Kā sauc galvenos regulējošos proteīnus? Regulējošie proteīni: izcelsme

(no lat. regulo - sakārtot, koriģēt), proteīnu grupa, kas iesaistīta dekomp regulēšanā. bioķīm. procesi. Nozīmīga grupa R. b., šis raksts ir veltīts Krimai, ir proteīni, kas mijiedarbojas ar DNS un kontrolē gēnu ekspresiju (gēnu ekspresiju ķermeņa pazīmēs un īpašībās). Lielais vairums tādu R. būtu. darbojas līmenī transkripcijas(Ziņneša RNS jeb mRNS sintēze uz DNS veidnes) un ir atbildīga par mRNS sintēzes (attiecīgi aktivatorproteīnu un represorproteīnu) aktivizēšanu vai apspiešanu (nomākšanu).

Zināms apm. 10 represori. Naib. Starp tiem tika pētīti prokariotu represori (baktērijas, zilaļģes), kas regulē laktozes metabolismā iesaistīto enzīmu sintēzi (lac-repressors) Escherichia coli (E. coli), un bakteriofāga A represors. Viņu darbība tiek realizēta, saistoties ar konkrētu. atbilstošo gēnu DNS (operatoru) sekcijas un bloķē šo gēnu kodētās mRNS transkripcijas uzsākšanu.

Represors parasti ir divu identisku polipeptīdu ķēžu dimērs, kas orientēti savstarpēji pretējos virzienos. Represori fiziski traucē RNS polimerāze pievienojiet DNS promotora reģionā (no DNS atkarīgā RNS polimerāzes-enzīma saistīšanās vieta, kas katalizē mRNS sintēzi uz DNS veidnes) un sāciet mRNS sintēzi. Tiek pieņemts, ka represors tikai novērš transkripcijas ierosināšanu un neietekmē mRNS pagarinājumu.

Represors var kontrolēt sintēzi līdz. - l. viens proteīns vai vairākas olbaltumvielas, kuru ekspresija ir koordinēta. Parasti tie ir fermenti, kas apkalpo vienu vielmaiņu. ceļš; to gēni ir daļa no viena operona (savstarpēji saistītu gēnu kopums un blakus esošie regulējošie reģioni).

Mn. represori var pastāvēt gan aktīvā, gan neaktīvā formā, atkarībā no tā, vai tie ir vai nav saistīti ar induktoriem vai korepresoriem (respektīvi, substrāti, kuru klātbūtnē specifiski palielina vai samazina konkrēta enzīma sintēzes ātrumu; sk. Enzīmu regulatori); šīs mijiedarbības tiem ir nekovalents raksturs.

Efektīvai gēnu ekspresijai ir nepieciešams ne tikai, lai induktors tiktu deaktivizēts represors, bet arī jārealizē konkrētais. pozitīvs ieslēgšanas signāls, par kuru starpniecību ir R. b., strādājot "pārī" ar ciklisko. adenozīna monofosfāts (cAMP). Pēdējais ir saistīts ar konkrētu R. b. (tā sauktais katabolisko gēnu CAP proteīna aktivators vai proteīna katabolisma aktivators-BAC). Šis ir dimērs ar piestātni. m 45 tūkst.Pēc saistīšanās ar cAMP, tas iegūst spēju piesaistīties specifiskam. DNS reģionos, strauji palielinot atbilstošā operona gēnu transkripcijas efektivitāti. Tajā pašā laikā CAP neietekmē mRNS ķēdes augšanas ātrumu, bet kontrolē transkripcijas iniciācijas stadiju – RNS polimerāzes piesaisti promotoram. Atšķirībā no represora, CAP (kompleksā ar cAMP) atvieglo RNS polimerāzes saistīšanos ar DNS un padara transkripcijas iniciāciju biežāku. CAP piestiprināšanas vieta DNS ir tieši saistīta ar promotoru no tās puses, kas ir pretēja operatora atrašanās vietai.

Pozitīvo regulējumu (piem., E. coli lac operonu) var raksturot ar vienkāršotu shēmu: samazinoties glikozes (galvenā oglekļa avota) koncentrācijai, palielinās cAMP koncentrācija, kas saistās ar SAR, un iegūtais komplekss lac veicinātājs. Rezultātā tiek stimulēta RNS polimerāzes saistīšanās ar promotoru un palielinās gēnu transkripcijas ātrums, to-rye kodē fermentus, kas ļauj šūnai pāriet uz cita oglekļa-laktozes avota izmantošanu. Ir arī citi īpašie R. b. (piem., proteīns C), kura darbību raksturo sarežģītāka shēma; tie kontrolē šauru gēnu diapazonu un var darboties gan kā represori, gan aktivatori.

Represori un operoniem specifiskie aktivatori neietekmē pašas RNS polimerāzes specifiku. Šis pēdējais regulējuma līmenis tiek realizēts gadījumos, kas saistīti ar masīvu. izmaiņas izteikto gēnu spektrā. Tātad E. coli gēnus, kas kodē karstuma šoka olbaltumvielas, kas izpaužas vairākos šūnas stresa apstākļos, RNS polimerāze nolasa tikai tad, ja speciālā R. b.-t. faktors s 32 . Visa ģimene šo R.b. (s-faktori), kas maina RNS polimerāzes promotora specifiku, ir konstatēti baciļos un citās baktērijās.

Dr. šķirne R.b. maina katalītisko RNS polimerāzes svētās salas (tā sauktie pretterminatora proteīni). Tātad bakteriofāgā X ir zināmas divas šādas olbaltumvielas, kas pārveido RNS polimerāzi tā, lai tā nepakļautos šūnu transkripcijas pārtraukšanas (beigu) signāliem (tas ir nepieciešams fāgu gēnu aktīvai ekspresijai).

Ģenētiskā vispārējā shēma kontrole, ieskaitot R. b. darbību, attiecas arī uz baktērijām un eikariotu šūnām (visiem organismiem, izņemot baktērijas un zilaļģes).

Eikariotu šūnas reaģē uz ext. signāli (tiem, piemēram, hormoni) principā, tāpat kā baktēriju šūnas reaģē uz barības vielu koncentrācijas izmaiņām. in-in in vidi, t.i. ar atgriezenisku represiju vai atsevišķu gēnu aktivāciju (derepresiju). Tajā pašā laikā R.b., kas vienlaikus kontrolē darbību liels skaits gēnus, var izmantot dekomp. kombinācijas. Līdzīga kombinētā ģenētiskā regulējums var nodrošināt diferenciāciju. visa kompleksā daudzšūnu organisma attīstība mijiedarbības dēļ. salīdzinoši neliels skaits atslēgu R. b.

Gēnu aktivitātes regulēšanas sistēmā eikariotos ir papildinājums. līmenis, kas nav baktērijās, proti, visu nukleosomu (atkārtotu apakšvienību) translācija hromatīns), kas ir daļa no transkripcijas vienības, aktīvā (dekondensētā) formā tajās šūnās, kurās šim gēnam vajadzētu būt funkcionāli aktīvam. Tiek pieņemts, ka šeit ir iesaistīta noteikta R. b kopa, kurai prokariotos nav analogu. Šie proteīni ne tikai atpazīst specifiskus sekcijas hromatīna (vai. DNS), bet arī aicinanoteiktas strukturālas izmaiņas blakus esošajās teritorijās. R.b., tāpat kā baktēriju aktivatori un represori, acīmredzot ir iesaistīti atsevišķu gēnu turpmākās transkripcijas regulēšanā aktivira zonās. hromatīns.

Ekstensīvā klase R.b. eikariots- receptoru proteīni steroīdie hormoni.

Aminoskābju secība R.b. tā sauktais kodēts. regulējošie gēni. Represora mutācijas inaktivācija noved pie nekontrolētas mRNS sintēzes un līdz ar to noteikta proteīna (kā rezultātā tulkojums- proteīnu sintēze uz mRNS veidnes). Tādus organismus sauc konstitutīvie mutanti. Aktivatora zudums mutācijas rezultātā izraisa pastāvīgu regulētā proteīna sintēzes samazināšanos.

===
Izmantot literatūra rakstam "REGULTATĪVIE PROTEĪNI": Strayer L., Bioķīmija, tulk. no angļu valodas, 3. sēj., M., 1985, 1. lpp. 112-25.

P.L. Ivanovs.

Lappuse "REGULTATĪVIE PROTEĪNI" sagatavots pēc ķīmiskās enciklopēdijas materiāliem.

Labi izpētīti piemēri proteīnu un DNS mijiedarbībai, kas nav atkarīga no DNS nukleotīdu secības, ir mijiedarbība ar strukturālajiem proteīniem. Šūnā DNS ir saistīta ar šiem proteīniem, veidojot kompaktu struktūru, ko sauc par hromatīnu. Prokariotos hromatīns veidojas, DNS piesaistot nelielas sārmainas olbaltumvielas – histonus, mazāk sakārtots prokariotu hromatīns satur histonam līdzīgus proteīnus. Histoni veido diskveida proteīna struktūru - nukleozomu, ap kuru katru atrodas divi DNS spirāles apgriezieni. Nespecifiskas saites starp histoniem un DNS veidojas histonu sārmaino aminoskābju jonu saišu un DNS cukura-fosfāta mugurkaula skābo atlikumu dēļ. Šo aminoskābju ķīmiskās modifikācijas ietver metilēšanu, fosforilēšanu un acetilēšanu. Šīs ķīmiskās modifikācijas maina DNS un histonu mijiedarbības stiprumu, ietekmējot specifisku sekvenču pieejamību transkripcijas faktoriem un mainot transkripcijas ātrumu. Citas hromatīna olbaltumvielas, kas saistās ar nespecifiskām sekvencēm, ir proteīni ar augstu mobilitāti gēlos, kas galvenokārt asociējas ar salocītu DNS. Šie proteīni ir svarīgi augstākas kārtas struktūru veidošanai hromatīnā. Īpaša proteīnu grupa, kas saistās ar DNS, ir tie, kas saistās ar vienpavedienu DNS. Vislabāk raksturotais šīs grupas proteīns cilvēkiem ir replikācijas proteīns A, bez kura nevar notikt lielākā daļa dubultās spirāles atvienošanās procesu, ieskaitot replikāciju, rekombināciju un labošanu. Šīs grupas olbaltumvielas stabilizē vienpavedienu DNS un novērš cilmes cilpas veidošanos vai noārdīšanos ar nukleāzēm.

Tajā pašā laikā citi proteīni atpazīst noteiktas sekvences un pievienojas tām. Visvairāk pētīta šādu proteīnu grupa ir dažādas transkripcijas faktoru klases, tas ir, proteīni, kas regulē transkripciju. Katrs no šiem proteīniem atpazīst savu secību, bieži vien promotorā, un aktivizē vai nomāc gēnu transkripciju. Tas notiek, saistot transkripcijas faktorus ar RNS polimerāzi, vai nu tieši, vai ar starpproduktu proteīniem. Polimerāze vispirms saistās ar olbaltumvielām un pēc tam sāk transkripciju. Citos gadījumos transkripcijas faktori var pievienoties fermentiem, kas modificē promotora atrašanās vietas histonus, tādējādi mainot DNS pieejamību polimerāzēm.

Tā kā specifiskas sekvences notiek daudzās genoma vietās, viena veida transkripcijas faktora aktivitātes izmaiņas var mainīt tūkstošiem gēnu aktivitāti. Attiecīgi šie proteīni bieži tiek regulēti, reaģējot uz vides izmaiņām, organisma attīstību un šūnu diferenciāciju. Transkripcijas faktoru mijiedarbības specifiku ar DNS nodrošina daudzi kontakti starp aminoskābēm un DNS bāzēm, kas ļauj tām "nolasīt" DNS secību. Lielākā saskare ar pamatnēm notiek galvenajā rievā, kur pamatnes ir pieejamākas.

Fermenti, kas modificē DNS

Topoizomerāzes un helikāzes

Galvenie raksti: Topoizomerāzes , Helikāzes

Šūnā DNS atrodas kompaktā t.s. super-savītā stāvoklī, citādi viņa tajā nevarētu iekļauties. Lai notiktu dzīvībai svarīgie procesi, DNS ir jābūt nesagrieztai, ko ražo divas proteīnu grupas - topoizomerāzes un helikāzes.

Topoizomerāzes ir fermenti, kuriem ir gan nukleāzes, gan ligāzes aktivitātes. Šie proteīni maina DNS superspirāles pakāpi. Daži no šiem fermentiem sagriež DNS spirāli un ļauj vienai no virknēm griezties, tādējādi samazinot superspirāles līmeni, pēc kura ferments aizver spraugu. Citi enzīmi var nogriezt vienu no pavedieniem un iznest otro pavedienu cauri pārtraukumam, un pēc tam pārrāvumu pirmajā pavedienā sasaistīt. Topoizomerāzes ir būtiskas daudzos ar DNS saistītos procesos, piemēram, replikācijā un transkripcijā.

Helikāzes ir olbaltumvielas, kas ir viens no molekulārajiem motoriem. Tie izmanto nukleotīdu trifosfātu, visbiežāk ATP, ķīmisko enerģiju, lai pārtrauktu ūdeņraža saites starp bāzēm, attinot dubulto spirāli atsevišķos pavedienos. Šie fermenti ir būtiski lielākajai daļai procesu, kur olbaltumvielām ir nepieciešama piekļuve DNS bāzēm.

Nukleāzes un ligāzes

Nukleāze, Ligaz

Dažādos šūnā notiekošos procesos, piemēram, rekombinācijā un labošanā, tiek iesaistīti fermenti, kas var sagriezt un atjaunot DNS virkņu integritāti. Fermentus, kas sagriež DNS, sauc par nukleāzēm. Nukleāzes, kas hidrolizē nukleotīdus DNS molekulas galos, sauc par eksonukleāzēm, bet endonukleāzes sagriež DNS virknes iekšpusē. Molekulārajā bioloģijā un gēnu inženierijā visbiežāk izmantotās nukleāzes ir restrikcijas enzīmi, kas sagriež DNS ap noteiktām sekvencēm. Piemēram, EcoRV enzīms (restrikcijas enzīms Nr. 5 no E. coli) atpazīst sešu nukleotīdu secību 5"-GAT|ATC-3" un izgriež DNS vietā, ko norāda vertikālā līnija. Dabā šie fermenti aizsargā baktērijas no bakteriofāgu infekcijas, sagriežot fāga DNS, kad tā tiek ievadīta baktēriju šūnā. Šajā gadījumā nukleāzes ir daļa no modifikācijas ierobežošanas sistēmas. DNS ligāzes saista cukura fosfāta bāzes DNS molekulā, izmantojot ATP enerģiju. Restrikcijas nukleāzes un ligāzes izmanto klonēšanai un pirkstu nospiedumu noņemšanā.

DNS polimerāze I (gredzenveida struktūra, kas sastāv no vairākām identiskām proteīna molekulām, attēlotas dažādās krāsās), saista bojāto DNS virkni

Polimerāzes

DNS polimerāze

Ir arī DNS vielmaiņas procesam svarīgu enzīmu grupa, kas no nukleozīdu trifosfātiem sintezē polinukleotīdu ķēdes – DNS polimerāzi. Tie pievieno nukleotīdus DNS ķēdes iepriekšējā nukleotīda 3"-hidroksilgrupai, tāpēc visas polimerāzes darbojas 5"--> 3" virzienā. Šo enzīmu aktīvajā centrā substrāts - nukleozīdu trifosfāts - pāros ar komplementāra bāze kā daļa no vienpavedienu polinukleotīdu ķēdes – šablona.

