Взгляд на химию
Белки могут быть поставлены на первое место в «биологическом мире», поскольку, учитывая их многочисленные функции, без них не было бы жизни.
Элементный анализ белков дает следующие средние значения: 55% углерода, 7% водорода и 16% азота; Понятно, что белки отличаются друг от друга, но их средний элементный состав мало отличается от значений, указанных выше.
По своей структуре белки представляют собой макромолекулы, образованные из природных α-аминокислот; Аминокислоты объединяются через амидную связь, которая устанавливается реакцией между аминогруппой α-аминокислоты и карбоксилом другой α-аминокислоты. Эта связь (-CO-NH-) также называется пептидной связью, поскольку она связывает пептиды (аминокислоты в комбинации):
полученный является дипептидом, потому что он образован двумя аминокислотами. Поскольку дипептид содержит свободную аминогруппу на одном конце (NH2) и карбоксил на другом (COOH), он может реагировать с одной или несколькими аминокислотами и растягивать цепь как справа, так и слева, с такой же реакцией, как показано выше.
Последовательность реакций (которые, во всяком случае, на самом деле не так просты) может продолжаться бесконечно: до тех пор, пока не появится полимер, называемый полипептидом или белком . Различие между пептидами и белками связано с молекулярной массой: обычно для молекулярной массы, превышающей 10000, это называется белком.
Связывание аминокислот для получения даже небольших белков является сложной операцией, хотя недавно был разработан автоматический способ получения белков из аминокислот, который дает превосходные результаты.
Поэтому самый простой белок состоит из 2 аминокислот: согласно международному соглашению упорядоченная нумерация аминокислот в структуре белка начинается с аминокислоты со свободной α-аминогруппой.
Белковая структура
Молекулы белка имеют такую форму, что мы можем видеть до четырех различных организаций: они обычно различаются: первичная структура, вторичная, третичная и четвертичная.
Первичные и вторичные структуры важны для белков, тогда как третичные и четвертичные структуры являются «вспомогательными» (в том смысле, что не все белки могут быть ими оснащены).
Первичная структура определяется количеством, типом и последовательностью аминокислот в белковой цепи; поэтому необходимо определить упорядоченную последовательность аминокислот, составляющих белок (знать это означает знать точную последовательность оснований ДНК, которые кодифицируют этот белок), который сталкивается с незначительными химическими трудностями.
Можно было определить упорядоченную последовательность аминокислот посредством деградации Эдмана: белок реагирует с фенилизотиоцианатом (FITC); первоначально дублет α-аминоазота атакует фенилизотиоцианат, образующий производное тиокарбамила; впоследствии полученный продукт циклизуется с образованием производного фенилтиоидантоина, которое является флуоресцентным.
Эдман разработал машину под названием секвенсор, которая автоматически регулирует параметры (время, реагенты, pH и т. Д.) Для разложения и обеспечивает первичную структуру белков (за это он получил Нобелевскую премию).
Первичной структуры недостаточно, чтобы полностью интерпретировать свойства белковых молекул; Считается, что эти свойства существенно зависят от пространственной конфигурации, которую имеют тенденцию принимать молекулы белков, изгибаясь по-разному, то есть предполагая то, что было определено как вторичная структура белков. Вторичная структура белков является тремолабильной, то есть она имеет тенденцию к удалению из-за нагревания; затем белки денатурируются, теряя многие свои характерные свойства. В дополнение к нагреву выше 70 ° C денатурация также может быть вызвана облучением или действием реагентов (например, сильных кислот).
Денатурация белков тепловым эффектом наблюдается, например, при нагревании яичного белка: он теряет желатиновый вид и превращается в нерастворимое белое вещество. Однако денатурация белков приводит к разрушению их вторичной структуры, но оставляет первичную структуру (соединение различных аминокислот) без изменений.
Белки приобретают третичную структуру, когда их цепочка, хотя и остается гибкой, несмотря на складывание вторичной структуры, складывается, образуя скрученное трехмерное расположение в форме твердого тела. Дисульфидные связи, которые могут быть установлены между цистеином -SH, рассеянным вдоль молекулы, в основном ответственны за третичную структуру.
С другой стороны, четвертичная структура конкурирует только за белки, образованные двумя или более субъединицами. Например, гемоглобин состоит из двух пар белков (то есть во всех четырех белковых цепях), расположенных в вершинах тетраэдра таким образом, что образует структуру сферической формы; четыре белковые цепи удерживаются вместе ионными силами, а не ковалентными связями.
Другим примером четвертичной структуры является структура инсулина, которая, по-видимому, состоит из шести белковых субъединиц, расположенных попарно в вершинах треугольника, в центре которого расположены два атома цинка.
ФИБРОЗЫ БЕЛКОВ: это белки с определенной жесткостью и имеющие ось, намного длиннее другой; самый распространенный волокнистый белок в природе - это коллаген (или коллаген).
