оборот через каждые 3,6 остатка;
• Повышается примерно на 5,4 Â с каждым поворотом;
• Это правая спираль;
• Он удерживается вместе водородными связями между C = O остатка i и NH остатка i + 4;
• Обычно он слегка изогнут.

Некоторые общие свойства альфа-спиралей:

• Средняя длина альфа-спирали составляет 10 остатков (15 Â в длину), хотя длина альфа-спиралей может составлять от 4 до 40 остатков в стандартном глобулярном белке.
• Все остатки, участвующие в альфа-спирали, имеют одинаковые углы (phi, psi). Эти углы, составляющие приблизительно -60 и -50, взяты из нижнего левого квадранта графика Рамачандрана.
• Некоторые аминокислоты предпочтительны в альфа-спирали. Остатки, такие как Ala, Glu, Leu и Met, имеют высокую тенденцию к участию в спирали, тогда как остатки, такие как Pro и Gly, имеют небольшую такую ​​тенденцию. Особый интерес представляет пролин, который не укладывается в спираль и вносит излом.
• Спираль имеет общий дипольный момент, который представляет собой векторную сумму выровненных дипольных моментов отдельных пептидных связей. Положительный полюс находится на N-конце, а отрицательный полюс — на C-конце. Иногда этот диполь играет функциональную роль.

Некоторые тексты адаптированы из : Kinemage Supplement to Branden & Tooze «Введение в структуру белка», глава 2 — МОТИВЫ СТРУКТУРЫ БЕЛКА, написанные Джейн С. и Дэвидом К. Ричардсоном.

Бета-цепь — это элемент вторичной структуры, в которой белковая цепь почти линейна. Соседние бета-нити могут образовывать водородные связи, образуя бета-лист (также называемый бета-гофрированным листом). Участвующие бета-цепи не являются непрерывными в первичной последовательности и даже не обязательно должны быть близко друг к другу в последовательности, то есть цепи, образующие бета-лист, могут быть разделены в первичной структуре длинными последовательностями аминокислот, которые не являются частью листа. Примерно четверть всех остатков в типичном белке находится в бета-цепях, хотя это сильно варьируется между белками

.

Чтобы просмотреть бета-версию апплета KiNG Java, щелкните здесь.Kinemage 1 показывает 6-нитевой параллельный бета-лист из домена 1 лактатдегидрогеназы (файл 1LDM). Этот параллельный бета-лист с двойной намоткой является наиболее распространенным паттерном сворачивания, обнаруживаемым в известных белковых структурах. Эта «складка» также известна как «нуклеотид-связывающий домен», потому что большинство примеров связывают мононуклеотид (такой как FMN) или динуклеотид (такой как NAD) около середины одного конца бета-листа. Лактатдегидрогеназа является классическим, впервые обнаруженным примером структуры этого типа и имеет наиболее часто наблюдаемую топологию бета-соединений.

Обратите внимание, что водородные связи в этом параллельном листе наклонены в альтернативных направлениях, а не перпендикулярно прядям, как мы увидим в антипараллельных листах. Перетащите вправо или влево, чтобы лучше увидеть, что лист в целом скручивается. Этот поворот обычно описывается поворотом ориентации пептидных плоскостей (или плоскости Н-связи) по мере продвижения вдоль цепи; по этому определению скрутка бета-листа всегда правосторонняя, хотя и в разной степени. Нажмите на атомы вдоль нити, чтобы определить его направление по номерам остатков, и убедитесь, что все шесть нитей действительно параллельны.Этикетки нитей показывают порядок их последовательности. Обратите внимание, что большинство последовательных пар находятся рядом друг с другом, и что цепочка начинается в середине, перемещается к одному краю, перескакивает обратно к середине и затем перемещается к другому краю. Существует три возможных способа сформировать бета-лист из бета-нити, обсуждаемые ниже.

Типы бета-листов, наблюдаемые в белках

1) Параллельный бета-лист — все склеенные жилы имеют одинаковое направление от N к C. В результате их приходится разделять длинными последовательностями.Водородные связи одинаково удалены.

На рисунке слева показан трехцепочечный параллельный бета-лист из белка тиоредоксина. Три параллельные нити показаны как в карикатурном формате (слева), так и в форме палочек, содержащих атомы основной цепи N, CA, C и O ‘(справа). Водородные связи обозначены стрелками, соединяющими донорный азот и акцепторный кислород. Нити пронумерованы в соответствии с их относительным положением в полипептидной последовательности.

2) Антипараллельный бета-лист — бета-нити проходят в чередующихся направлениях и, следовательно, могут находиться довольно близко на первичной последовательности.Расстояние между последовательными водородными связями чередуется между более короткими и длинными.

На рисунке справа показан трехцепочечный антипараллельный бета-лист из тиоредоксина. Три антипараллельных нити показаны как в карикатурном формате (слева), так и в форме палочек, содержащих атомы основной цепи N, CA, C и O ‘(справа). Водородные связи обозначены стрелками, соединяющими донорный азот и акцепторный кислород. Нити пронумерованы в соответствии с их относительным положением в полипептидной последовательности.

3) Смешанный бета-лист — смесь параллельных и антипараллельных водородных связей. Около 20% всех бета-листов смешаны.

Образцы водородных связей в смешанном бета-листе (рисунок слева). Здесь схематически изображен четырехнитевой бета-лист, содержащий три антипараллельные нити и одну параллельную нить. Водородные связи между антипараллельными нитями показаны красными линиями, связи между параллельными нитями — зелеными линиями.

Некоторые из основных характеристик бета-листов включают:

• Расширенная конформация в бета-цепи составляет около 3.5 Â на остаток, а бета-цепи могут быть удлинены до 35 Â в длину.
• Общая геометрия листа не плоская, а складчатая, с чередующимися атомами углерода Cα выше и ниже средней плоскости листа.
• Из-за хиральности аминокислот (L-аминокислоты) все бета-цепи имеют правый поворот, тогда как бета-лист имеет общий левый поворот.

• Поскольку нити не обязательно должны быть смежными в последовательности, существует множество возможных способов расположения нитей в листе, эти схемы называются топологиями и могут быть довольно сложными.

Включите боковые цепи в KiNG, чтобы проверить их расположение. Вдоль данной нити боковые цепи чередуются между одной стороной листа (золото) и другой (морем или небом). На соседних нитях чередование совпадает, так что боковые цепи образуют ряды, которые находятся в довольно тесном контакте. На параллельном бета-листе геометрия такова, что боковые цепи с разветвленными бета-углеродными атомами (Val, Ile или Thr) создают весьма благоприятный контакт вдоль ряда; поскольку эти позиции обычно скрыты и гидрофобны, результатом является то, что Val и Ile являются доминирующими остатками, обнаруженными в этих положениях.Краевые нити или самые концы данной нити могут подвергаться воздействию растворителя и часто имеют значительно больше гидрофильных остатков (как, например, здесь в строке 0 или Ser в цепи 3).

Некоторые тексты адаптированы из : «Белковый турист: ДВУСТОРОННИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ АЛЬФА / БЕТА-БЕЛКИ ИЛИ НУКЛЕОТИДСВЯЗЫВАЮЩИЕ ДОМЕНЫ», автор J.S. Ричардсон и Д.К. Ричардсон.

Бета-поворот

Повороты обычно происходят, когда белковой цепи необходимо изменить направление, чтобы соединить два других элемента вторичной структуры.Наиболее распространен бета-поворот, в котором изменение направления выполняется в пространстве четырех остатков. Некоторые часто наблюдаемые особенности бета-витков — это водородная связь между C = O остатка i и NH остатка i + 3 (то есть между первым и четвертым остатком поворота) и сильная тенденция к вовлечению глицина и / или пролин. Иногда вы можете услышать фразу «бета-шпилька», которую можно использовать для описания бета-поворота, соединяющего две антипараллельные бета-нити вместе. Бета витки подразделяются на многочисленные типы в зависимости от деталей их геометрии.

Гамма-повороты — это витки с тремя остатками, которые часто включают водородную связь между C = O остатка i и N-H остатка i + 2.

Случайная катушка

Некоторые области белковой цепи не образуют регулярной вторичной структуры и не характеризуются каким-либо регулярным рисунком водородных связей. Эти области известны как случайные спирали и находятся в двух местах в белках:

• Концевые ветви — как на N-конце, так и на C-конце белка;
• Петли — Петли — это неструктурированные области между регулярными элементами вторичной структуры.