DNS replikācijas laikā no DNS atkarīgā DNS polimerāze sintezē sākotnējās DNS sekvences kopiju. Precizitāte šajā procesā ir ļoti svarīga, jo polimerizācijas kļūdas izraisīs mutācijas, tāpēc daudzām polimerāzēm ir iespēja "rediģēt" - labot kļūdas. Polimerāze atpazīst sintēzes kļūdas, jo nav savienojuma starp nepareiziem nukleotīdiem. Pēc savienojuma trūkuma noteikšanas tiek aktivizēta polimerāzes 3"-> 5" eksonukleāzes aktivitāte un tiek noņemta nepareizā bāze. Lielākajā daļā organismu DNS polimerāzes darbojas kā liels komplekss, ko sauc par replisomu, kas satur daudzas papildu apakšvienības, piemēram, helikāzes.

No RNS atkarīgās DNS polimerāzes ir specializēts polimerāžu veids, kas kopē RNS secību uz DNS. Šis veids ietver vīrusu enzīmu reverso transkriptāzi, ko izmanto retrovīrusi šūnu infekcijas laikā, kā arī telomerāzi, kas ir nepieciešama telomēru replikācijai. Telomerāze ir neparasts enzīms, jo tajā ir sava ziņojuma RNS.

Transkripciju veic no DNS atkarīgā RNS polimerāze, kas kopē vienas virknes DNS secību uz mRNS. Gēna transkripcijas sākumā RNS polimerāze pievienojas secībai gēna sākumā, ko sauc par promotoru, un atritina DNS spirāli. Pēc tam tas kopē gēnu secību uz messenger RNS, līdz tā sasniedz DNS gēna galā - terminatorā, kur tā apstājas un atdalās no DNS. Tāpat kā no cilvēka DNS atkarīgā DNS polimerāze, RNS polimerāze II, kas transkribē lielāko daļu cilvēka genoma gēnu, darbojas kā daļa no lielas olbaltumvielu komplekss, kas satur regulējošās un papildu vienības.

Gēnu darbs jebkurā organismā – prokariotu, eikariotu, vienšūnu vai daudzšūnu – tiek kontrolēts un koordinēts.

Dažādiem gēniem ir atšķirīga laika aktivitāte. Dažus no tiem raksturo pastāvīga aktivitāte. Šādi gēni ir atbildīgi par šūnai vai organismam visu mūžu nepieciešamo olbaltumvielu sintēzi, piemēram, gēni, kuru produkti ir iesaistīti ATP sintēzē. Lielākajai daļai gēnu ir intermitējoša darbība, tie darbojas tikai atsevišķos brīžos, kad ir nepieciešamība pēc viņu produktiem – olbaltumvielām. Gēni atšķiras arī pēc to aktivitātes līmeņa (zema vai augsta).

Šūnu proteīnus klasificē kā regulējošos un strukturālos. Regulējošās olbaltumvielas tiek sintezētas uz regulējošajiem gēniem un kontrolē strukturālo gēnu darbību. Strukturālie gēni kodē strukturālas olbaltumvielas, kas veic strukturālas, fermentatīvas, transporta un citas funkcijas (izņemot regulējošās!).

Olbaltumvielu sintēzes regulēšana tiek veikta visos šī procesa posmos: transkripcijā, translācijā un pēctranslācijas modifikācijā, vai nu ar indukciju, vai ar represijām.

Gēnu aktivitātes regulēšana eikariotu organismos ir daudz sarežģītāka nekā prokariotu gēnu ekspresijas regulēšana, ko nosaka eikariotu un jo īpaši daudzšūnu organisma organizācijas sarežģītība. 1961. gadā franču zinātnieki F. Džeikobs, J. Monods un A. Ļvovs formulēja proteīnu sintēzes ģenētiskās kontroles modeli, kas katalizē laktozes asimilāciju no šūnas – operona jēdzienu.

Operons ir gēnu grupa, ko kontrolē viens regulatora gēns.

Regulatorgēns ir gēns ar nemainīgi zemu aktivitāti, uz tā tiek sintezēts represora proteīns - regulējošais proteīns, kas var saistīties ar operatoru, to inaktivējot.

Operators ir sākumpunkts ģenētiskās informācijas lasīšanai, tas kontrolē strukturālo gēnu darbu.

Laktozes operona strukturālie gēni satur informāciju par enzīmiem, kas iesaistīti laktozes metabolismā. Tāpēc laktoze kalpos kā induktors – līdzeklis, kas ierosina operona darbu.

Promotors ir RNS polimerāzes piesaistes vieta.

Terminators ir mRNS sintēzes pārtraukšanas vieta.

Ja nav induktora, sistēma nedarbojas, jo operatoram ir pievienots no induktora "brīvs" represors - laktoze. Šajā gadījumā RNS polimerāzes enzīms nevar katalizēt mRNS sintēzes procesu. Ja šūnā tiek konstatēta laktoze (induktors), tā, mijiedarbojoties ar represoru, maina savu struktūru, kā rezultātā represors atbrīvo operatoru. RNS polimerāze saistās ar promotoru, sākas mRNS sintēze (strukturālo gēnu transkripcija). Pēc tam uz ribosomām pēc mRNS-laktozes operona programmas veidojas proteīni. Prokariotu organismos viena mRNS molekula pārraksta informāciju no visiem operona strukturālajiem gēniem, t.i. Operons ir transkripcijas vienība. Transkripcija turpinās tik ilgi, kamēr laktozes molekulas paliek šūnas citoplazmā. Tiklīdz šūna apstrādā visas molekulas, repressors aizver operatoru, un mRNS sintēze apstājas.

Tādējādi mRNS sintēze un attiecīgi proteīnu sintēze ir stingri jāregulē, jo šūnai nav pietiekami daudz resursu visu strukturālo gēnu vienlaicīgai transkripcijai un translācijai. Gan pro-, gan eikarioti pastāvīgi sintezē tikai tās mRNS, kas nepieciešamas šūnu pamatfunkciju veikšanai.Citu strukturālo gēnu ekspresija tiek veikta stingrā regulējošo sistēmu kontrolē, kas izraisa transkripciju tikai tad, kad ir nepieciešamība pēc noteikta proteīna (olbaltumvielām). ).

REGULĀCIJAS PROTEĪNI (no lat. regulo - saved kārtībā, koriģē), proteīnu grupa. iesaistīts dekomp regulēšanā. bioķīm. procesi. Svarīga regulējošo proteīnu grupa, kurai šis raksts ir veltīts, ir proteīni, kas mijiedarbojas ar DNS un kontrolē gēnu ekspresiju (gēnu ekspresiju organisma īpašībās un īpašībās). Lielākā daļa šo regulējošo proteīnu darbojas transkripcijas līmenī (RNS vai mRNS sintēze uz DNS veidnes) un ir atbildīgas par mRNS sintēzes (attiecīgi aktivatorproteīnu un represoru proteīnu) aktivizēšanu vai apspiešanu (nomākšanu). .

Zināms apm. 10 represori. Naib. Starp tiem tika pētīti prokariotu represori (baktērijas, zilaļģes), kas regulē laktozes metabolismā iesaistīto enzīmu sintēzi (lac-repressors) Escherichia coli (E. coli), un bakteriofāga A represors. Viņu darbība tiek realizēta, saistoties ar konkrētu. atbilstošo gēnu DNS (operatoru) sekcijas un bloķē šo gēnu kodētās mRNS transkripcijas uzsākšanu.

Represors parasti ir divu identisku polipeptīdu ķēžu dimērs, kas orientēti savstarpēji pretējos virzienos. Represori fiziski neļauj RNS polimerāzei pievienoties DNS promotora vietā (no DNS atkarīgā RNS polimerāzes-enzīma saistīšanās vieta, kas katalizē mRNS sintēzi uz DNS veidnes) un sākt mRNS sintēzi. Tiek pieņemts, ka represors tikai novērš transkripcijas ierosināšanu un neietekmē mRNS pagarinājumu.

Represors var kontrolēt sintēzi līdz. - l. viens proteīns vai virkne proteīnu. kuru izteiksme ir saskaņota. Parasti tie ir fermenti, kas apkalpo vienu vielmaiņu. ceļš; to gēni ir daļa no viena operona (savstarpēji saistītu gēnu kopums un blakus esošie regulējošie reģioni).

Mn. represori var pastāvēt gan aktīvā, gan neaktīvā formā atkarībā no tā, vai tie ir vai nav saistīti ar induktoriem vai korepresoriem (respektīvi, substrāti, kuru klātbūtnē tiek īpaši palielināts vai samazināts konkrētā enzīma sintēzes ātrums; sk. Enzīmu regulatori); šīs mijiedarbības tiem ir nekovalents raksturs.

Efektīvai gēnu ekspresijai ir nepieciešams ne tikai, lai induktors tiktu deaktivizēts represors, bet arī jārealizē konkrētais. pozitīvs ieslēgšanas signāls, ko nodrošina regulējošie proteīni, kas darbojas "pārī" ar ciklisku. adenozīna monofosfāts (cAMP). Pēdējais saistās ar specifiskiem regulējošiem proteīniem (tā sauktais CAP-protein-activator of catabolite gēnu jeb olbaltumvielas. katabolisma aktivators-BAC). Šis ir dimērs ar piestātni. m 45 tūkst.Pēc saistīšanās ar cAMP, tas iegūst spēju piesaistīties specifiskam. DNS reģionos, strauji palielinot atbilstošā operona gēnu transkripcijas efektivitāti. Tajā pašā laikā CAP neietekmē mRNS ķēdes augšanas ātrumu, bet kontrolē transkripcijas iniciācijas stadiju – RNS polimerāzes piesaisti promotoram. Atšķirībā no represora, CAP (kompleksā ar cAMP) atvieglo RNS polimerāzes saistīšanos ar DNS un padara transkripcijas iniciāciju biežāku. CAP piestiprināšanas vieta DNS ir tieši saistīta ar promotoru no tās puses, kas ir pretēja operatora atrašanās vietai.

Pozitīvo regulējumu (piemēram, E. coli lac operonu) var raksturot vienkāršotā veidā: samazinoties glikozes (galvenā oglekļa avota) koncentrācijai, palielinās cAMP koncentrācija, kas saistās ar CAP, un iegūtais komplekss palielinās līdz ar lac promotoru. Rezultātā tiek stimulēta RNS polimerāzes saistīšanās ar promotoru un palielinās to gēnu transkripcijas ātrums, kas kodē enzīmus, kas ļauj šūnai pāriet uz citu oglekļa avotu – laktozi. Ir arī citi īpaši regulējošie proteīni (piemēram, proteīns C), kuru darbību raksturo sarežģītāka shēma; tie kontrolē šauru gēnu diapazonu un var darboties gan kā represori, gan aktivatori.

Represori un operoniem specifiskie aktivatori neietekmē pašas RNS polimerāzes specifiku. Šis pēdējais regulējuma līmenis tiek realizēts gadījumos, kas saistīti ar masīvu. izmaiņas izteikto gēnu spektrā. Tātad E. coli gēnus, kas kodē karstuma šoka olbaltumvielas, kas izpaužas vairākos šūnu stresa apstākļos, RNS polimerāze nolasa tikai tad, ja tiek nolasīts īpašs regulējošs proteīns, t.s. koeficients s32. Baciļos un citās baktērijās ir atrasta vesela šo regulējošo proteīnu (s-faktoru) saime, kas maina RNS polimerāzes promotora specifiku.

Dr. dažādi regulējošie proteīni katalītiski mainās. RNS polimerāzes (tā saukto antiterminatora proteīnu) īpašības. Piemēram, bakteriofāgā X ir zināmi divi šādi proteīni, kas modificē RNS polimerāzi tā, lai tā nepakļaujas šūnu transkripcijas beigu (beigu) signāliem (tas ir nepieciešams fāgu gēnu aktīvai ekspresijai).

Ģenētiskā vispārējā shēma kontrole, ieskaitot regulējošo proteīnu darbību, ir piemērojama arī baktērijām un eikariotu šūnām (visiem organismiem, izņemot baktērijas un zilaļģes).

Eikariotu šūnas reaģē uz ext. signāli (tiem, piemēram, hormoni) principā, tāpat kā baktēriju šūnas reaģē uz barības vielu koncentrācijas izmaiņām. vielas vidē, t.i. ar atgriezenisku represiju vai atsevišķu gēnu aktivāciju (derepresiju). Tajā pašā laikā dekompā var izmantot regulējošos proteīnus, kas vienlaikus kontrolē liela skaita gēnu darbību. kombinācijas. Līdzīga kombinētā ģenētiskā regulējums var nodrošināt diferenciāciju. visa kompleksā daudzšūnu organisma attīstība mijiedarbības dēļ. salīdzinoši maz galveno regulējošo proteīnu

Gēnu aktivitātes regulēšanas sistēmā eikariotos ir papildinājums. līmenis, kas baktērijās nav, proti, visu nukleosomu (atkārtotu hromatīna apakšvienību), kas veido transkripcijas vienību, translācija aktīvā (dekondensētā) formā tajās šūnās, kurās šim gēnam vajadzētu būt funkcionāli aktīvam. Tiek pieņemts, ka šeit ir iesaistīts specifisku regulējošo proteīnu kopums, kam prokariotos nav analogu. Šie proteīni ne tikai atpazīst specifiskus hromatīna (vai. DNS) sekcijas, bet arī rada noteiktas strukturālas izmaiņas blakus esošajās zonās. Acīmredzot regulējošie proteīni, piemēram, baktēriju aktivatori un represori, ir iesaistīti atsevišķu gēnu turpmākās transkripcijas regulēšanā aktivitāšu zonās. hromatīns.

Plaša regulējošo proteīnu klase steroīdo hormonu eikariotu receptoru proteīni.

Regulējošo proteīnu aminoskābju secību kodē t.s. regulējošie gēni. Represora mutācijas inaktivācija noved pie nekontrolētas mRNS un līdz ar to noteikta proteīna sintēzes (translācijas-olbaltumvielu sintēzes rezultātā mRNS veidnē). Tādus organismus sauc konstitutīvie mutanti. Aktivatora zudums mutācijas rezultātā izraisa pastāvīgu regulētā proteīna sintēzes samazināšanos.

REGULĀCIJAS PROTEĪNI(no lat. regulo - sakārtot, koriģēt), proteīnu grupa, kas iesaistīta dekomp regulēšanā. bioķīm. procesi. Nozīmīga grupa R. b., šis raksts ir veltīts Krimai, ir proteīni, kas mijiedarbojas ar DNS un kontrolē gēnu ekspresiju (gēnu ekspresiju ķermeņa pazīmēs un īpašībās). Lielais vairums tādu R. būtu. darbojas līmenī transkripcijas(Ziņneša RNS jeb mRNS sintēze uz DNS veidnes) un ir atbildīga par mRNS sintēzes (attiecīgi aktivatorproteīnu un represorproteīnu) aktivizēšanu vai apspiešanu (nomākšanu).

Zināms apm. 10 represori. Naib. Starp tiem tika pētīti prokariotu represori (baktērijas, zilaļģes), kas regulē laktozes metabolismā iesaistīto enzīmu sintēzi (lac-repressors) Escherichia coli (E. coli), un bakteriofāga A represors. Viņu darbība tiek realizēta, saistoties ar konkrētu. atbilstošo gēnu DNS (operatoru) sekcijas un bloķē šo gēnu kodētās mRNS transkripcijas uzsākšanu.

Represors parasti ir divu identisku polipeptīdu ķēžu dimērs, kas orientēti savstarpēji pretējos virzienos. Represori fiziski traucē RNS polimerāze pievienojiet DNS promotora reģionā (no DNS atkarīgā RNS polimerāzes-enzīma saistīšanās vieta, kas katalizē mRNS sintēzi uz DNS veidnes) un sāciet mRNS sintēzi. Tiek pieņemts, ka represors tikai novērš transkripcijas ierosināšanu un neietekmē mRNS pagarinājumu.

Represors var kontrolēt sintēzi līdz. - l. viens proteīns vai vairākas olbaltumvielas, kuru ekspresija ir koordinēta. Parasti tie ir fermenti, kas apkalpo vienu vielmaiņu. ceļš; to gēni ir daļa no viena operona (savstarpēji saistītu gēnu kopums un blakus esošie regulējošie reģioni).

Mn. represori var pastāvēt gan aktīvā, gan neaktīvā formā, atkarībā no tā, vai tie ir vai nav saistīti ar induktoriem vai korepresoriem (respektīvi, substrāti, kuru klātbūtnē specifiski palielina vai samazina konkrēta enzīma sintēzes ātrumu; sk. Enzīmu regulatori); šīs mijiedarbības tiem ir nekovalents raksturs.

Efektīvai gēnu ekspresijai ir nepieciešams ne tikai, lai induktors tiktu deaktivizēts represors, bet arī jārealizē konkrētais. pozitīvs ieslēgšanas signāls, par kuru starpniecību ir R. b., strādājot "pārī" ar ciklisko. adenozīna monofosfāts (cAMP). Pēdējais ir saistīts ar konkrētu R. b. (tā sauktais katabolisko gēnu CAP proteīna aktivators vai proteīna katabolisma aktivators-BAC). Šis ir dimērs ar piestātni. m 45 tūkst.Pēc saistīšanās ar cAMP, tas iegūst spēju piesaistīties specifiskam. DNS reģionos, strauji palielinot atbilstošā operona gēnu transkripcijas efektivitāti. Tajā pašā laikā CAP neietekmē mRNS ķēdes augšanas ātrumu, bet kontrolē transkripcijas iniciācijas stadiju – RNS polimerāzes piesaisti promotoram. Atšķirībā no represora, CAP (kompleksā ar cAMP) atvieglo RNS polimerāzes saistīšanos ar DNS un padara transkripcijas iniciāciju biežāku. CAP piestiprināšanas vieta DNS ir tieši saistīta ar promotoru no tās puses, kas ir pretēja operatora atrašanās vietai.

Pozitīvo regulējumu (piem., E. coli lac operonu) var raksturot ar vienkāršotu shēmu: samazinoties glikozes (galvenā oglekļa avota) koncentrācijai, palielinās cAMP koncentrācija, kas saistās ar SAR, un iegūtais komplekss lac veicinātājs. Rezultātā tiek stimulēta RNS polimerāzes saistīšanās ar promotoru un palielinās gēnu transkripcijas ātrums, to-rye kodē fermentus, kas ļauj šūnai pāriet uz cita oglekļa-laktozes avota izmantošanu. Ir arī citi īpašie R. b. (piem., proteīns C), kura darbību raksturo sarežģītāka shēma; tie kontrolē šauru gēnu diapazonu un var darboties gan kā represori, gan aktivatori.

Represori un operoniem specifiskie aktivatori neietekmē pašas RNS polimerāzes specifiku. Šis pēdējais regulējuma līmenis tiek realizēts gadījumos, kas saistīti ar masīvu. izmaiņas izteikto gēnu spektrā. Tātad E. coli gēnus, kas kodē karstuma šoka olbaltumvielas, kas izpaužas vairākos šūnas stresa apstākļos, RNS polimerāze nolasa tikai tad, ja speciālā R. b.-t. faktors s 32 . Visa ģimene šo R.b. (s-faktori), kas maina RNS polimerāzes promotora specifiku, ir konstatēti baciļos un citās baktērijās.

Dr. šķirne R.b. maina katalītisko RNS polimerāzes svētās salas (tā sauktie pretterminatora proteīni). Tātad bakteriofāgā X ir zināmas divas šādas olbaltumvielas, kas pārveido RNS polimerāzi tā, lai tā nepakļautos šūnu transkripcijas pārtraukšanas (beigu) signāliem (tas ir nepieciešams fāgu gēnu aktīvai ekspresijai).

Ģenētiskā vispārējā shēma kontrole, ieskaitot R. b. darbību, attiecas arī uz baktērijām un eikariotu šūnām (visiem organismiem, izņemot baktērijas un zilaļģes).

Eikariotu šūnas reaģē uz ext. signāli (tiem, piemēram, hormoni) principā, tāpat kā baktēriju šūnas reaģē uz barības vielu koncentrācijas izmaiņām. in-in vidē, t.i. ar atgriezenisku represiju vai atsevišķu gēnu aktivāciju (derepresiju). Tajā pašā laikā dekompā var izmantot R.b., kas vienlaikus kontrolē liela skaita gēnu darbību. kombinācijas. Līdzīga kombinētā ģenētiskā regulējums var nodrošināt diferenciāciju. visa kompleksā daudzšūnu organisma attīstība mijiedarbības dēļ. salīdzinoši neliels skaits atslēgu R. b.

Gēnu aktivitātes regulēšanas sistēmā eikariotos ir papildinājums. līmenis, kas nav baktērijās, proti, visu nukleosomu (atkārtotu apakšvienību) translācija hromatīns), kas ir daļa no transkripcijas vienības, aktīvā (dekondensētā) formā tajās šūnās, kurās šim gēnam vajadzētu būt funkcionāli aktīvam. Tiek pieņemts, ka šeit ir iesaistīta noteikta R. b kopa, kurai prokariotos nav analogu. Šie proteīni ne tikai atpazīst specifiskus sekcijas hromatīna (vai. DNS), bet arī aicinanoteiktas strukturālas izmaiņas blakus esošajās teritorijās. R.b., tāpat kā baktēriju aktivatori un represori, acīmredzot ir iesaistīti atsevišķu gēnu turpmākās transkripcijas regulēšanā aktivira zonās. hromatīns.

Ekstensīvā klase R.b. eikariots- receptoru proteīni steroīdie hormoni.

Aminoskābju secība R.b. tā sauktais kodēts. regulējošie gēni. Represora mutācijas inaktivācija noved pie nekontrolētas mRNS sintēzes un līdz ar to noteikta proteīna (kā rezultātā tulkojums- proteīnu sintēze uz mRNS veidnes). Tādus organismus sauc konstitutīvie mutanti. Aktivatora zudums mutācijas rezultātā izraisa pastāvīgu regulētā proteīna sintēzes samazināšanos.

Lit.: Strayer L., Bioķīmija, tulk. no angļu valodas, 3. sēj., M., 1985, 1. lpp. 112-25.

P.L. Ivanovs.

Raksta saturs

olbaltumvielas (1. pants)- bioloģisko polimēru klase, kas atrodas katrā dzīvā organismā. Piedaloties olbaltumvielām, notiek galvenie procesi, kas nodrošina organisma vitālo darbību: elpošana, gremošana, muskuļu kontrakcijas, nervu impulsu pārnešana. Kaulu audi, āda, mati, dzīvo būtņu ragu veidojumi sastāv no olbaltumvielām. Lielākajai daļai zīdītāju organisma augšana un attīstība notiek produktu dēļ, kas satur olbaltumvielas kā pārtikas sastāvdaļu. Olbaltumvielu loma organismā un attiecīgi to struktūra ir ļoti daudzveidīga.

Olbaltumvielu sastāvs.

Visi proteīni ir polimēri, kuru ķēdes ir saliktas no aminoskābju fragmentiem. Aminoskābes ir organiski savienojumi, kas satur savā sastāvā (saskaņā ar nosaukumu) NH 2 aminogrupu un organisko skābi, t.i. karboksilgrupa, COOH grupa. No visām esošajām aminoskābēm (teorētiski iespējamo aminoskābju skaits ir neierobežots) proteīnu veidošanā piedalās tikai tās, kurām starp aminogrupu un karboksilgrupu ir tikai viens oglekļa atoms. Kopumā olbaltumvielu veidošanā iesaistītās aminoskābes var attēlot ar formulu: H 2 N–CH(R)–COOH. R grupa, kas pievienota oglekļa atomam (starp amino- un karboksilgrupām), nosaka atšķirību starp aminoskābēm, kas veido olbaltumvielas. Šī grupa var sastāvēt tikai no oglekļa un ūdeņraža atomiem, bet biežāk papildus C un H satur arī dažādas funkcionālas (turpmākas transformācijas spējīgas) grupas, piemēram, HO-, H 2 N- utt. Ir arī opcija, kad R \u003d H.

Dzīvu būtņu organismi satur vairāk nekā 100 dažādas aminoskābes, tomēr ne visas tiek izmantotas olbaltumvielu konstruēšanā, bet tikai 20, tā sauktās "fundamentālās". Tabulā. 1 redzami to nosaukumi (lielākā daļa nosaukumu veidojušies vēsturiski), struktūrformula, kā arī plaši lietotais saīsinājums. Visas strukturālās formulas tabulā ir sakārtotas tā, lai galvenais aminoskābes fragments būtu labajā pusē.

1. tabula. AMINOKĀBES, KAS IESAISTĪTAS PROTEĪNU RADĪŠANĀ

Vārds	Struktūra	Apzīmējums
GLICĪNS		GLI
ALANĪNS		ALA
VALIN		VĀRSTA
LEUCĪNS		LEI
IZOLEICĪNS		ILE
SERĪNS		SER
TREONĪNS		TRE
CISTEĪNS		NVS
METIONĪNS		MET
LIZĪNS		LIZ
ARGINĪNS		ARG
SPARĀGSKĀBE		ASN
ASPARAGĪNS		ASN
GLUTĀMSKĀBE		GLU
GLUTAMĪNS		GLN
fenilalanīns		fēns
TIROZĪNS		TIR
triptofāns		TRĪS
HISTIDĪNS		ĢIS
PROLINE		PRO
Starptautiskajā praksē tiek pieņemts uzskaitīto aminoskābju saīsinātais apzīmējums, izmantojot latīņu trīsburtu vai viena burta saīsinājumus, piemēram, glicīns - Gly vai G, alanīns - Ala vai A.

No šīm divdesmit aminoskābēm (1. tabula) tikai prolīns satur NH grupu (NH 2 vietā) blakus COOH karboksilgrupai, jo tas ir daļa no cikliskā fragmenta.

Astoņas aminoskābes (valīns, leicīns, izoleicīns, treonīns, metionīns, lizīns, fenilalanīns un triptofāns), kas novietotas tabulā uz pelēka fona, tiek sauktas par neaizvietojamām, jo ​​normālai augšanai un attīstībai organismam tās pastāvīgi jāsaņem ar proteīna pārtiku.

Secīgas aminoskābju savienošanās rezultātā veidojas proteīna molekula, savukārt vienas skābes karboksilgrupa mijiedarbojas ar blakus molekulas aminogrupu, kā rezultātā veidojas –CO–NH– peptīdu saite un ūdens. molekula tiek atbrīvota. Uz att. 1 parāda alanīna, valīna un glicīna sērijveida savienojumu.

Rīsi. viens AMINOKĀBJU SERIĀLĀ SAVIENOŠANA proteīna molekulas veidošanās laikā. Par polimēra ķēdes galveno virzienu tika izvēlēts ceļš no terminālās aminogrupas H 2 N līdz terminālajai karboksilgrupai COOH.

Lai kompakti aprakstītu proteīna molekulas struktūru, tiek izmantoti polimēra ķēdes veidošanā iesaistīto aminoskābju saīsinājumi (1. tabula, trešā kolonna). Attēlā parādītais molekulas fragments. 1 ir rakstīts šādi: H 2 N-ALA-VAL-GLY-COOH.

Olbaltumvielu molekulas satur no 50 līdz 1500 aminoskābju atlikumiem (īsākas ķēdes sauc par polipeptīdiem). Olbaltumvielu individualitāti nosaka aminoskābju kopums, kas veido polimēra ķēdi, un, kas ir ne mazāk svarīgi, to maiņas secība visā ķēdē. Piemēram, insulīna molekula sastāv no 51 aminoskābes atlikuma (tā ir viena no īsāko ķēdes olbaltumvielām) un sastāv no divām savstarpēji savienotām paralēlām ķēdēm ar nevienlīdzīgu garumu. Aminoskābju fragmentu secība ir parādīta attēlā. 2.

Rīsi. 2 INULĪNA Molekula, kas veidota no 51 aminoskābju atlikuma, to pašu aminoskābju fragmenti ir apzīmēti ar atbilstošo fona krāsu. Ķēdē esošie cisteīna aminoskābju atlikumi (saīsināts apzīmējums CIS) veido disulfīdu tiltus -S-S-, kas savieno divas polimēra molekulas vai veido džemperus vienā ķēdē.

Aminoskābes cisteīna molekulas (1. tabula) satur reaktīvas sulfhidrīdu grupas -SH, kas mijiedarbojas viena ar otru, veidojot disulfīdu tiltus -S-S-. Cisteīna loma olbaltumvielu pasaulē ir īpaša, ar tā līdzdalību starp polimēru olbaltumvielu molekulām veidojas šķērssaites.

Aminoskābju kombinācija polimēra ķēdē notiek dzīvā organismā, kas tiek kontrolēts nukleīnskābes, tie nodrošina stingru montāžas secību un regulē fiksēto polimēra molekulas garumu ( cm. NUKLEĪNSKĀBES).

Olbaltumvielu struktūra.

Olbaltumvielu molekulas sastāvu, kas attēlots mainīgu aminoskābju atlikumu veidā (2. att.), sauc par proteīna primāro struktūru. Ūdeņraža saites rodas starp imino grupām HN, kas atrodas polimēra ķēdē, un karbonilgrupām CO ( cm. ŪDEŅRAŽA SAITE), kā rezultātā proteīna molekula iegūst noteiktu telpisku formu, ko sauc par sekundāro struktūru. Visizplatītākie ir divu veidu sekundārās struktūras olbaltumvielās.

Pirmā iespēja, ko sauc par α-spirāli, tiek īstenota, izmantojot ūdeņraža saites vienā polimēra molekulā. Molekulas ģeometriskie parametri, ko nosaka saišu garumi un saites leņķi, ir tādi, ka ir iespējama ūdeņraža saišu veidošanās grupas H-N un C=O, starp kuriem ir divi peptīdu fragmenti H-N-C=O (3. att.).

Attēlā parādītais polipeptīdu ķēdes sastāvs. 3 ir rakstīts saīsinātā veidā šādi:

H 2 N-ALA VAL-ALA-LEY-ALA-ALA-ALA-ALA-VAL-ALA-ALA-ALA-COOH.

Ūdeņraža saišu saraušanās rezultātā molekula iegūst spirāles formu - tā saukto α-spirāli, tā tiek attēlota kā izliekta spirālveida lente, kas iet cauri atomiem, kas veido polimēra ķēdi (4. att.)