Случайные спирали могут иметь длину от 4 до 20 остатков, хотя большинство петель не длиннее 12 остатков. Большинство петель подвергаются воздействию растворителя и имеют полярные или заряженные боковые цепи. В некоторых случаях петли играют функциональную роль, но во многих случаях — нет. В результате области петель часто плохо консервативны (т.е. более подвержены изменениям) в процессе эволюции.

Некоторые тексты адаптированы из : «УПРАЖНЕНИЕ 3. ВТОРИЧНЫЕ СТРУКТУРЫ БЕЛКОВ» Ким М. Гернерт и Ким М.Китцлер.

Как мы узнали, порядок AA — это первичная структура, и все остатки в полипептидной цепи имеют одинаковые атомы основной цепи. Различаются боковые цепи (группы R). Определяют ли конкретные присутствующие AA вторичную структуру? Как показано на рисунке, все аминокислоты можно найти во всех элементах вторичной структуры, но некоторые из них более или менее распространены в определенных элементах. Pro и Gly, например, не очень хороши в спиралях, но предпочитаются в бета-поворотах.Если мы сделаем еще один шаг и спросим, ​​определяют ли комбинации 2, 3 или 4 аминокислот вторичную структуру, мы обнаружим более сильную корреляцию, но все же недостаточно сильную, чтобы надежно предсказать третичную структуру.

Белки в изобилии присутствуют во всех организмах и имеют фундаментальное значение для жизни. Разнообразие структуры белков лежит в основе очень широкого спектра их функций: ферментов (биологических катализаторов), хранения, транспорта, мессенджеров, антител, регуляции и структурных белков.

Белки представляют собой линейные гетерополимеры фиксированной длины; то есть один тип белка всегда имеет одинаковое количество и состав АК, но разные белки могут иметь от 100 до более чем 1000 АК. Следовательно, существует большое разнообразие возможных белковых последовательностей. Линейные цепи складываются в определенные трехмерные конформации, которые определяются последовательностью аминокислот и, следовательно, также чрезвычайно разнообразны, от полностью волокнистых до глобулярных. Ковалентные дисульфидные связи могут быть введены между остатками цистеина, расположенными в непосредственной близости в трехмерном пространстве — это обеспечивает жесткость полученной трехмерной структуры.Ленточные диаграммы, подобные показанной здесь, являются обычным способом визуализации белков.

Белковые структуры могут быть определены на атомном уровне с помощью рентгеновской дифракции и нейтронографических исследований кристаллизованных белков, а в последнее время — с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) белков в растворе. Однако структуры многих белков остаются неопределенными.

Чтобы просмотреть пример третичной структуры в KiNG, щелкните здесь. Это рибонуклеаза А, фермент, ответственный за деградацию РНК.На изображении изображены все атомы одной половины молекулы (голубой для боковых цепей, коричневый для атомов водорода) и только основная цепь и боковые цепи для другой половины. Альтернативный вид показывает атомы основной цепи и водородные связи (фиолетовый). Нажмите «Анимировать», чтобы переключаться между видами.

Хотя атомы водорода составляют примерно половину атомов в белке, они редко показаны явно, потому что их трудно обнаружить с помощью рентгеновской кристаллографии (из-за низкой электронной плотности), и они очень усложняют картину.Это изображение рибонуклеазы представляет собой совместную структуру дифракции рентгеновских лучей / нейтронов, в которую всегда включены водороды. Даже без атомов H представление об атомах слишком тесно, чтобы быть очень полезным, но это хороший способ понять, с чего начинаются упрощенные версии.

Некоторые тексты адаптированы из : Дополнение Kinemage к Branden & Tooze «Введение в структуру белка», глава 2 — МОТИВЫ СТРУКТУРЫ БЕЛКА, Джейн С. и Дэвид К.Ричардсон.

Сворачивание белка — это физический процесс, с помощью которого линейный полипептид складывается в его характерную и функциональную трехмерную структуру. На сворачивание полипептидной цепи сильно влияет растворимость R-групп AA в воде. Каждый белок существует в виде развернутого полипептида или случайной спирали при трансляции из последовательности мРНК в линейную цепочку аминокислот. У этого полипептида отсутствует какая-либо стабильная (долговечная) трехмерная структура (левая часть соседнего рисунка).Аминокислоты взаимодействуют друг с другом, образуя четко определенную трехмерную структуру, свернутый белок (правая часть рисунка), известный как нативное состояние. Таким образом, вся информация для нативной складки содержится в первичной структуре (Анфинсен получил за это Нобелевскую премию), а белки самосвертываются (хотя in vivo , сворачиванию полипептидов часто помогают дополнительные молекулы, известные как молекулярные шапероны. ).

Сведение к минимуму количества гидрофобных боковых цепей, подверженных воздействию воды (гидрофобный эффект), является важной движущей силой процесса складывания.Внутримолекулярные водородные связи также способствуют стабильности белка (подумайте об их важности во вторичных структурах). Ионные взаимодействия (притяжение между разноименными электрическими зарядами ионизированных R-групп) также вносят вклад в стабильность третичных структур. Дисульфидные мостики (ковалентные связи) между соседними остатками цистеина также могут стабилизировать трехмерные структуры. Обратите внимание, что дисульфидные связи редко наблюдаются во внутриклеточных белках из-за восстановления внутриклеточной среды.

Правильная трехмерная структура белка важна для его функции, хотя некоторые части функциональных белков могут оставаться развернутыми. Неспособность свернуться в нативную структуру обычно приводит к образованию неактивных белков, но в некоторых случаях неправильно свернутые белки имеют модифицированную или токсичную функциональность (например, прионы и амилоидные фибриллы). В соответствии с их функциональной важностью, трехмерные структуры белков более консервативны во время эволюции, чем первичные аминокислотные последовательности.

Для тех, кто хочет внести свой вклад в науку, играя в игры, я предлагаю вам попробовать FoldIt. Недавно игроки этой игры смогли правильно предсказать структуру ретровирусной протеазы. Тем, кто хочет, чтобы лишние циклы ЦП использовались с пользой, я предлагаю вам проверить Folding @ home.

Четвертичная структура белков представляет собой наиболее сложную степень организации, которая до сих пор считается отдельной молекулой. Чтобы считаться имеющим четвертичную структуру, белок должен иметь две или более пептидных цепей, образующих субъединицы.Субъединицы могут быть разными или одинаковыми и в большинстве случаев расположены симметрично. Обычно белок с двумя субъединицами называется димером; один с тремя субъединицами тример; и один с четырьмя субъединицами — тетрамер.

Изменения в четвертичной структуре могут происходить через конформационные изменения внутри отдельных субъединиц или за счет переориентации субъединиц относительно друг друга. Именно благодаря таким изменениям, которые лежат в основе кооперативности и аллостеризации «мультимерных» ферментов, многие белки регулируются и выполняют свои физиологические функции.Хорошим примером может служить ДНК-полимераза (см. Изображение) и ионные каналы. Субъединицы удерживаются вместе с помощью одних и тех же типов взаимодействий, которые стабилизируют третичную структуру белков.

Ведутся споры о том, следует ли определять четвертичную структуру, чтобы включать пептиды, связанные ковалентными (дисульфидными) связями. В CMB мы будем использовать четвертичную структуру для обозначения только расположения субъединиц, которые не связаны ковалентно, хотя ковалентные дисульфидные связи могут встречаться внутри отдельных субъединиц.

белков: парадигмы сложности | PNAS

Реферат

Белки — это рабочие машины живых систем. Под управлением ДНК порядка нескольких сотен строительных блоков, выбранных из 20 различных аминокислот, ковалентно связаны в линейную полипептидную цепь. В подходящей среде цепь сворачивается в рабочий белок, часто в глобулу с линейными размерами в несколько нанометров. Биолог рассматривает белковые единицы, из которых построены живые системы.Многие ученые-физики смотрят на них как на системы, в которых законы сложности могут быть изучены лучше, чем где-либо еще. Будем в общих чертах обрисованы некоторые результаты таких исследований.

«История физики — это также история понятий. Для понимания явлений первым условием является введение адекватных понятий ».

Паули — Гейзенбергу

За последние несколько десятилетий общее отношение многих физиков претерпело кардинальные изменения.Раньше физики любили простые системы, пытались понять их в самых простых терминах и часто свысока смотрели на такие области, как химия и биология, где царила сложность. Больше никогда. Сейчас многие физики изучают сложные нелинейные системы и с удивлением обнаруживают, насколько красивы проблемы и насколько полезным может быть взаимодействие с биологами и химиками. Здесь я попытаюсь дать краткое описание того, что такое белки, что они делают, насколько они сложны и почему они почти идеальные системы для изучения сложности.Можно ли назвать эту сложность «самоорганизованной» — это вопрос семантики.

Сложность

Что такое сложность? Какие системы сложные? Каковы ключевые концепции сложных систем?

Систему можно назвать сложной, если она может принимать большое количество состояний или конформаций и может нести информацию. Часто можно услышать, как даже биологи говорят об «астрономически больших числах». Астрономически большие числа на самом деле очень малы по сравнению с биологическими числами.Они имеют порядок 10 ²⁰⁰ или log n _astro ≈ 200. Теперь рассмотрим ДНК. Он построен из четырех разных юнитов (баз) и может содержать 10 ⁹ баз. Таким образом, количество возможных ДНК составляет log n _bio ≈ 10 ⁸ ≫ log n _astro . Число возможных белков порядка log n _prot ≫ 200. Даже количество состояний, которые может принимать отдельный белок, очень велико.Очевидно, что биологические системы также несут информацию. Следовательно, белки и в целом биологические системы сложны.

Белки

Белки состоят из 20 различных аминокислот (1, 2). Под управлением ДНК порядка нескольких сотен таких строительных блоков соединены вместе в линейную полипептидную цепь. Порядок, в котором вставляются различные аминокислоты, определяет структуру, функцию и динамику. В подходящем растворителе цепочка сворачивается в компактную структуру, которая часто является шаровидной и имеет линейные размеры в несколько нанометров.Белки выполняют практически все функции в биологических системах.

Хрестоматийная картина протеина ясна: складчатая структура уникальна; каждый атом находится на своем месте. Снимки, полученные методами дифракции рентгеновских лучей, как представляется, подтверждают эту — на первый взгляд — привлекательную ситуацию. Такие белки уместно охарактеризовать словами Шредингера «апериодические кристаллы» (3). Однако в реальности все иначе. Белки — это динамические, а не статические системы (4), и они должны совершать движения для выполнения своих функций.Движения возможны только в том случае, если данный белок может принимать большое количество несколько различных конформаций, например, с открытыми и закрытыми каналами. На самом деле в движениях участвуют атомы не только самого белка, но и гидратной оболочки, слоя воды, окружающей белок. Структура и динамика белка и гидратной оболочки могут быть охарактеризованы энергетическим или конформационным ландшафтом.

Энергетический ландшафт

Энергетический ландшафт представляет собой конструкцию в измерениях 3 N , где N — количество атомов в белке и гидратной оболочке (5, 6).В энергетическом ландшафте есть долины и перевалочные точки между долинами. Мы называем каждую долину конформационным подсостоянием. Подсостояние описывает структуру всего белка, потому что оно характеризует положения всех атомов. Переходы между подсостояниями соответствуют движениям белков. К сожалению, представить себе ландшафт сложно, потому что он обитает в гиперпространстве. Одно- или двумерные поперечные сечения могут создавать обманчивое впечатление. Одно различие между таким представлением и полным ландшафтом — это путь между двумя подсостояниями.В низкоразмерном поперечном сечении может показаться, что белку нужно преодолеть множество седел, тогда как в действительности может потребоваться только один или два шага.

Одна из целей физического подхода к белкам — исследование энергетического ландшафта. Ни в одном белке не известен весь ландшафт. Это состояние неудивительно, если задуматься, сколько лет потребовалось, чтобы определить уровни энергии сложных ядер или атомов — систем, которые намного проще, чем белки. Тем не менее ряд особенностей выявился, в основном, в результате исследований миоглобина (5, 7).Одной из важных особенностей является то, что энергетический ландшафт организован в виде иерархии с долинами внутри долин внутри долин. Другими словами, подсостояния организованы в серию ярусов. Различные ярусы различаются (средним) размером разделяющих их барьеров. На вершине иерархии, на уровне 0, находятся таксономические подсостояния. Их мало, и они достаточно разные, чтобы их свойства можно было изучать индивидуально. Миоглобин, например, имеет три таксономических подсостояния, называемых A ₀ , A ₁ и A ₃ .При физиологических температурах три подсостояния быстро преобразуются и находятся в тепловом равновесии. Равновесие может быть изменено внешними факторами, например pH, лактатом или давлением. Каждое таксономическое подсостояние содержит очень большое количество подсостояний уровня 1 или статистических подсостояний. Разные статистические подсостояния, как правило, имеют разную скорость для конкретной реакции и немного разные длины волн некоторых переходов. При высоких температурах переходы между подсостояниями уровней 0 и 1 происходят быстрее, чем, скажем, за микро- или наносекунды.При низких температурах, скажем, ниже 100 K, переходы между подсостояниями уровня 0 и 1 практически отсутствуют, и существование подсостояний можно распознать, например, по тому факту, что реакции становятся неэкспоненциальными во времени (8) и что «дырки» ”Может прожечь в неоднородных спектральных линиях (9). Каждое статистическое подсостояние содержит подсостояния с более низкими барьерами. Их мало, их можно назвать «подсостояниями нескольких уровней», и они могут быть похожи на такие уровни в очках. Переходы между такими подсостояниями могут происходить даже в милликельвиновой области.

Таким образом, некоторые особенности энергетического ландшафта миоглобина ясны, но подробности неизвестны. Более того, связи между подсостояниями, структурой и динамикой далеки от понимания.

Энергетический ландшафт и функции

Одна связь энергетического ландшафта с функцией очевидна: переходы между подсостояниями — это движения белков, а движения белков важны для функционирования белков. Однако связь глубже. Как указывалось ранее, миоглобин имеет три таксономических подсостояния.Рассмотрим A ₁ и A ₀ . A ₁ доминирует при высоком pH, A ₀ при низком pH. Функции A ₁ описаны в каждом учебнике; это хранилище дикислорода (1). Оказывается, что A ₀ может иметь совсем другую функцию, а именно участвовать в нитритных реакциях (10). Таким образом, «простой» белок миоглобин на самом деле может быть аллостерическим ферментом, и таксономические подсостояния могут принимать непосредственное участие в этой функции.Это распознавание может открыть путь к поиску таких аллостерий в других белках и выяснить, участвуют ли белковые сети. Но какова роль других уровней в функционировании? Низкотемпературные эксперименты (8) доказывают, что разные подсостояния уровня 1 выполняют одну и ту же реакцию связывания, но с разной скоростью. Таким образом, уровень 0 может определять функцию, уровень 1 — скорость реакции. Функция нижних ярусов пока не известна.

Заключительное замечание

Этот краткий набросок должен прояснить, что белки — действительно сложные системы и что сложность может быть описана через энергетический ландшафт.Сложность возникла в результате эволюции. Структура и функция белков закодированы в ДНК. В живой системе белки являются частью сложной белковой сети (11), и сложные взаимодействия в сети могут контролировать фактическую функцию. Можно ли это назвать самоорганизацией?

Сноски

• ↵ * Электронная почта: frauenfelder {at} lanl.gov.

• Настоящий документ является результатом коллоквиума Артура М. Саклера Национальной академии наук «Самоорганизованная сложность физических, биологических и социальных наук», состоявшегося 23–24 марта 2001 г. в Арнольд энд Мейбл. Центр Бекмана Национальной академии наук и инженерии в Ирвине, Калифорния.

• Copyright © 2002, Национальная академия наук

Краткая информация: «Скользкие» белки не разрушаются

Исследователи определяют, что делает некоторые белки достаточно «скользкими», чтобы избежать разрушения

Роли МакЭлвери

Составная модель структур ClpX (синий) и ClpP (фиолетовый) из PDB 3HWS (Glynn et al., Cell, 2008) и 1YG6 (Bewley et al., J Struct Biol, 2006). Вместе ClpX и ClpP образуют механизм деградации клетки.

Все клетки должны уравновешивать производство новых белков с удалением избыточных или поврежденных с помощью мощных машин деградации, которые, как и измельчители древесины, пережевывают белки и выплевывают их. Но эти белки часто складываются в замысловатые структуры, и их необходимо развернуть, прежде чем они будут загружены в эти машины деградации, разбиты на крошечные кусочки и в конечном итоге переработаны. У бактерий молекулярный мотор, известный как ClpX, должен захватить конец злополучного белка и приложить силу, чтобы выпрямить его.Однако до сих пор исследователи не были уверены, как именно ClpX захватил свою цель достаточно сильно, чтобы выполнить эту задачу.

Были доказательства того, что некоторые аминокислоты — химические строительные блоки, из которых состоят белки, — «скользкие», и поэтому их труднее удерживать. В новом исследовании, опубликованном в eLife , исследователи из отдела биологии Массачусетского технологического института изучили индивидуальный вклад каждой аминокислоты в захват. Анализируя физическую основу этого молекулярного взаимодействия, они надеются лучше понять, как некоторые белки избегают разрушения.