Rīsi. četri PROTEĪNA MOLEKULAS 3D MODELISα-spirāles formā. Ūdeņraža saites ir parādītas kā zaļas punktētas līnijas. Spirāles cilindriskā forma ir redzama noteiktā griešanās leņķī (ūdeņraža atomi attēlā nav parādīti). Atsevišķu atomu krāsa ir norādīta saskaņā ar starptautiskajiem noteikumiem, kas iesaka melnu krāsu oglekļa atomiem, zilu slāpekli, sarkanu skābeklim un dzeltenu sēru (balta krāsa ir ieteicama ūdeņraža atomiem, kas nav parādīti attēlā, šajā gadījumā visa struktūra ir attēlota uz tumša fona).

Piedaloties ūdeņraža saitēm, veidojas arī cits sekundārās struktūras variants, ko sauc par β-struktūru, atšķirība ir tāda, ka mijiedarbojas divu vai vairāku paralēli izvietotu polimēru ķēžu H-N un C=O grupas. Tā kā polipeptīdu ķēdei ir virziens (1. att.), iespējami varianti, kad ķēžu virziens ir vienāds (paralēla β-struktūra, 5. att.), vai tie ir pretēji (antiparalēla β-struktūra, 6. att.) .

β-struktūras veidošanā var piedalīties dažāda sastāva polimēru ķēdes, savukārt polimēra ķēdi ierāmējošās organiskās grupas (Ph, CH 2 OH u.c.) vairumā gadījumu spēlē sekundāru lomu, H-N un C savstarpējo izkārtojumu. =O grupas ir izšķirošas. Tā kā H-N un C=O grupas ir vērstas dažādos virzienos attiecībā pret polimēra ķēdi (attēlā uz augšu un uz leju), kļūst iespējama trīs vai vairāku ķēžu vienlaicīga mijiedarbība.

Pirmās polipeptīdu ķēdes sastāvs attēlā. 5:

H 2 N-LEI-ALA-FEN-GLI-ALA-ALA-COOH

Otrās un trešās ķēdes sastāvs:

H 2 N-GLY-ALA-SER-GLY-TRE-ALA-COOH

Attēlā parādīto polipeptīdu ķēžu sastāvs. 6, tāds pats kā attēlā. 5, atšķirība ir tāda, ka otrajai ķēdei ir pretējs (salīdzinājumā ar 5. att.) virziens.

Ir iespējams izveidot β-struktūru vienas molekulas ietvaros, kad ķēdes fragments noteiktā griezumā izrādās pagriezts par 180°, šajā gadījumā vienas molekulas diviem zariem ir pretējs virziens, kā rezultātā rodas antiparalēla. veidojas β-struktūra (7. att.).

attēlā parādītā struktūra. 7 plakanā attēlā, kas parādīts attēlā. 8 trīsdimensiju modeļa veidā. β-struktūras sekcijas parasti tiek apzīmētas vienkāršotā veidā ar plakanu viļņotu lenti, kas iet cauri atomiem, kas veido polimēra ķēdi.

Daudzu proteīnu struktūrā mijas α-spirāles un lentveida β-struktūru sekcijas, kā arī atsevišķas polipeptīdu ķēdes. To savstarpējo izvietojumu un maiņu polimēru ķēdē sauc par proteīna terciāro struktūru.

Metodes proteīnu struktūras attēlošanai ir parādītas tālāk, izmantojot augu proteīna krambīnu kā piemēru. Olbaltumvielu strukturālās formulas, kas bieži satur līdz pat simtiem aminoskābju fragmentu, ir sarežģītas, apgrūtinošas un grūti saprotamas, tāpēc dažkārt tiek izmantotas vienkāršotas struktūrformulas - bez ķīmisko elementu simboliem (9. att., variants A), bet tajā pašā laikā. laikā, kad tie saglabā valences triepienu krāsu saskaņā ar starptautiskajiem noteikumiem (4. att.). Šajā gadījumā formula tiek parādīta nevis plakanā, bet telpiskā attēlā, kas atbilst molekulas reālajai struktūrai. Šī metode ļauj, piemēram, atšķirt disulfīdu tiltus (līdzīgi tiem, kas atrodami insulīnā, 2. att.), fenilgrupas ķēdes sānu rāmī utt. Molekulu attēls trīsdimensiju formā modeļi (bumbiņas, kas savienotas ar stieņiem) ir nedaudz skaidrāks (9. att., B variants). Tomēr abas metodes neļauj parādīt terciāro struktūru, tāpēc amerikāņu biofiziķe Džeina Ričardsone ierosināja α-struktūras attēlot kā spirāli savītas lentes (skat. 4. att.), β-struktūras kā plakanas viļņotas lentes (8. att.) un savienojošas. tās atsevišķas ķēdes - plānu saišķu veidā, katram struktūras veidam ir sava krāsa. Šī proteīna terciārās struktūras attēlošanas metode tagad tiek plaši izmantota (9. att., B variants). Dažkārt, lai iegūtu lielāku informācijas saturu, terciārā struktūra un vienkāršota strukturālā formula tiek parādīta kopā (9. att., D variants). Ir arī Ričardsona piedāvātās metodes modifikācijas: α-spirāles ir attēlotas kā cilindri, bet β-struktūras ir plakanu bultu veidā, kas norāda ķēdes virzienu (9. att., E variants). Mazāk izplatīta ir metode, kurā visa molekula tiek attēlota kā kūlis, kur nevienlīdzīgas struktūras izceļas ar dažādām krāsām, bet disulfīda tilti tiek parādīti kā dzelteni tilti (9. att., E variants).

B variants ir visērtākais uztverei, kad, attēlojot terciāro struktūru, nav norādītas proteīna strukturālās iezīmes (aminoskābju fragmenti, to maiņas secība, ūdeņraža saites), savukārt tiek pieņemts, ka visos proteīnos ir “detaļas” ņemts no standarta divdesmit aminoskābju komplekta (1. tabula). Galvenais uzdevums terciārās struktūras attēlošanā ir parādīt sekundāro struktūru telpisko izvietojumu un miju.

Rīsi. 9 DAŽĀDAS CRUMBIN PROTEĪNA STRUKTŪRAS ATTĒLA VERSIJAS.
A ir strukturāla formula telpiskā attēlā.
B - struktūra trīsdimensiju modeļa veidā.
B ir molekulas terciārā struktūra.
G - A un B iespēju kombinācija.
E - terciārās struktūras vienkāršots attēls.
E - terciārā struktūra ar disulfīda tiltiem.

Uztverei visērtākā ir trīsdimensiju terciārā struktūra (opcija B), kas atbrīvota no strukturālās formulas detaļām.

Olbaltumvielu molekula, kurai ir terciārā struktūra, parasti iegūst noteiktu konfigurāciju, ko veido polāra (elektrostatiskā) mijiedarbība un ūdeņraža saites. Rezultātā molekula iegūst kompaktas spoles formu - lodveida proteīnus (globulas, latu. bumbiņa) vai pavedienu fibrilāri proteīni (fibra, latu. šķiedra).

Lodveida struktūras piemērs ir albumīna proteīns, albumīnu klasē ietilpst proteīns vistas olu. Albumīna polimēru ķēde ir samontēta galvenokārt no alanīna, asparagīnskābes, glicīna un cisteīna, pārmaiņus noteiktā secībā. Terciārā struktūra satur α-spirāles, kas savienotas ar atsevišķām ķēdēm (10. att.).

Rīsi. desmit ALBUMĪNA GLOBULĀRĀ STRUKTŪRA

Fibrilāras struktūras piemērs ir fibroīna proteīns. Tie satur lielu daudzumu glicīna, alanīna un serīna atlikumu (katrs otrais aminoskābes atlikums ir glicīns); nav cisteīna atlikumu, kas satur sulfhidrīdu grupas. Fibroīns, dabiskā zīda un zirnekļu tīklu galvenā sastāvdaļa, satur β-struktūras, kas savienotas ar atsevišķām ķēdēm (11. att.).

Rīsi. vienpadsmit FIBRILA PROTEĪNA FIBROĪNS

Iespēja veidot noteikta veida terciāro struktūru ir raksturīga proteīna primārajai struktūrai, t.i. iepriekš noteikts pēc aminoskābju atlikumu maiņas secības. No noteiktām šādu atlieku kopām pārsvarā rodas α-spirāles (tādu kopu ir diezgan daudz), cita kopa noved pie β-struktūru parādīšanās, atsevišķas ķēdes raksturo to sastāvs.

Dažas olbaltumvielu molekulas, saglabājot terciāro struktūru, spēj apvienoties lielos supramolekulāros agregātos, kamēr tās kopā satur polārā mijiedarbība, kā arī ūdeņraža saites. Šādus veidojumus sauc par proteīna kvartāro struktūru. Piemēram, feritīna proteīns, kas sastāv galvenokārt no leicīna, glutamīnskābes, asparagīnskābes un histidīna (fericīns dažādos daudzumos satur visus 20 aminoskābju atlikumus), veido terciāro struktūru no četrām paralēli novietotām α-spirālēm. Molekulas apvienojot vienā ansamblī (12. att.), veidojas kvartāra struktūra, kas var ietvert līdz 24 feritīna molekulām.

12. att GLOBULĀRĀ PROTEĪNA FERITINA KVARTĀRĀS STRUKTŪRAS IZVEIDOŠANĀS

Vēl viens supramolekulāro veidojumu piemērs ir kolagēna struktūra. Tas ir fibrilārs proteīns, kura ķēdes galvenokārt sastāv no glicīna, kas mijas ar prolīnu un lizīnu. Struktūra satur atsevišķas ķēdes, trīskāršas α-spirāles, kas mijas ar lentveida β-struktūrām, kas sakrautas paralēlos saišķos (13. att.).

13. att KOLAGĒNA FIBRILĀRĀ PROTEĪNA SUPRAMOLEKULĀRA STRUKTŪRA

Olbaltumvielu ķīmiskās īpašības.

Organisko šķīdinātāju iedarbībā dažu baktēriju atkritumi (pienskābes fermentācija) vai, paaugstinoties temperatūrai, tiek iznīcinātas sekundārās un terciārās struktūras, nesabojājot tās primāro struktūru, kā rezultātā proteīns zaudē šķīdību un zaudē bioloģisko aktivitāti. procesu sauc par denaturāciju, tas ir, dabisko īpašību zudumu, piemēram, rūgušpiena sarecēšanu, vārītas vistas olas sarecējušos proteīnus. Plkst paaugstināta temperatūra dzīvo organismu olbaltumvielas (īpaši mikroorganismu) ātri denaturējas. Šīs olbaltumvielas nespēj piedalīties bioloģiskie procesi, kā rezultātā mikroorganismi iet bojā, tāpēc vārīts (vai pasterizēts) piens var ilgt ilgāk.

Peptīdu saites H-N-C=O, kas veido proteīna molekulas polimēra ķēdi, tiek hidrolizētas skābju vai sārmu klātbūtnē, un polimēra ķēde pārtrūkst, kas galu galā var novest pie sākotnējām aminoskābēm. Peptīdu saites, kas iekļautas α-spirālēs vai β-struktūrās, ir izturīgākas pret hidrolīzi un dažādiem ķīmiskiem uzbrukumiem (salīdzinājumā ar vienādām saitēm atsevišķās ķēdēs). Smalkāka proteīna molekulas sadalīšana tās sastāvā esošajās aminoskābēs tiek veikta bezūdens vidē, izmantojot hidrazīnu H 2 N–NH 2, savukārt visi aminoskābju fragmenti, izņemot pēdējo, veido tā sauktos karbonskābes hidrazīdus, kas satur fragments C (O)–HN–NH 2 (14. att.).

Rīsi. četrpadsmit. POLIPEPTĪDA ŠĶELŠANA

Šāda analīze var sniegt informāciju par proteīna aminoskābju sastāvu, taču svarīgāk ir zināt to secību proteīna molekulā. Viena no šim nolūkam plaši izmantotajām metodēm ir fenilizotiocianāta (FITC) iedarbība uz polipeptīdu ķēdi, kas sārmainā vidē piesaistās polipeptīdam (no gala, kurā ir aminogrupa) un mainoties vides reakcijai. uz skābu, tas atdalās no ķēdes, līdzi ņemot vienas aminoskābes fragmentu (15. att.).

Rīsi. piecpadsmit SEKCĪVAIS POLIPEPTĪDS Šķelšanās

Šādai analīzei ir izstrādātas daudzas īpašas metodes, tostarp tās, kas sāk “izjaukt” proteīna molekulu tās sastāvdaļās, sākot no karboksilgala.

Šķērsu disulfīdu tilti S-S (veidojas cisteīna atlikumu mijiedarbībā, 2. un 9. att.) tiek sašķelti, pārvēršot tos HS grupās dažādu reducētāju ietekmē. Oksidētāju (skābekļa vai ūdeņraža peroksīda) darbība atkal noved pie disulfīda tiltu veidošanās (16. att.).

Rīsi. 16. Disulfīdu tiltu šķelšanās

Lai izveidotu papildu šķērssaites olbaltumvielās, izmantojiet reaktivitāte amino un karboksilgrupas. Pieejamākas dažādām mijiedarbībām ir aminogrupas, kas atrodas ķēdes sānu rāmī - lizīna, asparagīna, lizīna, prolīna fragmenti (1. tabula). Šādām aminogrupām mijiedarbojoties ar formaldehīdu, notiek kondensācijas process un rodas krusteniski tilti –NH–CH2–NH– (17. att.).

Rīsi. 17 PAPILDU TRANSVERĀLO TILTU IZVEIDE STARP PROTEĪNA MOLEKULĀM.

Olbaltumvielu terminālās karboksilgrupas spēj reaģēt ar dažu daudzvērtīgu metālu kompleksajiem savienojumiem (biežāk tiek izmantoti hroma savienojumi), rodas arī šķērssaišu veidošanās. Abi procesi tiek izmantoti ādas miecēšanā.

Olbaltumvielu loma organismā.

Olbaltumvielu loma organismā ir daudzveidīga.

Fermenti(fermentācija latu. - fermentācija), to cits nosaukums ir fermenti (en zumh grieķu. - raugā) - tie ir proteīni ar katalītisko aktivitāti, tie spēj tūkstošiem reižu palielināt bioķīmisko procesu ātrumu. Enzīmu ietekmē pārtikas sastāvdaļas: olbaltumvielas, tauki un ogļhidrāti tiek sadalīti vairāk vienkārši savienojumi, no kurām pēc tam tiek sintezētas jaunas makromolekulas, kas nepieciešamas noteikta tipa organismam. Fermenti piedalās arī daudzos bioķīmiskos sintēzes procesos, piemēram, olbaltumvielu sintēzē (daži proteīni palīdz sintezēt citus). Cm. FERMENTI

Fermenti ir ne tikai ļoti efektīvi katalizatori, bet arī selektīvi (stingri virza reakciju noteiktā virzienā). To klātbūtnē reakcija norit ar gandrīz 100% iznākumu, neveidojot blakusproduktus, un tajā pašā laikā plūsmas apstākļi ir viegli: normāls atmosfēras spiediens un dzīva organisma temperatūra. Salīdzinājumam, amonjaka sintēze no ūdeņraža un slāpekļa aktivēta dzelzs katalizatora klātbūtnē tiek veikta 400–500°C temperatūrā un 30 MPa spiedienā, amonjaka iznākums ir 15–25% ciklā. Fermenti tiek uzskatīti par nepārspējamiem katalizatoriem.