«Предыдущие исследования показали, что маленькие аминокислоты, как известно, трудно захватить, но никто не понимал почему», — говорит Тристан Белл, аспирант и первый автор статьи. «Это похоже на просмотр игры в перетягивание каната и осознание того, что руки человека важны для того, чтобы тянуть веревку, но не имеющего представления о том, что позволяет рукам лучше удерживать веревку».

Он объясняет, что

ClpX имеет примерно форму пончика с петлями, выступающими в центральное отверстие. Эти петли захватывают целевой белок, прижимая его к поверхности ClpX и разворачивая, чтобы его можно было пропустить через отверстие и измельчить.

Исследователи сконструировали белки с хвостами, состоящими из различных комбинаций аминокислот, и измерили, насколько хорошо ClpX может захватывать их как в бактериях, так и в пробирках. Они определили, что ClpX может захватывать только от шести до восьми аминокислот одновременно, и что на самом деле только горстка из 20 возможных аминокислот может быть «хорошо захвачена». Когда ClpX мог захватывать несколько аминокислот одновременно, его сила захвата увеличивалась.

Вид сверху на ClpX, имеющий форму бублика с петлями, выступающими в центральное отверстие.

Как и в предыдущих экспериментах, большие аминокислоты оказалось легче захватить, чем маленькие, «подобно тому, как веревку с узлом легче схватить, чем гладкую и скользкую», — говорит Белл. Но, независимо от размера, аминокислоты, несущие электрический заряд, казались более скользкими.

«Мы думаем, что каким-то образом заряд мешает ClpX устанавливать сильные контакты с целевым белком, не позволяя ему достичь стабильного состояния захвата», — говорит Белл.

Команда считает, что белки со скользким хвостом могут иметь эволюционное преимущество, потому что их труднее захватить и, следовательно, меньше шансов разложиться.

Известно, что захватчики, подобные вирусам, вставляют скользкую последовательность в определенные белки, чтобы предотвратить их разрушение клеткой-хозяином и, таким образом, способствовать репликации. Даже здоровые клетки производят белки со стратегически расположенными скользкими последовательностями, которые позволяют части белка оторваться от механизма деградации без повреждений. У бактерии Caulobacter crescentus этот запланированный разрыв фактически производит версию одного белка, необходимого для репликации ДНК.

«Далее, — говорит Белл, — мы надеемся изучить целые протеомы в разных организмах, чтобы найти больше белков, которые не разрушаются».

«Эксперименты и результаты Тристана раскрывают некоторые молекулярные детерминанты сцепления в машинах бактериального разложения, которые мы изучаем», — говорит Боб Зауэр, профессор биологии Сальвадора Э. Лурия и старший автор исследования. «Многие из обнаруженных им правил применимы к родственным машинам, которые функционируют во всех биологических организмах, включая человека, подчеркивая общую эволюцию этих машин.”

Образец цитирования:
«Взаимодействия между подмножеством боковых цепей субстрата и петлями моторных пор AAA + определяют захват во время разворачивания белка»
eLife , онлайн 28 июня 2019 г., DOI: 10.7554 / eLife.46808
Тристан А. Белл, Таня А. Бейкер и Роберт Т. Зауэр.

Нижнее изображение: модельный белковый субстрат с пронумерованными аминокислотами. Красная тепловая карта показывает, насколько хорошо каждая аминокислота в белке захватывается механизмом разложения, и показывает, что только несколько аминокислот определяют силу захвата.Предоставлено: Bell et al. (2019) / eLife, CC-BY

Химия биологии: белки

Белки

Белки — это органические соединения, содержащие азот, а также углерод, водород и кислород. Белки представляют собой самую разнообразную группу биологически важных веществ и часто считаются центральным соединением, необходимым для жизни. На самом деле в переводе с греческого корня слово означает «первое место». Кожа и мышцы состоят из белков; антитела и ферменты — это белки; некоторые гормоны являются белками; и некоторые белки участвуют в пищеварении, дыхании, размножении и даже нормальном зрении, и это лишь некоторые из них.

Аминокислоты

Очевидно, что существует много типов белков, но все они состоят из аминокислот , связанных вместе посредством синтеза дегидратации. Путем непрерывного добавления аминокислот, называемых пептидами, две аминокислоты соединяются вместе с образованием дипептидов; по мере объединения большего количества пептидов они образуют полипептиды. Белки различаются по длине и сложности в зависимости от количества и типа аминокислот, составляющих цепь. Существует около 20 различных аминокислот, каждая из которых имеет различную химическую структуру и характеристики; например, одни полярны, другие — неполярны.Конечная структура белка зависит от входящих в его состав аминокислот. Функция белка напрямую связана со структурой этого белка. Конкретная форма белка определяет его функцию. Если трехмерная структура белка изменяется из-за изменения структуры аминокислот, белок становится денатурированным и не выполняет свою функцию, как ожидалось.

Bionote

Люди должны получать девять незаменимых аминокислот с пищей, потому что наш организм не способен их производить.Отсутствие аминокислоты ограничивает синтез белка и может привести к дефициту белка, что является серьезным типом недоедания. Средство: ешьте много кукурузы, злаков, бобов и бобовых в рамках своей нормальной сбалансированной диеты.

Структура белка

Трехмерная геометрия белковой молекулы настолько важна для ее функции, что для описания белка используются четыре уровня структуры. Первый уровень, или первичная структура , , представляет собой линейную последовательность аминокислот, которая создает пептидную цепь.Во вторичной структуре водородная связь между различными аминокислотами создает трехмерную геометрию, подобную альфа-спирали или складчатому листу . Альфа-спираль — это просто спиралевидная или свернутая в спираль молекула, тогда как плиссированный лист выглядит как лента с регулярными выступами и впадинами как часть ткани. Третичная структура описывает общую форму белка. Большинство третичных структур либо шаровидные, либо волокнистые. Как правило, неструктурные белки, такие как ферменты, глобулярны, что означает, что они выглядят сферическими.Фермент амилаза — хороший пример глобулярного белка. Структурные белки обычно длинные и тонкие, отсюда и название волокнистые. Четвертичные структуры описывают внешний вид белка, когда белок состоит из двух или более полипептидных цепей. Часто полипептидные цепи образуют уникальные водородные связи друг с другом для создания желаемой конфигурации белка.

Ферменты

Большинство ферментов являются белками, и поэтому их функция зависит от их структуры.Ферменты действуют как катализатор, увеличивая скорость практически всех химических реакций, протекающих в живой системе. Ферменты, как и все катализаторы, не расходуются, а постоянно используются повторно, чтобы катализировать одну и ту же конкретную реакцию. Ферменты зависят от правильного структурного выравнивания и ориентации в активном центре белка и соответствующем сайте реагентов или субстрате , прежде чем реакция может продолжаться. Это геометрическое взаимодействие между ферментом и субстратом называется «моделью замка и ключа». потому что действие фермента аналогично действию замка, в который вставлен ключ (подложка).Если ключ и замок не совпадают, действие не сработает.

То же самое с ферментами и субстратами. Активный сайт фермента и соответствующий сайт субстрата должны физически соединиться, прежде чем может произойти реакция. Вот почему так важна структура фермента. Фермент связывается с соответствующим субстратом только при правильном выравнивании и ориентации для соединения молекул. Образующийся фермент-субстратный комплекс обеспечивает протекание реакции. Наконец, продукты образуются, и фермент высвобождается, чтобы катализировать ту же реакцию с другим субстратом того же типа молекулы.Ферменты могут не работать, если они денатурированы. Помните, что модель упрощает ваше понимание процесса; на самом деле это трехмерные молекулы.

Гормоны

Гормоны — это химические посредники, вырабатываемые в одной части тела для функционирования в другой части тела. Хотя жирорастворимые гормоны состоят из стероидов, водорастворимые гормоны, такие как гормон роста, состоят из аминокислот. Гормоны действуют аналогично ферментам, поскольку оба требуют определенного рецептора и выполняют определенную функцию.После того, как гормон создается и секретируется клеткой, он перемещается — обычно через кровоток — к своей клетке-мишени . Клетка-мишень — это точка действия, которую гормон распознает, связывается с ней и тем самым передает химический сигнал. Гормон идентифицирует клетку-мишень по ее рецепторному белку и использует тот же процесс блокировки и ключа.

Выдержка из The Complete Idiot’s Guide to Biology 2004 Глен Э. Моултон, редактор Д. Все права защищены, включая право на воспроизведение полностью или частично в любой форме.Используется по договоренности с Alpha Books , членом Penguin Group (USA) Inc.