Intensīva fermentu izpēte sākās 19. gadsimta vidū, šobrīd ir izpētīti vairāk nekā 2000 dažādu enzīmu, šī ir daudzveidīgākā olbaltumvielu klase.

Fermentu nosaukumi ir šādi: reaģenta nosaukumu, ar kuru ferments mijiedarbojas, vai katalizētās reakcijas nosaukumu pievieno ar galotni -aza, piemēram, argināze sadala arginīnu (1. tabula), dekarboksilāze katalizē dekarboksilāciju, t.i. CO 2 izvadīšana no karboksilgrupas:

– COOH → – CH + CO 2

Bieži vien, lai precīzāk norādītu fermenta lomu, tā nosaukumā ir norādīts gan reakcijas objekts, gan veids, piemēram, alkoholdehidrogenāze ir ferments, kas dehidrogenē spirtus.

Dažiem fermentiem, kas atklāti diezgan sen, ir saglabāts vēsturiskais nosaukums (bez galotnes -aza), piemēram, pepsīns (pepsis, grieķu valoda. gremošana) un tripsīns (tripsis grieķu valoda. sašķidrināšana), šie enzīmi sadala olbaltumvielas.

Sistematizācijai fermenti tiek apvienoti lielās klasēs, klasifikācija ir balstīta uz reakcijas veidu, klases tiek nosauktas pēc vispārējā principa - reakcijas nosaukums un beigas - aza. Dažas no šīm klasēm ir uzskaitītas zemāk.

Oksidoreduktāze ir fermenti, kas katalizē redoksreakcijas. Šajā klasē iekļautās dehidrogenāzes veic protonu pārnesi, piemēram, spirta dehidrogenāze (ADH) oksidē spirtus par aldehīdiem, turpmāko aldehīdu oksidēšanu par karbonskābēm katalizē aldehīda dehidrogenāzes (ALDH). Abi procesi notiek organismā etanola pārstrādes laikā etiķskābē (18. att.).

Rīsi. astoņpadsmit ETANOLA DIVPADU OKSIDĒŠANA uz etiķskābi

Narkotiska iedarbība ir nevis etanolam, bet gan starpproduktam acetaldehīdam, jo ​​zemāka ir ALDH enzīma aktivitāte, jo lēnāk pāriet otrais posms - acetaldehīda oksidēšanās līdz etiķskābei, un jo ilgāka un spēcīgāka ir apreibinošā iedarbība no uzņemšanas. no etanola. Analīze parādīja, ka vairāk nekā 80% dzeltenās rases pārstāvju ir salīdzinoši zema ALDH aktivitāte un līdz ar to ievērojami smagāka alkohola tolerance. Iemesls šai iedzimtajai samazinātajai ALDH aktivitātei ir tas, ka daļa no glutamīnskābes atliekām “novājinātajā” ALDH molekulā tiek aizstāta ar lizīna fragmentiem (1.

Transferāzes- fermenti, kas katalizē funkcionālo grupu pārnešanu, piemēram, transimināze katalizē aminogrupas pārnešanu.

Hidrolāzes ir fermenti, kas katalizē hidrolīzi. Iepriekš minētie tripsīns un pepsīns hidrolizē peptīdu saites, bet lipāzes sašķeļ estera saiti taukos:

–RC(O)OR1 + H2O → –RC(O)OH + HOR1

Liase- fermenti, kas katalizē reakcijas, kas notiek nehidrolītiskā veidā, šādu reakciju rezultātā rodas plīsums C-C savienojumi, C-O, C-N un jaunu saišu veidošanās. Šai klasei pieder enzīms dekarboksilāze

Izomerāzes- enzīmi, kas katalizē izomerizāciju, piemēram, maleīnskābes pārvēršanu par fumārskābi (19. att.), tas ir cis-trans izomerizācijas piemērs (skat. ISOMERIA).

Rīsi. 19. MALEĪNSKĀBES IZOMERIZĀCIJA fermenta klātbūtnē pārvēršas fumārskābē.

Tiek novērots fermentu darbs vispārējs princips, saskaņā ar kuru vienmēr pastāv strukturāla atbilstība starp fermentu un paātrinātās reakcijas reaģentu. Saskaņā ar viena no enzīmu doktrīnas pamatlicēja E. Fišera tēlaino izteicienu, reaģents tuvojas fermentam kā atslēga uz slēdzeni. Šajā sakarā katrs ferments katalizē noteiktu ķīmisko reakciju vai tāda paša veida reakciju grupu. Dažreiz enzīms var iedarboties uz vienu savienojumu, piemēram, ureāzi (uronu grieķu valoda. - urīns) katalizē tikai urīnvielas hidrolīzi:

(H 2 N) 2 C \u003d O + H 2 O \u003d CO 2 + 2NH 3

Smalkāko selektivitāti uzrāda fermenti, kas atšķir optiski aktīvos antipodus – kreisās un labās puses izomērus. L-argināze iedarbojas tikai uz pa kreisi griežošo arginīnu un neietekmē pa labi rotējošo izomēru. L-laktāta dehidrogenāze iedarbojas tikai uz pienskābes pa kreisi griežošajiem esteriem, tā sauktajiem laktātiem (lactis latu. piens), savukārt D-laktāta dehidrogenāze šķeļ tikai D-laktātus.

Lielākā daļa enzīmu iedarbojas nevis uz vienu, bet uz radniecīgu savienojumu grupu, piemēram, tripsīns "dod priekšroku" lizīna un arginīna veidoto peptīdu saišu šķelšanai (1.

Dažu enzīmu, piemēram, hidrolāžu, katalītiskās īpašības nosaka tikai pašas proteīna molekulas struktūra, cita enzīmu klase - oksidoreduktāzes (piemēram, alkohola dehidrogenāze) var būt aktīvas tikai tādu molekulu klātbūtnē, kas nav saistītas ar olbaltumvielām. tos - vitamīnus, kas aktivizē Mg, Ca, Zn, Mn un nukleīnskābju fragmentus (20. att.).

Rīsi. divdesmit ALKOHOLA DEHIDROGENĀZES Molekula

Transporta proteīni saistās un transportē dažādas molekulas vai jonus caur šūnu membrānām (gan šūnas iekšpusē, gan ārpusē), kā arī no viena orgāna uz otru.

Piemēram, hemoglobīns saista skābekli, asinīm ejot cauri plaušām un nogādājot to dažādos ķermeņa audos, kur tiek atbrīvots skābeklis un pēc tam tiek izmantots pārtikas komponentu oksidēšanai, šis process kalpo kā enerģijas avots (dažkārt viņi lieto terminu "dedzināšana"). pārtika organismā).

Papildus proteīna daļai hemoglobīns satur sarežģītu dzelzs savienojumu ar ciklisku porfirīna molekulu (porfiru grieķu valoda. - violeta), kas nosaka asins sarkano krāsu. Tieši šis komplekss (21. att., pa kreisi) pilda skābekļa nesēja lomu. Hemoglobīnā dzelzs porfirīna komplekss atrodas proteīna molekulas iekšpusē, un to saglabā polārā mijiedarbība, kā arī koordinācijas saite ar slāpekli histidīnā (1. tabula), kas ir daļa no proteīna. O2 molekula, ko pārnēsā hemoglobīns, caur koordinācijas saiti ir pievienota dzelzs atomam no tās puses, kas ir pretēja tai, kurai pievienots histidīns (21. att. pa labi).

Rīsi. 21 DZELZES KOMPLEKSA UZBŪVE

Kompleksa struktūra ir parādīta labajā pusē trīsdimensiju modeļa veidā. Kompleksu proteīna molekulā notur koordinācijas saite (pārtraukta zila līnija) starp Fe atomu un N atomu histidīnā, kas ir daļa no proteīna. O 2 molekula, ko pārnēsā hemoglobīns, ir koordinēta (sarkana punktēta līnija) ar Fe atomu no plakanā kompleksa pretējās valsts.

Hemoglobīns ir viens no visvairāk pētītajiem proteīniem, tas sastāv no a-spirālēm, kas savienotas ar atsevišķām ķēdēm un satur četrus dzelzs kompleksus. Tādējādi hemoglobīns ir kā apjomīgs iepakojums četru skābekļa molekulu pārnešanai vienlaikus. Hemoglobīna forma atbilst lodveida proteīniem (22. att.).

Rīsi. 22 HEMOGLOBĪNA GLOBULĀRA FORMA

Galvenā hemoglobīna "priekšrocība" ir tā, ka skābekļa pievienošana un sekojošā sadalīšanās, pārejot uz dažādiem audiem un orgāniem, notiek ātri. Oglekļa monoksīds, CO (oglekļa monoksīds), hemoglobīnā vēl ātrāk saistās ar Fe, bet atšķirībā no O 2 veido grūti sadalāmu kompleksu. Rezultātā šāds hemoglobīns nespēj saistīt O 2, kas noved (kad tiek ieelpots liels daudzums oglekļa monoksīda) līdz ķermeņa nāvei no nosmakšanas.

Otra hemoglobīna funkcija ir izelpotā CO 2 pārnešana, bet ne dzelzs atoms, bet gan proteīna N-grupas H 2 ir iesaistīts oglekļa dioksīda pagaidu saistīšanās procesā.

Olbaltumvielu "darbspēja" ir atkarīga no to struktūras, piemēram, vienīgo glutamīnskābes aminoskābju atlikumu hemoglobīna polipeptīdu ķēdē aizstājot ar valīna atlikumu (reti novērojama iedzimta anomālija), rodas slimība, ko sauc par sirpjveida šūnu anēmiju.

Ir arī transporta proteīni, kas var saistīt taukus, glikozi, aminoskābes un pārnest tās gan šūnās, gan ārpus tām.

Īpaša tipa transporta proteīni paši nenes vielas, bet darbojas kā “transporta regulators”, izlaižot noteiktas vielas caur membrānu (šūnas ārējo sienu). Šādas olbaltumvielas bieži sauc par membrānas proteīniem. Tiem ir doba cilindra forma un, būdami iestrādāti membrānas sieniņā, tie nodrošina dažu polāro molekulu vai jonu pārvietošanos šūnā. Membrānas proteīna piemērs ir porīns (23. att.).

Rīsi. 23 PORINA PROTEĪNS

Pārtikas un uzglabāšanas olbaltumvielas, kā norāda nosaukums, kalpo kā iekšējās uztura avoti, biežāk augu un dzīvnieku embrijiem, kā arī jauno organismu attīstības sākumposmā. Uztura olbaltumvielās ietilpst albumīns (10. att.) - galvenā olu baltuma sastāvdaļa, kā arī kazeīns - galvenais piena proteīns. Fermenta pepsīna iedarbībā kazeīns sarecē kuņģī, kas nodrošina tā aizturi gremošanas traktā un efektīvu uzsūkšanos. Kazeīns satur visu organismam nepieciešamo aminoskābju fragmentus.

Feritīnā (12. att.), kas atrodas dzīvnieku audos, tiek uzkrāti dzelzs joni.

Mioglobīns ir arī uzglabāšanas proteīns, kas pēc sastāva un struktūras atgādina hemoglobīnu. Mioglobīns koncentrējas galvenokārt muskuļos, tā galvenā loma ir skābekļa uzglabāšana, ko tam dod hemoglobīns. Tas tiek ātri piesātināts ar skābekli (daudz ātrāk nekā hemoglobīns) un pēc tam pakāpeniski pārnes to uz dažādiem audiem.

Strukturālie proteīni pilda aizsargfunkciju (āda) jeb atbalsta – satur ķermeni kopā un piešķir tam spēku (skrimšļi un cīpslas). To galvenā sastāvdaļa ir fibrilārais proteīns kolagēns (11. att.), visizplatītākais dzīvnieku pasaules proteīns zīdītāju organismā, tas veido gandrīz 30% no kopējās olbaltumvielu masas. Kolagēnam ir augsta stiepes izturība (ādas izturība ir zināma), taču zemā šķērssaišu satura dēļ ādas kolagēnā dzīvnieku ādas neapstrādātā veidā nav īpaši piemērotas dažādu produktu ražošanai. Lai samazinātu ādas pietūkumu ūdenī, saraušanos žūšanas laikā, kā arī lai palielinātu izturību laistītā stāvoklī un palielinātu elastību kolagēnā, tiek izveidotas papildu šķērssaites (15.a att.), tas ir t.s. ādas miecēšanas process.

Dzīvos organismos kolagēna molekulas, kas radušās organisma augšanas un attīstības procesā, netiek atjauninātas un netiek aizstātas ar tikko sintezētām. Ķermenim novecojot, palielinās šķērssaišu skaits kolagēnā, kas noved pie tā elastības samazināšanās, un, tā kā atjaunošanās nenotiek, parādās ar vecumu saistītas izmaiņas - palielinās skrimšļa un cīpslu trauslums, parādās grumbas uz ādas.

Locītavu saites satur elastīnu, strukturālu proteīnu, kas viegli stiepjas divās dimensijās. Vislielākā elastība ir resilīna proteīnam, kas atrodas dažu kukaiņu spārnu piestiprināšanas vietās.

Ragu veidojumi - mati, nagi, spalvas, kas sastāv galvenokārt no keratīna proteīna (24. att.). Tās galvenā atšķirība ir ievērojamais cisteīna atlieku saturs, kas veido disulfīda tiltus, kas piešķir matiem augstu elastību (spēju atjaunot sākotnējo formu pēc deformācijas), kā arī vilnas audumiem.

Rīsi. 24. FIBRILĀ PROTEĪNA KERATĪNA FRAGMENTS

Lai neatgriezeniski mainītu keratīna objekta formu, vispirms ar reducētāja palīdzību jāiznīcina disulfīda tilti, jāpiešķir tam jauna forma un pēc tam ar oksidētāja palīdzību jāizveido no jauna disulfīda tilti (att. . 16), šādi tiek veikta, piemēram, ilgviļņu matu veidošana.

Palielinoties cisteīna atlieku saturam keratīnā un attiecīgi palielinoties disulfīda tiltu skaitam, pazūd spēja deformēties, bet tajā pašā laikā parādās augsta izturība (nadžu ragi un bruņurupuču čaumalas satur līdz 18% cisteīna fragmentu). Zīdītājiem ir līdz 30 dažādu veidu keratīna.

Ar keratīnu saistītais fibrilārais proteīns fibroīns, ko izdala zīdtārpiņu kāpuri kokonu lokošanās laikā, kā arī zirnekļi tīkla aušanas laikā, satur tikai β-struktūras, kas savienotas ar atsevišķām ķēdēm (11. att.). Atšķirībā no keratīna, fibroīnam nav šķērsvirziena disulfīda tiltu, tam ir ļoti spēcīga stiepes izturība (dažu auduma paraugu stiprība uz šķērsgriezuma vienību ir lielāka nekā tērauda kabeļiem). Tā kā nav šķērssaišu, fibroīns ir neelastīgs (zināms, ka vilnas audumi ir gandrīz neizdzēšami, un zīda audumi ir viegli saburzīti).

regulējošie proteīni.

Regulējošie proteīni, biežāk saukti par hormoniem, ir iesaistīti dažādos fizioloģiskos procesos. Piemēram, hormona insulīns (25. att.) sastāv no divām α-ķēdēm, kuras savieno disulfīda tilti. insulīns regulē vielmaiņas procesi ar glikozes līdzdalību tās trūkums izraisa diabētu.