Чтобы заказать эту книгу непосредственно у издателя, посетите веб-сайт Penguin USA или позвоните по телефону 1-800-253-6476. Вы также можете приобрести эту книгу на Amazon.com и Barnes & Noble.

Обзор сшивания и модификации белков | Thermo Fisher Scientific

Ряд методов изучения структуры и взаимодействия белков, а также манипуляции с белками для использования в процедурах аффинной очистки или детектирования зависят от методов химического сшивания, модификации или маркировки белков.

Сшивание — это процесс химического соединения двух или более молекул ковалентной связью. Модификация включает присоединение или отщепление химических групп для изменения растворимости или других свойств исходной молекулы. «Маркировка» обычно относится к любой форме сшивания или модификации, целью которой является присоединение химической группы (например, флуоресцентной молекулы), чтобы помочь в обнаружении молекулы, и описывается в других статьях.

Весь набор методов сшивания и модификации для использования с белками и другими биомолекулами в биологических исследованиях часто называют технологией «биоконъюгирования» или «биоконъюгата».(Конъюгация является синонимом сшивания.)

---

Ковалентная модификация и сшивание белков зависит от доступности определенных химических веществ, которые способны реагировать с конкретными видами функциональных групп, которые существуют в белках. Кроме того, функция и структура белка либо являются предметом непосредственного изучения, либо их необходимо сохранять, если модифицированный белок может быть использован в методике. Следовательно, необходимо учитывать состав и структуру белков, а также возможное влияние модифицирующих реагентов на структуру и функцию белков.

Белки имеют четыре уровня структуры. Последовательность его аминокислот является первичной структурой. Эта последовательность всегда записывается от амино-конца (N-конец) до карбоксильного конца (C-конец). Вторичная структура белка относится к обычным повторяющимся элементам, присутствующим в белках. Есть два основных компонента вторичной структуры: альфа-спираль и бета-складчатый лист. Альфа-спирали представляют собой плотные структуры в форме штопора, образованные одиночными полипептидными цепями. Бета-складчатые листы представляют собой параллельное или антипараллельное расположение полипептидных цепей, стабилизированных водородными связями между соседними группами –NH и –CO.Параллельные бета-листы имеют соседние нити, которые идут в одном направлении (т. Е. N-концы рядом друг с другом), в то время как антипараллельные бета-листы имеют соседние нити, которые идут в противоположных направлениях (т. Е. N-конец одной нити, расположенный в направлении С-конец соседней цепи). Бета-гофрированный лист может содержать от двух до пяти параллельных или антипараллельных прядей.

Третичная структура — это полная трехмерная складчатая структура полипептидной цепи, которая зависит от набора спонтанных и термодинамически стабильных взаимодействий между боковыми цепями аминокислот.Структура дисульфидных связей, а также ионные и гидрофобные взаимодействия сильно влияют на третичную структуру. Четвертичная структура относится к пространственному расположению двух или более полипептидных цепей. Эта структура может быть мономером, димером, тримером и т.д. Полипептидные цепи, составляющие четвертичную структуру белка, могут быть идентичными (например, гомодимер) или разными (например, гетеродимер).

Четыре уровня структуры белка. Последовательность аминокислот, представленная синими точками, соединенными пептидными связями, составляет первичную структуру.Свойства составляющих аминокислот в контексте клеточной среды в значительной степени определяют спонтанное образование структуры более высокого уровня, которая необходима для функции белка.

Техническое руководство по биоконъюгации

Реагенты для сшивания, иммобилизации, модификации, биотинилирования и флуоресцентного мечения белков и пептидов

Загрузить сейчас

Полная структура функционирующего белка включает больше, чем полипептидные цепи на четырех уровнях структуры.Часто происходят различные ковалентные модификации либо во время, либо после сборки полипептидной цепи. Большинство белков подвергаются ко- и / или посттрансляционным модификациям. Примеры включают фосфорилирование (остатков серина, треонина или тирозина), гликозилирование и убиквитинирование.

Знание этих нативных модификаций чрезвычайно важно, поскольку они могут изменять физические и химические свойства, фолдинг, распределение конформации, стабильность, активность и, следовательно, функцию белков.Изучение посттрансляционных модификаций (значение, отличное от модификации белка, обсуждаемой в данной статье) является важной областью исследований; см. соответствующие статьи для обсуждения этой темы.

Поскольку структура белка определяет его биологическую активность, характеристика структуры белка продолжает оставаться важной областью исследований. Белки представляют собой молекулы, которыми относительно легко манипулировать, и методы сшивания белков и химической модификации обычно используются для определения роли отдельных боковых цепей аминокислот в физических, химических и биологических свойствах белков.Кроме того, после понимания их биологических свойств белки часто можно использовать в различных приложениях, таких как приготовление конъюгатов антитело-фермент для иммуноанализов.

---

Функциональные цели и реактивные группы

Несмотря на сложность структуры белка, включая состав с 20 различными аминокислотами, только небольшое количество функциональных групп белка составляют мишени для отбора для практических методов биоконъюгирования. Фактически, только четыре химические мишени белков составляют подавляющее большинство методов сшивания и химической модификации:

• Первичные амины (-Nh3): Эта группа существует на N-конце каждой полипептидной цепи и в боковой цепи остатки лизина (Lys, K).
• Карбоксилы (–COOH): Эта группа существует на С-конце каждой полипептидной цепи и в боковых цепях аспарагиновой кислоты (Asp, D) и глутаминовой кислоты (Glu, E).
• Сульфгидрилы (–SH): Эта группа существует в боковой цепи цистеина (Cys, C). Часто, как часть вторичной или третичной структуры белка, цистеины соединяются между своими боковыми цепями через дисульфидные связи (–S – S–).
• Карбонилы (–CHO): Эти альдегидные группы могут быть созданы путем окисления углеводных групп в гликопротеинах.

Белковые мишени функциональной группы расположены на репрезентативном белке. На этой иллюстрации изображена обобщенная структура белка иммуноглобулина (IgG). Тяжелые и легкие цепи удерживаются вместе за счет комбинации нековалентных взаимодействий и ковалентных межцепочечных дисульфидных связей, образуя двустороннюю симметричную структуру. V-области H- и L-цепей содержат антигенсвязывающие сайты молекул иммуноглобулина (Ig).Каждый мономер Ig содержит два антигенсвязывающих сайта и считается двухвалентным. Шарнирная область — это область H-цепей между первым и вторым доменами C-области, которая удерживается вместе дисульфидными связями. Этот гибкий шарнир (обнаруженный в IgG, IgA и IgD, но не в IgM или IgE) позволяет изменять расстояние между двумя антигенсвязывающими сайтами. Также показаны несколько функциональных групп, которые являются выбираемыми мишенями для практического биоконъюгирования.

---

Для каждой из этих белковых функциональных групп-мишеней существует от одного до нескольких типов реактивных групп, которые способны нацеливаться на них, и они были использованы в качестве основы для синтеза сшивающих и модифицирующих реагентов.

Методы биоконъюгирования, 3-е издание

Bioconjugate Techniques, 3 ^rd Edition (2013) Грега Т. Хермансона является крупным обновлением книги, которая широко известна как исчерпывающее справочное руководство в области биоконъюгирования.

Bioconjugate Techniques — это полный учебник и руководство по протоколам для биологов, желающих изучить и освоить методы биомолекулярного сшивания, маркировки и иммобилизации, которые составляют основу многих лабораторных приложений.Книга также является исчерпывающим и надежным справочником для исследователей, стремящихся разработать новые стратегии конъюгации для совершенно новых приложений. Он также содержит обширное введение в область биоконъюгирования, которое охватывает все основные приложения технологии, используемые в различных научных дисциплинах, а также содержит советы по созданию оптимального биоконъюгата для любых целей.

Загрузить Bioconjugate Techniques, 3 ^rd Edition

---

Сшивание — это процесс химического соединения двух или более молекул ковалентной связью.Сшивающие реагенты (или сшивающие агенты) представляют собой молекулы, которые содержат два или более реактивных конца, способных химически присоединяться к определенным функциональным группам (первичным аминам, сульфгидрилам и т. Д.) На белках или других молекулах.

Присоединение двух групп к одному белку приводит к внутримолекулярным поперечным связям, которые стабилизируют третичную или четвертичную структуру белка. Присоединение между группами двух разных белков приводит к межмолекулярным поперечным связям, которые стабилизируют межбелковое взаимодействие.В качестве альтернативы, если образец представлял собой смесь двух очищенных белков (например, антитела и фермента), межмолекулярная сшивка создает специфический конъюгат для использования в процедурах обнаружения. Наконец, соединение между белком и химической группой на твердом материале, таком как предметное стекло или гранулированная смола, приводит к иммобилизации белка на поверхности; иммобилизация белков является основой для многих видов систем анализа и аффинной очистки.