Rīsi. 25 PROTEĪNA INULĪNS

Smadzeņu hipofīze sintezē hormonu, kas regulē ķermeņa augšanu. Ir regulējošie proteīni, kas kontrolē dažādu enzīmu biosintēzi organismā.

Kontrakcijas un motoriskie proteīni dod ķermenim spēju sarauties, mainīt formu un kustēties, galvenokārt, mēs runājam par muskuļiem. 40% no visu muskuļos esošo olbaltumvielu masas ir miozīns (mys, myos, grieķu valoda. - muskuļi). Tās molekula satur gan fibrilāru, gan lodveida daļu (26. att.)

Rīsi. 26 MIOZĪNA MOLEKULA

Šādas molekulas apvienojas lielos agregātos, kas satur 300–400 molekulas.

Mainoties kalcija jonu koncentrācijai telpā, kas ieskauj muskuļu šķiedras, notiek atgriezeniskas izmaiņas molekulu konformācijā - mainās ķēdes forma atsevišķu fragmentu rotācijas dēļ ap valences saitēm. Tas noved pie muskuļu kontrakcijas un relaksācijas, signāls mainīt kalcija jonu koncentrāciju nāk no muskuļu šķiedru nervu galiem. Mākslīgo muskuļu kontrakciju var izraisīt elektrisko impulsu darbība, kas izraisa krasas kalcija jonu koncentrācijas izmaiņas, tas ir pamats sirds muskuļa stimulēšanai, lai atjaunotu sirds darbu.

Aizsargājošie proteīni ļauj aizsargāt organismu no uzbrūkošo baktēriju, vīrusu invāzijas un svešu proteīnu iekļūšanas (vispārinātais svešķermeņu nosaukums ir antigēni). Aizsargājošo proteīnu lomu pilda imūnglobulīni (to otrs nosaukums ir antivielas), tie atpazīst organismā iekļuvušos antigēnus un ar tiem stingri saistās. Zīdītāju, arī cilvēku, organismā ir piecas imūnglobulīnu klases: M, G, A, D un E, to struktūra, kā norāda nosaukums, ir lodveida, turklāt tie visi ir uzbūvēti līdzīgi. Antivielu molekulārā organizācija ir parādīta tālāk, izmantojot G klases imūnglobulīnu kā piemēru (27. att.). Molekulā ir četras polipeptīdu ķēdes, kas savienotas ar trim S-S disulfīda tiltiem (27. att. tās attēlotas ar sabiezinātām valences saitēm un lieliem S simboliem), turklāt katra polimēra ķēde satur intraķēdes disulfīda tiltus. Divas lielas polimēru ķēdes (izceltas zilā krāsā) satur 400–600 aminoskābju atlikumus. Divas citas ķēdes (izceltas zaļā krāsā) ir gandrīz uz pusi garākas un satur aptuveni 220 aminoskābju atlikumus. Visas četras ķēdes ir izvietotas tā, lai termināla H 2 N-grupas būtu vērstas vienā virzienā.

Rīsi. 27 IMUNOGLOBULĪNA UZBŪVES SHĒMATISKS ZĪMĒJUMS

Pēc ķermeņa saskares ar svešu proteīnu (antigēnu), imūnsistēmas šūnas sāk ražot imūnglobulīnus (antivielas), kas uzkrājas asins serumā. Pirmajā posmā galveno darbu veic ķēdes posmi, kas satur termināli H 2 N (27. attēlā attiecīgie posmi ir atzīmēti gaiši zilā un gaiši zaļā krāsā). Tās ir antigēnu uztveršanas vietas. Imūnglobulīnu sintēzes procesā šīs vietas veidojas tā, lai to struktūra un konfigurācija maksimāli atbilstu tuvojošā antigēna struktūrai (kā atslēga uz slēdzeni, kā fermenti, bet uzdevumi šajā gadījumā ir savādāk). Tādējādi katram antigēnam kā imūnreakcija tiek izveidota stingri individuāla antiviela. Ne viens vien zināms proteīns var tik “plastiski” mainīt savu struktūru atkarībā no ārējiem faktoriem, papildus imūnglobulīniem. Fermenti strukturālās atbilstības problēmu reaģentam atrisina citādi – ar gigantisku dažādu enzīmu komplektu visiem iespējamajiem gadījumiem, un imūnglobulīni katru reizi atjauno "darba instrumentu". Turklāt imūnglobulīna eņģes apgabals (27. att.) nodrošina abus uztveršanas reģionus ar zināmu neatkarīgu mobilitāti, kā rezultātā imūnglobulīna molekula var nekavējoties “atrast” divus ērtākos apgabalus uztveršanai antigēnā, lai droši nostiprinātos. tas atgādina vēžveidīgo darbību.

Tālāk tiek ieslēgta organisma imūnsistēmas secīgu reakciju ķēde, tiek savienoti citu klašu imūnglobulīni, kā rezultātā tiek dezaktivēts svešs proteīns, pēc tam tiek iznīcināts un izņemts antigēns (svešais mikroorganisms vai toksīns).

Pēc saskares ar antigēnu maksimālā imūnglobulīna koncentrācija (atkarībā no antigēna rakstura un paša organisma individuālajām īpašībām) tiek sasniegta dažu stundu laikā (dažreiz vairāku dienu laikā). Organisms saglabā atmiņu par šādu kontaktu, un, atkārtoti uzbrūkot ar to pašu antigēnu, imūnglobulīni asins serumā uzkrājas daudz ātrāk un lielākā daudzumā – rodas iegūtā imunitāte.

Iepriekš minētā proteīnu klasifikācija zināmā mērā ir nosacīta, piemēram, trombīna proteīns, kas minēts starp aizsargproteīniem, būtībā ir enzīms, kas katalizē peptīdu saišu hidrolīzi, tas ir, tas pieder proteāžu klasei.

Aizsargproteīnus bieži dēvē par čūsku indes proteīniem un dažu augu toksiskajiem proteīniem, jo ​​to uzdevums ir aizsargāt ķermeni no bojājumiem.

Ir olbaltumvielas, kuru funkcijas ir tik unikālas, ka ir grūti tos klasificēt. Piemēram, olbaltumvielai monellīnam, kas atrodama Āfrikas augā, ir ļoti salda garša, un tā ir pētīta kā netoksiska viela, ko var izmantot cukura vietā, lai novērstu aptaukošanos. Dažu Antarktikas zivju asins plazmā ir olbaltumvielas ar antifrīzu īpašībām, kas neļauj šo zivju asinīm sasalst.

Mākslīgā proteīnu sintēze.

Aminoskābju kondensācija, kas noved pie polipeptīdu ķēdes, ir labi izpētīts process. Ir iespējams veikt, piemēram, jebkuras vienas aminoskābes vai skābju maisījuma kondensāciju un iegūt attiecīgi polimēru, kas satur vienas un tās pašas vienības vai dažādas vienības, pārmaiņus nejaušā secībā. Šādi polimēri maz līdzinās dabiskajiem polipeptīdiem, un tiem nav bioloģiskas aktivitātes. Galvenais uzdevums ir savienot aminoskābes stingri noteiktā, iepriekš plānotā secībā, lai reproducētu aminoskābju atlikumu secību dabīgajos proteīnos. Amerikāņu zinātnieks Roberts Merifīlds ierosināja oriģinālu metodi, kas ļāva atrisināt šādu problēmu. Metodes būtība ir tāda, ka pirmo aminoskābi pievieno nešķīstošam polimēra gēlam, kas satur reaktīvās grupas, kuras var apvienoties ar aminoskābes –COOH – grupām. Par šādu polimēru substrātu tika ņemts šķērssaistītais polistirols ar tajā ievadītajām hlormetilgrupām. Lai reakcijai ņemtā aminoskābe nereaģētu pati ar sevi un lai tā nepievienotos H 2 N-grupai ar substrātu, šīs skābes aminogrupa tiek iepriekš bloķēta ar apjomīgu aizvietotāju [(C 4 H) 9) 3] 3 OS (O) -grupa. Pēc tam, kad aminoskābe ir pievienojusies polimēra nesējam, bloķējošā grupa tiek noņemta un reakcijas maisījumā tiek ievadīta cita aminoskābe, kurā iepriekš ir bloķēta arī H 2 N grupa. Šādā sistēmā iespējama tikai pirmās aminoskābes H 2 N-grupas un otrās skābes grupas –COOH mijiedarbība, kas tiek veikta katalizatoru (fosfonija sāļu) klātbūtnē. Pēc tam visu shēmu atkārto, ieviešot trešo aminoskābi (28. att.).

Rīsi. 28. POLIPEPTĪDU ĶĒDES SINTĒZES SHĒMA

Pēdējā posmā iegūtās polipeptīdu ķēdes tiek atdalītas no polistirola atbalsta. Tagad viss process ir automatizēts, ir automātiskie peptīdu sintezatori, kas darbojas pēc aprakstītās shēmas. Ar šo metodi ir sintezēti daudzi peptīdi, ko izmanto medicīnā un lauksaimniecībā. Bija iespējams iegūt arī uzlabotus dabisko peptīdu analogus ar selektīvu un pastiprinātu darbību. Ir sintezēti daži nelieli proteīni, piemēram, hormons insulīns un daži fermenti.

Ir arī proteīnu sintēzes metodes, kas atkārto dabiskos procesus: tās sintezē nukleīnskābju fragmentus, kas konfigurēti, lai ražotu noteiktus proteīnus, pēc tam šie fragmenti tiek ievietoti dzīvā organismā (piemēram, baktērijās), pēc tam organisms sāk ražot vēlamais proteīns. Tādā veidā tagad tiek iegūts ievērojams daudzums grūti sasniedzamu proteīnu un peptīdu, kā arī to analogu.

Olbaltumvielas kā pārtikas avoti.

Olbaltumvielas dzīvā organismā pastāvīgi tiek sadalītas to sākotnējās aminoskābēs (ar neaizstājamu enzīmu līdzdalību), dažas aminoskābes pāriet citās, tad proteīni tiek sintezēti no jauna (arī ar fermentu līdzdalību), t.i. organisms nemitīgi atjaunojas. Dažas olbaltumvielas (ādas, matu kolagēns) neatjaunojas, organisms tās nepārtraukti zaudē un sintezē jaunas. Olbaltumvielas kā pārtikas avoti veic divas galvenās funkcijas: tās apgādā organismu ar celtniecības materiāls jaunu olbaltumvielu molekulu sintēzei un papildus apgādā organismu ar enerģiju (kaloriju avotiem).

Gaļēdāji zīdītāji (arī cilvēki) nepieciešamās olbaltumvielas saņem no augu un dzīvnieku izcelsmes pārtikas. Neviena no olbaltumvielām, kas iegūta ar pārtiku, netiek integrēta organismā nemainītā veidā. Gremošanas traktā visas uzņemtās olbaltumvielas tiek sadalītas līdz aminoskābēm, un no tām jau tiek uzbūvētas konkrētam organismam nepieciešamās olbaltumvielas, savukārt atlikušās 12 var sintezēt no 8 neaizvietojamām skābēm (1. tabula), ja tās nav organismā. pietiekamā daudzumā tiek piegādāts kopā ar pārtiku, bet neaizvietojamās skābes obligāti ir jāapgādā ar pārtiku. Sēra atomus cisteīnā organisms iegūst ar neaizvietojamo aminoskābi metionīnu. Daļa olbaltumvielu sadalās, atbrīvojot dzīvības uzturēšanai nepieciešamo enerģiju, un tajos esošais slāpeklis izdalās no organisma ar urīnu. Parasti cilvēka ķermenis zaudē 25–30 g olbaltumvielu dienā, tāpēc proteīna pārtikai vienmēr jābūt pareizajā daudzumā. Minimālā dienas nepieciešamība pēc proteīna ir 37 g vīriešiem un 29 g sievietēm, bet ieteicamā uzņemšana ir gandrīz divas reizes lielāka. Novērtējot pārtiku, ir svarīgi ņemt vērā olbaltumvielu kvalitāti. Ja neaizvietojamo aminoskābju saturs nav vai ir mazs, olbaltumvielas tiek uzskatītas par mazvērtīgām, tāpēc šādas olbaltumvielas jālieto lielākā daudzumā. Tātad pākšaugu olbaltumvielās ir maz metionīna, un kviešu un kukurūzas olbaltumvielās ir maz lizīna (abas aminoskābes ir būtiskas). Dzīvnieku olbaltumvielas (izņemot kolagēnus) tiek klasificētas kā pilnvērtīga barība. Pilns visu neaizstājamo skābju komplekts satur piena kazeīnu, kā arī biezpienu un no tā gatavotu sieru, tāpēc veģetāra diēta, ja tā ir ļoti stingra, t.i. “bez piena”, nepieciešams palielināt pākšaugu, riekstu un sēņu patēriņu, lai nodrošinātu organismu ar neaizvietojamām aminoskābēm pareizajā daudzumā.

Sintētiskās aminoskābes un olbaltumvielas tiek izmantotas arī kā pārtikas produkti, pievienojot tos barībai, kas nelielos daudzumos satur neaizstājamās aminoskābes. Ir baktērijas, kas spēj pārstrādāt un asimilēt naftas ogļūdeņražus, šajā gadījumā pilnīgai olbaltumvielu sintēzei tās jābaro ar slāpekli saturošiem savienojumiem (amonjaku vai nitrātiem). Tādā veidā iegūtās olbaltumvielas tiek izmantotas kā barība mājlopiem un mājputniem. Dzīvnieku barībai bieži tiek pievienots enzīmu komplekts, ogļhidrāti, kas katalizē grūti sadalāmo ogļhidrātu pārtikas komponentu hidrolīzi (graudu kultūru šūnu sieniņas), kā rezultātā pilnvērtīgāk uzsūcas augu barība.

Mihails Levitskis

olbaltumvielas (2. pants)

(olbaltumvielas), kompleksu slāpekli saturošu savienojumu klase, dzīvās vielas raksturīgākās un svarīgākās (kopā ar nukleīnskābēm) sastāvdaļas. Olbaltumvielas pilda daudzas un dažādas funkcijas. Lielākā daļa olbaltumvielu ir fermenti, kas katalizē ķīmiskās reakcijas. Daudzi hormoni, kas regulē fizioloģiskos procesus, arī ir olbaltumvielas. Strukturālie proteīni, piemēram, kolagēns un keratīns, ir galvenie komponenti kaulu audi, mati un nagi. Muskuļu saraušanās proteīniem ir iespēja mainīt savu garumu, izmantojot ķīmisko enerģiju mehāniskā darba veikšanai. Olbaltumvielas ir antivielas, kas saistās un neitralizē toksiskas vielas. Daži proteīni, kas spēj reaģēt uz ārējām ietekmēm (gaismu, smaržu), kalpo kā receptori maņu orgānos, kas uztver kairinājumu. Daudzi proteīni, kas atrodas šūnas iekšpusē un uz šūnas membrānas, veic regulēšanas funkcijas.

19. gadsimta pirmajā pusē daudzi ķīmiķi, starp tiem galvenokārt J. fon Lībigs, pamazām nonāca pie secinājuma, ka olbaltumvielas ir īpaša slāpekļa savienojumu klase. Nosaukumu "olbaltumvielas" (no grieķu protos - pirmais) 1840. gadā ierosināja holandiešu ķīmiķis G. Mulders.