Таким образом, сшивание используется для многих целей, в том числе для:

• Стабилизация третичной и четвертичной структуры белка для анализа.
• Захватите и определите неизвестные белковые взаимодействия или домены взаимодействия.
• Конъюгировать фермент или метку с антителом или другим очищенным белком.
• Иммобилизовать антитела или другие белки для анализов или аффинной очистки.
• Присоедините пептиды к более крупным «несущим» белкам для облегчения обращения / хранения.

Сшивающие агенты выбираются на основе их химической активности (т.е. специфичности для определенных функциональных групп) и других химических свойств, которые облегчают их использование в различных конкретных применениях:

• Химическая специфичность , включая то, имеет ли реагент такой же или разные реактивные группы на обоих концах (т.е., имеет ли он гомобифункциональную или гетеробифункциональную структуру?)
• Длина спейсерного плеча , включая вопрос о том, является ли плечо расщепляемым (т.е. может ли связь быть обращена или разорвана при желании?)
• Водорастворимость и клеточная мембрана проницаемость (т. е. можно ли ожидать, что реагент проникнет в клетки и / или сшит гидрофобные белки внутри мембран?)
• Спонтанно реактивные или фотореактивные группы (т. е. будет ли реагент реагировать, как только он будет добавлен к образец или может ли его реакция активироваться в определенное время?)

Пример сшивающего агента: BS3.

---

Химическая модификация белков

Методы анализа и обнаружения белков часто требуют большего, чем прямая конъюгация с бифункциональным сшивающим агентом или активированным реагентом для мечения. Например, во многих ситуациях необходимы специализированные модификации белка для увеличения молекулярной массы, увеличения растворимости для хранения или создания новой функциональной группы, на которую можно воздействовать на последующей стадии реакции.

Проще говоря, реагенты для модификации белков — это химические вещества, которые блокируют, добавляют, изменяют или расширяют молекулярную досягаемость функциональных групп.(В более общем смысле модификация белков также включает протеазы и восстанавливающие агенты для расщепления полипептидов, но это отдельные темы, которые лучше обсудить в других статьях.) Для описания типов и целей модифицирующих реагентов достаточно трех примеров:

• Пегилирование: Химическое присоединение групп полиэтиленгликоля (ПЭГ) с одно- или разветвленной цепью к белкам является формой мечения или модификации, которая в основном используется для придания белкам растворимости в воде и / или инертной молекулярной массы.Формы PEG, которые были синтезированы для содержания реакционноспособных химических групп, содержат готовые к использованию активированные реагенты для пегилирования.

Примеры одноцепочечных реагентов ПЭГилирования, реагирующих с амином.

• Блок-сульфгидрилы: Белковые сульфгидрилы (боковая цепь цистеина) являются важными регуляторами структуры и функции белка. Некоторые реагенты способны постоянно или обратимо реагировать с сульфгидрильными группами (например, NEM или MMTS, соответственно).Эти реагенты добавляют очень маленький «колпачок» к природному сульфгидрилу, позволяя контролировать активность определенных ферментов для конкретных целей анализа.

Сульфгидрилы могут быть заблокированы с помощью NEM и MMTS.

• Преобразование аминов в сульфгидрилы: SATA и родственные реагенты содержат амино-реактивную группу и защищенную сульфгидрильную группу. Путем реакции соединения с очищенным белком боковая цепь остатков лизина может быть модифицирована, чтобы она содержала сульфгидрильную группу для нацеливания с помощью сульфгидрильных сшивающих агентов или химикатов иммобилизации.Этот метод фактически не превращает амин в сульфгидрил; скорее он присоединяет сульфгидрилсодержащую группу к первичному амину. Эффект также заключается в увеличении длины боковой цепи на несколько ангстрем.

Сульфгидрилы можно превратить в амины с помощью SATA или реагента Траута.

---

1. Практический подход к сшиванию. Mattson, G., et al. Molecular Biology Reports (1993) 17: 167-183
2. Консервативный мотив в С-концевом хвосте ДНК-полимеразы А связывает примазу с реплисомой эукариот.Килкенни М.Л., Де Пикколи Г., Перера Р.Л., Лабиб К., Пеллегрини Л., Дж. Биол Хим 2012; (287): 28 23740-23747
3. Редокс-регулируемое динамическое взаимодействие между Cox19 и медьсвязывающим белком Cox11 в межмембранном пространстве митохондрий способствует биогенезу цитохром с оксидазы. Bodea M, Woellhafa MW, Bohnertb M, Laanb MVD, Sommerd F, Junge M, Zimmermanne R, Schrodad M и Herrmanna JM. Молекулярная биология клетки, том 26, 1 июля 2015 г.

Четыре уровня структуры белка — физиология клетки

Структура и функции белка

Белки являются строительными блоками клеточных структур и двигателей клеточной активности.Они имеют модульную природу, и их взаимодействие с другими молекулами в клетке зависит от наличия определенных функциональных доменов. Точная форма домена, возникающая в результате наличия нековалентных связей между остатками в полипептидной цепи, определяет функцию. Самый известный пример взаимосвязи формы и функции — теория ферментативной функции «ключ и замок». Изменение ферментативного кармана из-за мутации или модификации аминокислотного остатка изменяет аффинность и / или специфичность фермента.Короче говоря, чем лучше подходят две молекулы, тем лучше они функционируют, тем больше связей может быть создано, тем быстрее может пройти сигнал или тем сильнее соединяются две молекулы (подумайте о молекулах адгезии).

Трехмерная конформация белка зависит от взаимодействий между аминокислотами в полипептидной цепи. Поскольку последовательность аминокислот зависит от генетического кода, форма белка закодирована в ДНК. Белки имеют четыре уровня организации. Первичная структура относится к линейной последовательности аминокислот, связанных пептидными связями.Вторичная структура состоит из локальной упаковки полипептидной цепи в α-спирали и β-листы за счет водородных связей между пептидной связью и центральной углеродной цепью. Третичная (3D) структура — это форма, возникающая в результате складывания вторичных структур, определяемых взаимодействиями между боковыми цепями аминокислот. Четвертичная структура описывает расположение полипептидных цепей в многосубъединичном расположении.

В этом видео показаны 4 уровня структуры белка.
Адаптировано из банка данных RCSBProtein по лицензии CC -BY

Все, что необходимо для придания белку уникальной формы и, следовательно, уникальной функции, «записано» во фрагменте ДНК, известном как ген. Каждый раз, когда ген транскрибируется, либо в течение жизни клетки, либо в любой клетке, имеющей одну и ту же ДНК, природную или рекомбинантную, белки появляются одинаково и принимают на себя их заранее запрограммированную функцию.

Первичная структура белков

Белки — это самый важный и универсальный класс макромолекул в клетке.Роли, которые играют эти молекулы, охватывают все: от транспорта питательных веществ, катализаторов биохимических реакций до структурных компонентов клеток или молекулярных моторов. Белки представляют собой линейные полимеры аминокислот, связанных пептидными связями. Они синтезируются из матричной цепи ДНК и содержат уникальные и специфические аминокислотные последовательности в линейной форме, известной как первичная структура .

Только двадцать аминокислот необходимы и достаточны для производства тысяч белков в клетке.Это не значит, что аминокислот всего двадцать. Это распространенное заблуждение. В мире существует бесчисленное множество аминокислот, но они участвуют в других метаболических реакциях, но не в синтезе белка. Как индивидуальный белок приобретает свою идентичность, заключается в упорядоченной комбинации аминокислот, которая определяет все его характеристики.

Аминокислоты, которые связаны пептидной связью, называются полипептидной цепью. Полипептидная цепь состоит из последовательности , состоящей из аминокислот, продиктованной геном.Последовательность аминокислотных цепей обеспечивает разнообразие, необходимое для удовлетворения потребностей жизни. Сохранение специфических белковых последовательностей настолько важно, что в клетке есть механизмы регуляции, гарантирующие, что производятся только идеальные белки. Каждая отдельная последовательность имеет уникальный порядок, который передает очень уникальную функцию. Если бы вы изменили одно-единственное расположение цепочки, у этой цепочки была бы совершенно другая функция. Функция белка может быть нарушена или полностью потеряна, если последовательность нарушена.Но не все мутации или модификации белков приводят к катастрофическим последствиям. Некоторые из них заставляют клетки и организм лучше адаптироваться к давлению окружающей среды — процесс, известный как эволюция.

Свойства аминокислот и различия их боковых цепей

Аминокислоты имеют одинаковую основную структуру, которая важна для правильного образования химической связи между соседними молекулами. Каждая аминокислота имеет центральный углерод, обозначенный как α-углерод. К α-углероду всегда присоединены следующие четыре группы:

1. –Nh3 основная аминогруппа
2. –COOH кислотная группа (известная как карбоксильная группа)
3. –H атом водорода
4. –R боковая цепь

-R символизирует вариабельную боковую цепь, которая представляет собой единственную химическую группу , которая различается среди всех двадцати аминокислот. По сути, боковая цепь делает аминокислоту уникальной и может считаться ее отпечатком пальца.

Наиболее важным свойством аминокислот, которое влияет на сворачивание и, следовательно, на функцию всей белковой молекулы, является их известное и предсказуемое взаимодействие с водой. Таким образом, аминокислоты можно разделить на гидрофильные и гидрофобные группы. Гидрофобные, или неполярные, аминокислоты имеют в качестве боковых цепей насыщенные углеводороды. Этими аминокислотами являются аланин, валин, метионин, лейцин и , изолейцин и две аминокислоты с ароматическими кольцами , триптофан и фенилаланин .Гидрофобные неполярные аминокислоты играют важную роль в сворачивании белков, потому что они имеют тенденцию сближаться и скапливаться от воды. Эти аминокислоты обычно образуют трансмембранные домены и обнаруживаются глубоко погребенными в гидрофобной внутренней части большинства глобулярных белков.

Гидрофильные аминокислоты легко взаимодействуют с водой. В эту группу входят аминокислоты, которые ионизируются и становятся электрически заряженными (как отрицательно, так и положительно) при диссоциации, и аминокислоты, которые полярны, но не заряжены.Аминокислоты, которые имеют боковые цепи с карбоксильной группой в дополнение к карбоксильной группе при α-углероде, используемом при образовании пептидной связи, несут отрицательный заряд. Эти остатки — это глутаминовая кислота и аспарагиновая кислота — обратите внимание, что их названия фактически содержат термин «кислота» из-за наличия ДВУХ карбоксильных групп.

Боковые цепи лизина , аргинина и гистидина имеют сильные основные группы и положительно заряжены. Полярные, но незаряженные гидрофильные аминокислоты — это аспарагин , глутамин, серин, треонин и тирозин .Гидрофильные и заряженные боковые цепи аминокислот обнажены на поверхности белка и особенно широко распространены в ферментативных карманах или транспортных молекулах. Облученные электрические заряды передают природу и активность белка другим молекулам и действуют как магниты, притягивая аналогичные силы для взаимодействия.

Несколько аминокислот вносят вклад в структуру белка из-за уникальных свойств, характерных для их боковых цепей. Структура пролина отличается от других аминокислот тем, что его боковая цепь связана с азотом, а также с центральным углеродом.Эта аминокислота химически нереакционноспособна (гидрофобна), но из-за своего пятичленного кольца она нарушает геометрию сворачивающегося белка, вызывая резкие сдвиги в конформацию, физически создавая перегибы и изгибы полипептидной цепи. Глицин вообще не имеет боковой цепи, только второй атом водорода, присоединенный к α-углероду. Не проявляя сильного полярного характера или электроотрицательности, это обычно наблюдается в местах, где части полипептидной цепи изгибаются и приближаются друг к другу.

Цистеин — это аминокислота, которая, как известно, сильно влияет на структуру белка . Он имеет сульфгидрильную группу, отвечающую за образование дисульфидных связей, которые стабилизируют третичную структуру белков и вносят большой вклад в молекулярные функции, о которых вы узнаете позже в этом тексте.

Вторичная структура и все петли

Как мы узнаем, как на самом деле выглядят белки, когда они свернуты? Есть два метода, позволяющих заглянуть в структуру белка; дифракция рентгеновских лучей и ядерный магнитный резонанс (ЯМР).Метод дифракции рентгеновских лучей создает трехмерную контурную карту электронов в кристалле белка на основе того, как рентгеновские лучи отражаются, когда они проходят через образец. ЯМР измеряет расстояние между белками в насыщенном растворе, а информация об ограниченном пространстве используется для определения складчатых структур каждого белка. Эти два теста вместе помогают нам понять, какова сложенная форма белка.

Форма белка определяется исключительно аминокислотной последовательностью в полипептидной цепи.Верно; это как ДНК, уникальный код создает уникальный дизайн. Сворачивание белка является результатом физических свойств боковых цепей аминокислот и их взаимодействия с окружающей их средой. Белки складываются в наиболее энергоэффективную форму, называемую нативное состояние , в несколько этапов или уровней в структуре белка.

Фолдинг и архитектура белка

При воздействии условий в цитозоле или просвете ER полипептидные цепи принимают локализованную организацию, называемую вторичной структурой , которая оптимизирует взаимодействия между боковыми цепями аминокислот друг с другом и водой.Каркас полипептида складывается в спирали и ленты из α-спиралей и β-листов соответственно. Как α-спираль, так и β-лист представляют собой сегменты полипептида, которые имеют правильную геометрию и связаны между собой плавными и не очень плавными поворотами и разделены менее организованными петлями.

Альфа-спираль — это структура, которая упаковывает α-атомы углерода с вращением, обеспечивающим благоприятные углы для образования прочных водородных связей и плотной упаковки боковых цепей. Бета-листы представляют собой плоские структуры, состоящие из нескольких β-нитей, связанных с соседними β-нитями посредством водородных связей.В β-листах полипептидная цепь может идти в одном (параллельном) или противоположном направлении (антипараллельно). Водородные связи более стабильны, когда β-лист имеет антипараллельные, а не параллельные нити. Параллельные листы, как правило, скрываются внутри белковой структуры. Вторичные структуры соединены неструктурированными участками, образующими несколько петель.

Третичная структура белка

Есть много способов объединения вторичных структур в большую трехмерную решетку. Третичная структура белка представляет собой трехмерную комбинацию α-спиралей и β-листов, которые складываются рядом друг с другом в результате нековалентных взаимодействий между боковыми группами аминокислот и окружающей средой, окружающей отдельный полипептид. На этом этапе белки начинают укреплять свою структуру за счет дополнительных связей, таких как дисульфидные связи между двумя цистеинами . Наиболее важной особенностью третичных структур является наличие консервативных областей со схожими функциями, известных как функциональных доменов .Третичные структуры менее стабильны, и действительно, большинство из них меняют форму в течение жизни белка, часто многократно. Конформационные изменения в этих функциональных доменах являются основой функции белка. Они могут быть постоянными во время сворачивания и созревания белка или обратимыми и служить способом регулирования активности белка в реакции в масштабе реакции. Белковые домены являются областями схожей активности. У них не обязательно есть сохраненная последовательность. Например, киназный домен, ответственный за присоединение фосфатной группы, имеет другую форму и последовательность, в зависимости от субстрата, к которому присоединена фосфатная группа.Вторичные структуры, образующие домены, не обязательно должны располагаться последовательно в полипептидной цепи. В случае мультимерных белков они могут даже входить в состав нескольких различных полипептидов.

Мотивы представляют собой подгруппу функциональных доменов, которые имеют эволюционно консервативные последовательности , придающие им, конечно, консервативную форму. Один пример, мотивы coiled-coil — очень регулярные надстройки двух α-спиралей, спаренных, чтобы сформировать волокнистую конфигурацию, которая является основой стабильных димеров.Обычно это две идентичные α-спирали, обернутые друг вокруг друга в левой конформации и стабилизированные за счет гидрофобных взаимодействий. Межмолекулярные ионные связи между боковыми цепями в α-спирали, расстояние между которыми составляет 3,6 остатка, дают гидрофобным остаткам пространство для взаимодействия с аналогичным мотивом на противоположном белке.

Четвертичная структура

Четвертичная структура является результатом сборки двух или более полипептидов в один функциональный мультимерный белок .Субъединицы собираются посредством взаимодействий между доменами или областями в белке и удерживаются вместе гидрофобными взаимодействиями (два влажных зеркала) и дисульфидными связями. Если субъединицы одинаковые, структура описывается префиксом homo , а если они разные — префиксом гетеро (как в гомодимере мышечной гликогенфосфорилазы или как в гетеротримерных белках G)

Внутриклеточные процессы, такие как передача сигналов, зависят от взаимодействия между молекулами.Чем лучше молекулярное соответствие между двумя молекулами, тем больше связей они могут образовывать или тем сильнее взаимодействие (сродство между ними). Аминокислотная последовательность, продиктованная геном, и, в свою очередь, свойства боковых цепей аминокислот определяют форму и, в свою очередь, взаимодействия.