FIZISKĀS ĪPAŠĪBAS

Olbaltumvielas cietā stāvoklī balta krāsa, un šķīdumā ir bezkrāsaini, ja vien tie nesatur kādu hromoforu (krāsainu) grupu, piemēram, hemoglobīnu. Dažādu olbaltumvielu šķīdība ūdenī ir ļoti atšķirīga. Tas mainās arī atkarībā no pH un sāļu koncentrācijas šķīdumā, lai var izvēlēties apstākļus, kādos viens proteīns selektīvi nogulsnēs citu olbaltumvielu klātbūtnē. Šo "izsālīšanas" metodi plaši izmanto proteīnu izolēšanai un attīrīšanai. Attīrītais proteīns bieži izgulsnējas no šķīduma kā kristāli.

Salīdzinot ar citiem savienojumiem, olbaltumvielu molekulmasa ir ļoti liela - no vairākiem tūkstošiem līdz daudziem miljoniem daltonu. Tāpēc ultracentrifugēšanas laikā olbaltumvielas tiek nogulsnētas, turklāt ar atšķirīgu ātrumu. Tā kā olbaltumvielu molekulās ir pozitīvi un negatīvi lādētas grupas, tās elektriskajā laukā pārvietojas ar dažādu ātrumu. Tas ir elektroforēzes pamatā - metode, ko izmanto atsevišķu proteīnu izolēšanai no sarežģītiem maisījumiem. Olbaltumvielu attīrīšanu veic arī ar hromatogrāfiju.

ĶĪMISKĀS ĪPAŠĪBAS

Struktūra.

Olbaltumvielas ir polimēri, t.i. molekulas, kas veidotas kā ķēdes no atkārtotām monomēru vienībām vai apakšvienībām, kuru lomu spēlē alfa-aminoskābes. Vispārīgā aminoskābju formula

kur R ir ūdeņraža atoms vai kāda organiska grupa.

Olbaltumvielu molekula (polipeptīdu ķēde) var sastāvēt tikai no salīdzinoši neliela aminoskābju skaita vai vairākiem tūkstošiem monomēru vienību. Aminoskābju savienošana ķēdē ir iespējama, jo katrā no tām ir divas dažādas ķīmiskās grupas: aminogrupa ar bāziskām īpašībām NH2 un skābā karboksilgrupa COOH. Abas šīs grupas ir pievienotas oglekļa atomam. Vienas aminoskābes karboksilgrupa var veidot amīda (peptīda) saiti ar citas aminoskābes aminogrupu:

Pēc tam, kad šādā veidā ir savienotas divas aminoskābes, ķēdi var pagarināt, otrai aminoskābei pievienojot trešo un tā tālāk. Kā redzams no iepriekš minētā vienādojuma, veidojoties peptīdu saitei, tiek atbrīvota ūdens molekula. Skābju, sārmu vai proteolītisko enzīmu klātbūtnē reakcija notiek pretējā virzienā: polipeptīdu ķēde tiek sadalīta aminoskābēs, pievienojot ūdeni. Šo reakciju sauc par hidrolīzi. Hidrolīze notiek spontāni, un ir nepieciešama enerģija, lai aminoskābes apvienotu polipeptīdu ķēdē.

Karboksilgrupa un amīda grupa (vai tai līdzīga imīdu grupa - aminoskābes prolīna gadījumā) ir visās aminoskābēs, savukārt atšķirības starp aminoskābēm nosaka šīs grupas raksturs jeb "puse". ķēde”, kas iepriekš apzīmēta ar burtu R. Sānu ķēdes lomu var pildīt viens ūdeņraža atoms, piemēram, aminoskābe glicīns, un daži apjomīgi grupējumi, piemēram, histidīns un triptofāns. Dažas sānu ķēdes ir ķīmiski inertas, bet citas ir ļoti reaģējošas.

Var sintezēt daudzus tūkstošus dažādu aminoskābju, un dabā sastopamas daudzas dažādas aminoskābes, bet olbaltumvielu sintēzei izmanto tikai 20 veidu aminoskābes: alanīns, arginīns, asparagīns, asparagīnskābe, valīns, histidīns, glicīns, glutamīns, glutamīns. skābe, izoleicīns, leicīns, lizīns, metionīns, prolīns, serīns, tirozīns, treonīns, triptofāns, fenilalanīns un cisteīns (olbaltumvielās cisteīns var būt kā dimērs - cistīns). Tiesa, dažās olbaltumvielās papildus regulāri sastopamajām divdesmit aminoskābēm ir arī citas aminoskābes, taču tās veidojas, modificējot kādu no divdesmit uzskaitītajām pēc tam, kad tās ir iekļautas olbaltumvielās.

optiskā aktivitāte.

Visām aminoskābēm, izņemot glicīnu, ir četras dažādas grupas, kas pievienotas α-oglekļa atomam. Ģeometrijas ziņā četras dažādas grupas var piesaistīt divos veidos, un attiecīgi ir iespējamas divas konfigurācijas jeb divi izomēri, kas viens ar otru ir saistīti kā objekts tā spoguļattēlam, t.i. kā kreisā roka pa labi. Vienu konfigurāciju sauc par kreiso jeb kreiso (L), bet otru par labo vai labo roku (D), jo abi šādi izomēri atšķiras pēc polarizētās gaismas plaknes griešanās virziena. Olbaltumvielās ir tikai L-aminoskābes (izņēmums ir glicīns; to var attēlot tikai vienā formā, jo divas no četrām tā grupām ir vienādas), un tām visām ir optiskā aktivitāte (jo ir tikai viens izomērs). D-aminoskābes dabā ir reti sastopamas; tie ir atrodami dažās antibiotikās un baktēriju šūnu sieniņās.

Aminoskābju secība.

Aminoskābes polipeptīdu ķēdē nav izkārtotas nejauši, bet noteiktā fiksētā secībā, un tieši šī secība nosaka proteīna funkcijas un īpašības. Mainot 20 veidu aminoskābju secību, jūs varat iegūt milzīgu skaitu dažādu olbaltumvielu, tāpat kā jūs varat izveidot daudz dažādu tekstu no alfabēta burtiem.

Agrāk proteīna aminoskābju secības noteikšana bieži prasīja vairākus gadus. Tiešā noteikšana joprojām ir diezgan darbietilpīgs uzdevums, lai gan ir radītas ierīces, kas ļauj to veikt automātiski. Parasti ir vieglāk noteikt atbilstošā gēna nukleotīdu secību un no tās iegūt proteīna aminoskābju secību. Līdz šim jau ir noteiktas daudzu simtu olbaltumvielu aminoskābju secības. Dekodēto proteīnu funkcijas parasti ir zināmas, un tas palīdz iztēloties līdzīgu proteīnu iespējamās funkcijas, kas veidojas, piemēram, ļaundabīgos audzējos.

Kompleksie proteīni.

Olbaltumvielas, kas sastāv tikai no aminoskābēm, sauc par vienkāršiem. Tomēr bieži vien pie polipeptīdu ķēdes tiek pievienots metāla atoms vai kāds ķīmisks savienojums, kas nav aminoskābe. Šādus proteīnus sauc par kompleksiem. Piemērs ir hemoglobīns: tas satur dzelzs porfirīnu, kas piešķir tam sarkano krāsu un ļauj tam darboties kā skābekļa nesējam.

Sarežģītāko olbaltumvielu nosaukumos ir norāde par pievienoto grupu būtību: cukuri ir glikoproteīnos, tauki – lipoproteīnos. Ja fermenta katalītiskā aktivitāte ir atkarīga no pievienotās grupas, tad to sauc par protezēšanas grupu. Bieži vien daži vitamīni spēlē protezēšanas grupas lomu vai ir daļa no tās. Piemēram, A vitamīns, kas pievienots vienai no tīklenes olbaltumvielām, nosaka tās jutīgumu pret gaismu.

Terciārā struktūra.

Svarīga ir ne tik daudz proteīna aminoskābju secība (primārā struktūra), bet gan veids, kā tā atrodas telpā. Visā polipeptīda ķēdes garumā ūdeņraža joni veido regulāras ūdeņraža saites, kas tai piešķir spirāles vai slāņa formu (sekundārā struktūra). No šādu spirāļu un slāņu kombinācijas rodas nākamās kārtas kompakta forma - proteīna terciārā struktūra. Ap saitēm, kas satur ķēdes monomērus, ir iespējamas rotācijas mazos leņķos. Tāpēc no tīri ģeometriskā viedokļa jebkuras polipeptīdu ķēdes iespējamo konfigurāciju skaits ir bezgalīgi liels. Patiesībā katrs proteīns parasti pastāv tikai vienā konfigurācijā, ko nosaka tā aminoskābju secība. Šī struktūra nav stingra, šķiet, ka tā "elpo" - tā svārstās ap noteiktu vidējo konfigurāciju. Ķēde ir salocīta konfigurācijā, kurā brīvā enerģija (spēja veikt darbu) ir minimāla, tāpat kā atbrīvota atspere tiek saspiesta tikai līdz stāvoklim, kas atbilst brīvās enerģijas minimumam. Bieži vien viena ķēdes daļa ir cieši saistīta ar otru ar disulfīda (–S–S–) saitēm starp diviem cisteīna atlikumiem. Daļēji tāpēc cisteīnam starp aminoskābēm ir īpaši svarīga loma.

Olbaltumvielu struktūras sarežģītība ir tik liela, ka vēl nav iespējams aprēķināt proteīna terciāro struktūru, pat ja ir zināma tā aminoskābju secība. Bet, ja ir iespējams iegūt proteīna kristālus, tad to terciāro struktūru var noteikt ar rentgenstaru difrakciju.

Strukturālajos, saraušanās un dažos citos proteīnos ķēdes ir izstieptas un vairākas nedaudz salocītas ķēdes, kas atrodas blakus, veido fibrilus; fibrillas savukārt salocās lielākos veidojumos – šķiedrās. Tomēr lielākā daļa olbaltumvielu šķīdumā ir lodveida: ķēdes ir satītas lodiņā, tāpat kā dzija lodītē. Brīvā enerģija ar šo konfigurāciju ir minimāla, jo hidrofobās ("ūdeni atgrūdošās") aminoskābes ir paslēptas lodītes iekšpusē, un hidrofilās ("ūdeni piesaistošās") aminoskābes atrodas uz tās virsmas.

Daudzi proteīni ir vairāku polipeptīdu ķēžu kompleksi. Šo struktūru sauc par proteīna kvartāro struktūru. Piemēram, hemoglobīna molekula sastāv no četrām apakšvienībām, no kurām katra ir lodveida proteīns.

Strukturālie proteīni to lineārās konfigurācijas dēļ veido šķiedras, kurās stiepes izturība ir ļoti augsta, savukārt globulārā konfigurācija ļauj olbaltumvielām nonākt specifiskā mijiedarbībā ar citiem savienojumiem. Uz globulas virsmas, pareizi uzliekot ķēdes, parādās noteiktas formas dobumi, kuros atrodas reaktīvās ķīmiskās grupas. Ja šis proteīns ir enzīms, tad šādā dobumā nonāk cita, parasti mazāka, kādas vielas molekula, tāpat kā atslēga iekļūst slēdzenē; šajā gadījumā molekulas elektronu mākoņa konfigurācija mainās ķīmisko grupu ietekmē, kas atrodas dobumā, un tas liek tam reaģēt noteiktā veidā. Tādā veidā ferments katalizē reakciju. Antivielu molekulās ir arī dobumi, kuros saistās dažādas svešas vielas un tādējādi tiek padarītas nekaitīgas. "Atslēgas un slēdzenes" modelis, kas izskaidro proteīnu mijiedarbību ar citiem savienojumiem, ļauj izprast fermentu un antivielu specifiku, t.i. to spēja reaģēt tikai ar noteiktiem savienojumiem.

Olbaltumvielas dažāda veida organismos.

Olbaltumvielas, kas pilda to pašu funkciju dažādi veidi augiem un dzīvniekiem, un tāpēc tiem ir vienāds nosaukums, ir līdzīga konfigurācija. Tomēr tie nedaudz atšķiras pēc to aminoskābju secības. Tā kā sugas atšķiras no kopējā priekšteča, dažas aminoskābes noteiktās pozīcijās tiek aizstātas ar mutācijām ar citām. Kaitīgās mutācijas, kas izraisa iedzimtas slimības, dabiskā atlase atmet, bet labvēlīgās vai vismaz neitrālas var saglabāt. Jo tuvāk divas bioloģiskās sugas atrodas viena otrai, jo mazākas atšķirības tiek konstatētas to proteīnos.

Daži proteīni mainās salīdzinoši ātri, citi ir diezgan konservatīvi. Pēdējie ietver, piemēram, citohromu c, elpošanas enzīmu, kas atrodams lielākajā daļā dzīvo organismu. Cilvēkiem un šimpanzēm tā aminoskābju secības ir identiskas, savukārt kviešu citohromā c tikai 38% aminoskābju izrādījās atšķirīgas. Pat salīdzinot cilvēkus un baktērijas, joprojām ir redzama citohromu līdzība ar (šeit atšķirības skar 65% aminoskābju), lai gan baktēriju un cilvēku kopīgais priekštecis uz Zemes dzīvoja apmēram pirms diviem miljardiem gadu. Mūsdienās aminoskābju secību salīdzināšanu bieži izmanto, lai izveidotu filoģenētisku (ģenealoģisku) koku, kas atspoguļo dažādu organismu evolūcijas attiecības.

Denaturācija.

Sintezētā proteīna molekula, salocīšana, iegūst savu konfigurāciju. Tomēr šo konfigurāciju var iznīcināt, karsējot, mainot pH, iedarbojoties ar organiskiem šķīdinātājiem un pat vienkārši maisot šķīdumu, līdz uz tā virsmas parādās burbuļi. Šādā veidā pārveidotu proteīnu sauc par denaturētu; tas zaudē savu bioloģisko aktivitāti un parasti kļūst nešķīstošs. Labi zināmi denaturētu proteīnu piemēri - vārītas olas vai putukrējumu. Mazie proteīni, kas satur tikai ap simts aminoskābēm, spēj renaturēties, t.i. atgūt sākotnējo konfigurāciju. Bet lielākā daļa proteīnu tiek vienkārši pārveidoti samezglotu polipeptīdu ķēžu masā un neatjauno savu iepriekšējo konfigurāciju.

Viena no galvenajām grūtībām aktīvo proteīnu izolēšanā ir to ārkārtējā jutība pret denaturāciju. Šī olbaltumvielu īpašība ir noderīga pārtikas konservēšanā: karstums neatgriezeniski denaturē mikroorganismu enzīmus, un mikroorganismi iet bojā.

PROTEĪNU SINTĒZE

Olbaltumvielu sintēzei dzīvam organismam ir jābūt fermentu sistēmai, kas spēj savienot vienu aminoskābi ar otru. Nepieciešams arī informācijas avots, kas noteiktu, kuras aminoskābes ir jāsavieno. Tā kā organismā ir tūkstošiem proteīnu veidu un katrs no tiem vidēji sastāv no vairākiem simtiem aminoskābju, nepieciešamajai informācijai jābūt patiesi milzīgai. Tas tiek glabāts (līdzīgi kā ieraksts tiek glabāts magnētiskajā lentē) nukleīnskābju molekulās, kas veido gēnus.

Enzīmu aktivizēšana.

No aminoskābēm sintezēta polipeptīdu ķēde ne vienmēr ir proteīns galīgajā formā. Daudzi fermenti vispirms tiek sintezēti kā neaktīvi prekursori un kļūst aktīvi tikai pēc tam, kad cits enzīms atdala dažas aminoskābes no viena ķēdes gala. Daži gremošanas enzīmi, piemēram, tripsīns, tiek sintezēti šajā neaktīvā formā; šie enzīmi tiek aktivizēti gremošanas traktā ķēdes gala fragmenta noņemšanas rezultātā. Hormona insulīns, kura molekula aktīvajā formā sastāv no divām īsām ķēdēm, tiek sintezēts vienas ķēdes, tā sauktā, veidā. proinsulīns. Pēc tam šīs ķēdes vidusdaļa tiek noņemta, un atlikušie fragmenti saistās viens ar otru, veidojot aktīvo hormona molekulu. Kompleksie proteīni veidojas tikai pēc tam, kad olbaltumvielai ir pievienota noteikta ķīmiskā grupa, un šai piesaistei bieži vien ir nepieciešams arī ferments.

Metaboliskā cirkulācija.

Pēc dzīvnieka barošanas ar aminoskābēm, kas marķētas ar radioaktīviem oglekļa, slāpekļa vai ūdeņraža izotopiem, etiķete ātri tiek iekļauta tā olbaltumvielās. Ja iezīmētās aminoskābes pārstāj iekļūt organismā, tad marķējuma daudzums olbaltumvielās sāk samazināties. Šie eksperimenti liecina, ka iegūtās olbaltumvielas organismā netiek uzglabātas līdz dzīves beigām. Visi no tiem, ar dažiem izņēmumiem, atrodas dinamiskā stāvoklī, pastāvīgi sadaloties aminoskābēs un pēc tam atkārtoti sintezēti.

Daži proteīni sadalās, kad šūnas mirst un tiek iznīcinātas. Tas notiek visu laiku, piemēram, ar sarkanajām asins šūnām un epitēlija šūnām, kas klāj zarnu iekšējo virsmu. Turklāt olbaltumvielu sadalīšanās un resintēze notiek arī dzīvās šūnās. Savādi, ka par olbaltumvielu sadalīšanos ir zināms mazāk nekā par to sintēzi. Tomēr ir skaidrs, ka šķelšanā ir iesaistīti proteolītiskie enzīmi, līdzīgi tiem, kas gremošanas traktā sadala olbaltumvielas aminoskābēs.

Dažādu olbaltumvielu pussabrukšanas periods ir atšķirīgs - no vairākām stundām līdz vairākiem mēnešiem. Vienīgais izņēmums ir kolagēna molekulas. Kad tie ir izveidoti, tie paliek stabili un netiek atjaunoti vai aizstāti. Tomēr laika gaitā dažas to īpašības, jo īpaši elastība, mainās, un, tā kā tās neatjaunojas, no tā izriet noteiktas ar vecumu saistītas izmaiņas, piemēram, grumbu parādīšanās uz ādas.

sintētiskie proteīni.

Ķīmiķi jau sen ir iemācījušies polimerizēt aminoskābes, taču aminoskābes apvienojas nejauši, tāpēc šādas polimerizācijas produkti maz līdzinās dabiskajiem. Tiesa, aminoskābes ir iespējams apvienot noteiktā secībā, kas ļauj iegūt dažus bioloģiski aktīvus proteīnus, jo īpaši insulīnu. Process ir diezgan sarežģīts, un tādā veidā iespējams iegūt tikai tās olbaltumvielas, kuru molekulās ir ap simts aminoskābēm. Tā vietā ir vēlams sintezēt vai izolēt gēna nukleotīdu secību, kas atbilst vēlamajai aminoskābju secībai, un pēc tam ievadīt šo gēnu baktērijās, kas replikācijas ceļā radīs lielu daudzumu vēlamā produkta. Tomēr šai metodei ir arī savi trūkumi.

PROTEĪNI UN UZTURS

Kad olbaltumvielas organismā tiek sadalītas aminoskābēs, šīs aminoskābes var atkārtoti izmantot olbaltumvielu sintēzei. Tajā pašā laikā pašas aminoskābes ir pakļautas sabrukšanai, tāpēc tās netiek pilnībā izmantotas. Ir arī skaidrs, ka augšanas, grūtniecības un brūču dzīšanas laikā olbaltumvielu sintēzei jāpārsniedz sadalīšanās. Ķermenis nepārtraukti zaudē dažus proteīnus; tie ir matu, nagu un ādas virsmas slāņa proteīni. Tāpēc proteīnu sintēzei katram organismam aminoskābes jāsaņem no pārtikas.

Aminoskābju avoti.

Zaļie augi sintezē visas 20 olbaltumvielās atrodamās aminoskābes no CO2, ūdens un amonjaka vai nitrātiem. Daudzas baktērijas spēj arī sintezēt aminoskābes cukura (vai līdzvērtīga) un fiksēta slāpekļa klātbūtnē, bet cukuru galu galā piegādā zaļie augi. Dzīvniekiem spēja sintezēt aminoskābes ir ierobežota; aminoskābes viņi iegūst, ēdot zaļus augus vai citus dzīvniekus. Gremošanas traktā uzsūktās olbaltumvielas tiek sadalītas aminoskābēs, pēdējās uzsūcas un no tām tiek uzbūvētas konkrētajam organismam raksturīgās olbaltumvielas. Neviens no absorbētajiem proteīniem nav iekļauts ķermeņa struktūrās kā tāds. Vienīgais izņēmums ir tas, ka daudziem zīdītājiem daļa mātes antivielu var neskartas caur placentu nonākt augļa cirkulācijā un caur mātes pienu (īpaši atgremotājiem) tikt pārnestas uz jaundzimušo tūlīt pēc piedzimšanas.

Nepieciešamība pēc olbaltumvielām.

Skaidrs, ka dzīvības uzturēšanai organismam ar pārtiku jāsaņem noteikts daudzums olbaltumvielu. Tomēr šīs vajadzības lielums ir atkarīgs no vairākiem faktoriem. Organismam pārtika ir nepieciešama gan kā enerģijas (kaloriju) avots, gan kā materiāls savu struktūru veidošanai. Pirmajā vietā ir vajadzība pēc enerģijas. Tas nozīmē, ka tad, kad uzturā ir maz ogļhidrātu un tauku, uztura olbaltumvielas tiek izmantotas nevis pašu olbaltumvielu sintēzei, bet gan kā kaloriju avots. Ilgstoši badojoties, pat jūsu olbaltumvielas tiek iztērētas, lai apmierinātu enerģijas vajadzības. Ja uzturā ir pietiekami daudz ogļhidrātu, tad olbaltumvielu uzņemšanu var samazināt.

slāpekļa līdzsvars.

Vidēji apm. 16% no kopējās olbaltumvielu masas ir slāpeklis. Kad aminoskābes, kas veido olbaltumvielas, tiek sadalītas, tajās esošais slāpeklis tiek izvadīts no organisma ar urīnu un (mazākā mērā) ar izkārnījumiem dažādu slāpekļa savienojumu veidā. Tāpēc tas ir ērti, lai novērtētu kvalitāti olbaltumvielu uzturs izmantot tādu indikatoru kā slāpekļa bilanci, t.i. starpība (gramos) starp organismā uzņemtā slāpekļa daudzumu un dienā izvadītā slāpekļa daudzumu. Ar normālu uzturu pieaugušam cilvēkam šīs summas ir vienādas. Augošā organismā izvadītā slāpekļa daudzums ir mazāks nekā ienākošā, t.i. bilance ir pozitīva. Ar olbaltumvielu trūkumu uzturā līdzsvars ir negatīvs. Ja uzturā ir pietiekami daudz kaloriju, bet olbaltumvielas tajā pilnībā nav, organisms ietaupa olbaltumvielas. Tajā pašā laikā olbaltumvielu metabolisms palēninās, un aminoskābju atkārtota izmantošana proteīnu sintēzē notiek pēc iespējas efektīvāk. Tomēr zaudējumi ir neizbēgami, un slāpekļa savienojumi joprojām tiek izvadīti ar urīnu un daļēji ar izkārnījumiem. Slāpekļa daudzums, kas dienā izdalās no organisma olbaltumvielu bada laikā, var kalpot kā ikdienas olbaltumvielu trūkuma mērs. Ir dabiski pieņemt, ka, ieviešot uzturā šim trūkumam līdzvērtīgu olbaltumvielu daudzumu, ir iespējams atjaunot slāpekļa līdzsvaru. Tomēr tā nav. Saņemot šādu olbaltumvielu daudzumu, organisms sāk mazāk efektīvi izmantot aminoskābes, tāpēc slāpekļa līdzsvara atjaunošanai ir nepieciešams papildu proteīns.

Ja olbaltumvielu daudzums uzturā pārsniedz to, kas nepieciešams, lai uzturētu slāpekļa līdzsvaru, šķiet, ka no tā nav nekāda kaitējuma. Pārmērīgas aminoskābes tiek vienkārši izmantotas kā enerģijas avots. Īpaši spilgts piemērs ir eskimosi, kuri patērē maz ogļhidrātu un apmēram desmit reizes vairāk olbaltumvielu, nekā nepieciešams slāpekļa līdzsvara uzturēšanai. Tomēr vairumā gadījumu proteīna kā enerģijas avota izmantošana nav izdevīga, jo no noteikta ogļhidrātu daudzuma jūs varat iegūt daudz vairāk kaloriju nekā ar tādu pašu olbaltumvielu daudzumu. Nabadzīgajās valstīs iedzīvotāji nepieciešamās kalorijas saņem no ogļhidrātiem un patērē minimālu olbaltumvielu daudzumu.

Ja organisms nepieciešamo kaloriju skaitu saņem neolbaltumvielu produktu veidā, tad minimālais proteīna daudzums, kas uztur slāpekļa līdzsvaru, ir apm. 30 g dienā. Aptuveni tik daudz olbaltumvielu satur četras maizes šķēles vai 0,5 litri piena. Vairāki parasti tiek uzskatīti par optimāliem. liels daudzums; ieteicams no 50 līdz 70 g.

Neaizstājamās aminoskābes.

Līdz šim olbaltumvielas tika uzskatītas par veselumu. Tikmēr, lai proteīnu sintēze notiktu, organismā ir jābūt visām nepieciešamajām aminoskābēm. Dažas no aminoskābēm dzīvnieka ķermenis spēj sintezēt pats. Tos sauc par savstarpēji aizstājamiem, jo ​​tiem nav jābūt uzturā - ir svarīgi tikai, lai kopumā proteīnu kā slāpekļa avota uzņemšana būtu pietiekama; tad ar neaizvietojamo aminoskābju deficītu organisms var tās sintezēt uz to rēķina, kuras ir pārpalikumā. Atlikušās "neaizstājamās" aminoskābes nevar sintezēt, un tās ir jāuzņem ar pārtiku. Cilvēkiem būtiski ir valīns, leicīns, izoleicīns, treonīns, metionīns, fenilalanīns, triptofāns, histidīns, lizīns un arginīns. (Lai gan arginīns var sintezēties organismā, tas tiek uzskatīts par neaizvietojamu aminoskābi, jo jaundzimušie un augošie bērni to ražo nepietiekamā daudzumā. Savukārt cilvēkam nobriedušā vecumā dažu šo aminoskābju uzņemšana ar pārtiku var kļūt neobligāts.)

Šis neaizvietojamo aminoskābju saraksts ir aptuveni vienāds citiem mugurkaulniekiem un pat kukaiņiem. Olbaltumvielu uzturvērtību parasti nosaka, izbarojot tos augošām žurkām un sekojot līdzi dzīvnieku svara pieaugumam.

Olbaltumvielu uzturvērtība.

Olbaltumvielu uzturvērtību nosaka neaizstājamā aminoskābe, kuras trūkums ir visvairāk. Ilustrēsim to ar piemēru. Mūsu ķermeņa olbaltumvielas satur vidēji apm. 2% triptofāna (pēc svara). Pieņemsim, ka uzturā ir 10 g proteīna, kas satur 1% triptofāna, un tajā ir pietiekami daudz citu neaizvietojamo aminoskābju. Mūsu gadījumā 10 g šī defektīvā proteīna būtībā ir līdzvērtīgi 5 g pilnīgas proteīna; atlikušie 5 g var kalpot tikai kā enerģijas avots. Ņemiet vērā, ka, tā kā aminoskābes organismā praktiski netiek uzkrātas un, lai notiktu proteīnu sintēze, visām aminoskābēm jābūt klāt vienlaicīgi, neaizvietojamo aminoskābju uzņemšanas ietekmi var noteikt tikai tad, ja visas tās nonāk organismā. ķermenis tajā pašā laikā.

Lielākajai daļai dzīvnieku olbaltumvielu vidējais sastāvs ir tuvs cilvēka ķermeņa olbaltumvielu vidējam sastāvam, tāpēc maz ticams, ka mēs saskarsimies ar aminoskābju deficītu, ja mūsu uzturs ir bagāts ar tādiem pārtikas produktiem kā gaļa, olas, piens un siers. Tomēr ir olbaltumvielas, piemēram, želatīns (kolagēna denaturācijas produkts), kas satur ļoti maz neaizvietojamo aminoskābju. Augu olbaltumvielas, lai gan šajā ziņā ir labākas par želatīnu, ir arī nabadzīgas ar neaizvietojamām aminoskābēm; īpaši maz tajos lizīna un triptofāna. Tomēr tīri veģetārs uzturs nebūt nav kaitīgs, ja vien tajā netiek patērēts nedaudz lielāks augu olbaltumvielu daudzums, kas ir pietiekams, lai nodrošinātu organismu ar neaizvietojamām aminoskābēm. Lielākā daļa olbaltumvielu ir atrodamas augos sēklās, īpaši kviešu un dažādu pākšaugu sēklās. Arī jaunie dzinumi, piemēram, sparģeļi, ir bagāti ar olbaltumvielām.

Sintētiskie proteīni uzturā.

Nepilnvērtīgiem proteīniem, piemēram, kukurūzas olbaltumvielām, pievienojot nelielu daudzumu sintētiskās neaizvietojamās aminoskābes vai ar tām bagātas olbaltumvielas, ir iespējams būtiski palielināt pēdējo uzturvērtību, t.i. tādējādi palielinot patērēto olbaltumvielu daudzumu. Vēl viena iespēja ir audzēt baktērijas vai raugus uz naftas ogļūdeņražiem, pievienojot nitrātus vai amonjaku kā slāpekļa avotu. Tādā veidā iegūtās mikrobu olbaltumvielas var kalpot kā barība mājputniem vai mājlopiem, vai arī to var lietot tieši cilvēki. Trešā, plaši izmantotā metode izmanto atgremotāju fizioloģiju. Atgremotājiem kuņģa sākotnējā posmā t.s. Spureklī mīt īpašas baktēriju un vienšūņu formas, kas defektīvās augu olbaltumvielas pārvērš pilnīgākos mikrobu proteīnos, kas savukārt pēc sagremošanas un uzsūkšanās pārvēršas dzīvnieku olbaltumvielās. Dzīvnieku barībai var pievienot urīnvielu, lētu sintētisko slāpekli saturošu savienojumu. Spureklī dzīvojošie mikroorganismi izmanto urīnvielas slāpekli, lai ogļhidrātus (kuru barībā ir daudz vairāk) pārvērstu olbaltumvielās. Apmēram trešdaļa no visa lopbarībā esošā slāpekļa var būt urīnvielas veidā, kas pēc būtības zināmā mērā nozīmē ķīmisko olbaltumvielu sintēzi.