Раскрытие структуры белка | Essays in Biochemistry

Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей (SAXS)
Дифракция на некристаллических образцах, представляющих собой порошки или раствор, в которых все молекулы ориентированы случайным образом, обычно называется рассеянием.Дифракционная картина усредняется во всех направлениях, сферически, потому что рентгеновский луч встречает все возможные ориентации молекул в образце. Дифракционная картина по-прежнему содержит информацию о том, как электронная плотность изменяется с расстоянием от центра молекул, составляющих этот образец.	Анализ интенсивностей при различных углах рентгеновского излучения и образца (малых) дает функцию распределения расстояний, которая дает частоты всех возможных внутримолекулярных расстояний в белке.Исходя из этого, вы можете смоделировать общую форму белка и создать простую белковую оболочку. Поскольку образцы находятся в растворе, вы можете легко обнаружить динамические, связывающие и конформационные изменения. Эти данные также позволяют рассчитать радиус вращения (расстояние, на которое распространяется масса).	Данные могут быть записаны относительно быстро за 1 день, и требуются только хорошо подобранные буферные растворы, чтобы вычесть любой вклад рассеяния из буфера. Некоторые учреждения теперь могут анализировать несколько образцов в 96-луночном планшете, но чаще всего за один раз можно измерять только один образец.
Изотермическая калориметрия для титрования
Измерение изменений тепла при добавлении молекул в белковые растворы.	Он сообщает вам, насколько хорошо молекула связывается, а также об энтальпии, энтропии и свободной энергии взаимодействия.	Одно титрование для одного взаимодействия занимает примерно 2 часа.
Нативная масс-спектрометрия
Электрораспылительная ионизация работает путем пропускания тока через летучий растворитель.Это заставляет белковые комплексы ионизироваться и переходить в газовую фазу. Молекулярная масса может быть рассчитана по тому, сколько времени требуется иону, чтобы пройти заданное расстояние. Это называется временем полета (TOF).	Молекулярная масса белков и комплексов может быть определена в газовой фазе. Его можно использовать, чтобы сообщить вам по изменениям массы, связан ли белок с другой молекулой, например, с ионом металла или лекарством.	Каждый спектр может быть получен за несколько секунд, поэтому за день можно измерить множество образцов, но анализ данных может занять намного больше часов.
Общая флуоресценция
Флуоресценция включает использование луча света, который возбуждает электроны в молекулах определенных соединений и заставляет их излучать свет с большей длиной волны.	Различные флуорофоры поглощают и излучают свет с разной длиной волны в зависимости от окружающей среды. Например, молекула 8-анилино-1-нафталинсульфоновая кислота (ANS) является широко используемым флуоресцентным зондом для характеристики белков и сайтов связывания, поскольку она флуоресцирует только при связывании с гидрофобными участками на белке.	Процесс очень быстрый, занимает миллисекунды. Используя многолуночные считыватели планшетов, можно записать многие сотни измерений в течение нескольких минут.
Дифференциальная сканирующая флуориметрия
Когда белки сворачиваются, они скрывают свое гидрофобное ядро ​​и не могут связывать флуоресцентный краситель. При нагревании во время повышения температуры белок разворачивается и связывает краситель, и флуоресценция красителя увеличивается.	Он сообщает вам температуру, при которой разворачивается половина белка, также известная как T m .Если вы добавляете молекулу лекарства к белку, T m увеличивается, и это может сказать вам, насколько хорошо он связывается.	Вы можете измерить 96 образцов всего за 1 час. Он очень популярен для скрининга многих партнеров по связыванию и условий буфера.
Внутренняя флуоресценция триптофана
В белках боковая аминокислотная цепь триптофана является флуоресцентной. Длина волны излучаемого света колеблется от ~ 300 нм в неполярных средах, таких как внутренняя часть белка, до 350 нм в водных полярных средах на поверхности.	Поскольку максимальная длина волны излучаемого света зависит от окружающей среды вокруг боковой цепи аминокислоты, флуоресценцию можно использовать как очень чувствительное измерение конформационного состояния отдельных остатков триптофана. Если излучаемый свет ближе к 300 нм, то триптофан находится в неполярной среде, или если он ближе к 350 нм, он находится в водной полярной среде.	Как и в случае обычной флуоресценции, процесс очень быстрый. Обычно спектры излучения можно получить менее чем за минуту, что означает, что многие образцы можно проанализировать быстро.
Химическая денатурация с последующей собственной флуоресценцией триптофана
Сложенные белки обычно содержат триптофаны, скрытые в ядре, и они флуоресцируют иначе, чем когда они подвергаются воздействию при разворачивании, из-за сильного химического денатуранта, такого как мочевина или гуанидин. Эти химические вещества титруются в сложенный белковый раствор, и флуоресценция измеряется для каждой точки.	Данные нанесены на график, и вы получите кривую денатурации, которая покажет вам концентрацию денатуранта в том месте, где развернута половина белка.Наклон перехода также говорит о том, насколько белок чувствителен к денатуранту. Вместе эти значения позволяют рассчитать изменение свободной энергии для разворачивания, что является абсолютной мерой стабильности белка. Если лекарства или лиганды также включены в отдельный эксперимент, то можно рассчитать константу связывания. Белки также могут быть внезапно вызваны сворачиванием или разворачиванием, при этом изменение флуоресценции можно измерить в реальном времени, чтобы понять кинетику сворачивания белков.	Эти анализы обычно проводят в 96-луночном планшете с использованием небольших объемов и низких концентраций белков.Титрование всего планшета может занять около 6 часов и требует больше анализа данных, чем дифференциальная сканирующая флуориметрия, но дает более точные и количественные данные. Кинетика разворачивания белка также может быть проведена в планшете, но для прямой кинетики сворачивания обычно требуется спектрометр с остановленным потоком, а производительность ниже.
Передача энергии резонанса флуоресценции
Передача энергии резонанса флуоресценции (FRET) — это зависящий от расстояния физический процесс, посредством которого энергия передается между двумя флуорофорами.Свет поглощается флуорофором на одной длине волны (возбуждение), за которым следует излучение на более длинной длине волны, которое поглощается соседним флуорофором, который затем излучает свет с еще большей длиной волны, который обнаруживается. В идеале эти флуорофоры должны иметь узкие, но частично перекрывающиеся эмиссионные линии. Пара FRET может быть небольшими молекулами, такими как родамин и флуоресцеин, которые поперечно сшиты непосредственно с белком. В качестве альтернативы, молекулы, такие как зеленый или синий флуоресцентный белок (GFP / BFP), могут быть связаны непосредственно с концами двух исследуемых белков.	Может использоваться в качестве молекулярной линейки для определения расстояния между двумя молекулами. Один белок помечен донорным флуорофором, а второй — акцепторным флуорофором. Если они находятся в пределах нескольких нанометров, происходит передача энергии. Он используется для измерения динамики и взаимодействия белков.	Сбор данных для FRET происходит быстро после того, как белки помечены. Однако прикрепление флуоресцентных зондов к белку может занять много часов или дней.
Вычислительная биология белков
Вычислительная биология может использоваться для прогнозирования структуры и динамики белков.Было разработано много мощных алгоритмов, которые учитывают химические свойства аминокислотной последовательности для характеристики белков. Моделирование гомологии использует последовательность белка с неизвестной структурой с известной структурой, которая обычно находится в родственном семействе (см. SCOP и CATH), для моделирования неизвестной структуры. Этот метод является активной областью исследований. Другой важной областью является моделирование молекулярной динамики, которое применяет к белкам правила химии и физики, которые определяют поведение молекул в водной среде.Общесистемный анализ белков использует протеом организма, который представляет собой все его белковые последовательности, определенные в результате секвенирования генома.	Эти методы генерируют несколько важных белковых баз данных с предсказанными структурами, взаимодействиями и эволюционными отношениями, которые генерируют гипотезы, которые можно проверить в лаборатории. Молекулярная динамика генерирует фильмы движения белков, которые предоставляют новую информацию о том, как ведут себя белки, которую невозможно увидеть с помощью традиционных экспериментальных методов.Новая область системной биологии пытается объединить всю доступную информацию о белках в организме, чтобы смоделировать, как все они работают вместе в клетке или целостном организме для выполнения жизненных функций.	Многие базы данных делают прогнозы относительно белков автоматически, и информация доступна любому. Например, база данных UniProt имеет исчерпывающий, качественный и свободно доступный ресурс последовательностей белков и функциональной информации. Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт Сохранить моё имя, email и адрес сайта в этом браузере для последующих моих комментариев.