Фиброзный белок может принимать несколько вторичных структур: α-спираль, β-листочек и, в случае коллагена, тройную спираль; α-спираль является наиболее стабильной структурой, за которой следует β-листовка, а наименее стабильной из трех является тройная спираль.
α-спираль
Пропеллер считается правосторонним, если после основного каркаса (ориентированного снизу вверх) выполняется движение, подобное завинчиванию правого винта; в то время как винт левой руки, если движение аналогично завинчиванию левого винта. В правой α-спирали заместители -R аминокислот расположены перпендикулярно главной оси белка и направлены наружу, тогда как в левой части α-спирали заместители -R направлены внутрь. Правые a-спирали более стабильны, чем левые, потому что между чанами -R меньше взаимодействия и меньше стерических помех. Все α-спирали, обнаруженные в белках, являются декстрогенными.
Структура α-спирали стабилизируется водородными связями (водородными мостиками), которые образуются между карбоксильной группой (-C = O) каждой аминокислоты и аминогруппой (-NH), которая на четыре остатка позже в линейная последовательность.
Примером белка, имеющего структуру α-спирали, является кератин волос.
β-лист
В структуре β-листков водородные связи могут образовываться между аминокислотами, принадлежащими к разным, но параллельным полипептидным цепям, или между аминокислотами одного и того же белка, даже численно удаленными друг от друга, но протекающими в антипараллельных направлениях. Однако водородные связи слабее, чем те, которые стабилизируют форму α-спирали.
Примером структуры β-листка является фибрин шелка (он также обнаружен в паутине).
Расширяя структуру α-спирали, осуществляется переход от α-спирали к β-листовке; также тепло или механическое напряжение позволяют перейти от структуры α-спирали к структуре β-листа.
Обычно в белке структуры β-листков близки друг к другу, потому что могут быть установлены водородные связи между частями белка.
В волокнистых белках большая часть структуры белка организована в виде α-спирали или β-листочка.
ГЛОБУЛЯРНЫЕ БЕЛКИ: они имеют почти сферическую пространственную структуру (из-за многочисленных изменений направления полипептидной цепи); некоторые части бытия можно проследить до структуры α-спирали или β-листочка, а другие части, вместо этого, не относятся к этим формам: расположение не случайное, а организованное и повторяющееся.
Указанные выше белки представляют собой вещества полностью гомогенного строения: чистые последовательности комбинированных аминокислот; эти белки называются простыми ; Есть белки, состоящие из белковой части и небелковой части (группа простаты), называемые конъюгированными белками.
коллаген
Это самый распространенный белок в природе: он присутствует в костях, ногтях, роговице и хрусталике глаза, между интерстициальными пространствами некоторых органов (например, печени) и т. Д.
Его структура дает ему определенные механические возможности; он имеет большое механическое сопротивление, связанное с высокой эластичностью (например, в сухожилиях) или высокой жесткостью (например, в костях) в зависимости от выполняемой функции.
Одним из наиболее любопытных свойств коллагена является его простота: он на 30% состоит из пролина и на 30% - глицина ; остальные 18 аминокислот должны быть разделены только на оставшиеся 40% структуры белка. Аминокислотная последовательность коллагена удивительно регулярна: каждый третий остаток, третий - глицин.
Пролин - это циклическая аминокислота, в которой группа R связывается с азотом -амино, и это придает ей определенную жесткость.
Конечная структура представляет собой повторяющуюся цепь, имеющую форму спирали; внутри коллагеновой цепи водородные связи отсутствуют. Коллаген - левая спираль с шагом (длина, соответствующая обороту спирали) больше, чем α-спираль; спираль коллагена настолько рыхлая, что между ними могут обернуться три белковые цепи, образуя единую веревку: структуру тройной спирали.
Тройная спираль коллагена, однако, менее стабильна, чем структура α-спирали и структура β-листочка.
Давайте теперь посмотрим механизм, с помощью которого вырабатывается коллаген ; Рассмотрим, например, разрыв кровеносного сосуда: этот разрыв сопровождается множеством сигналов, чтобы закрыть сосуд, образуя сгусток. Коагуляция требует как минимум тридцати специализированных ферментов. После сгустка необходимо продолжить восстановление ткани; клетки, близкие к ране, также продуцируют коллаген. Для этого сначала индуцируется экспрессия гена, то есть организмы, которые исходят из информации о гене, способны продуцировать белок (генетическая информация транскрибируется на мРНК, которая исходит от ядро и достигает рибосом в цитоплазме, где генетическая информация переводится в белок). Затем коллаген синтезируется в рибосомах (он выглядит как левая спираль, состоящая из около 1200 аминокислот и имеющая молекулярную массу около 150000 дней), а затем накапливается в просветах, где он становится субстратом для ферментов, способных производить пост-модификации -традиционный (языковые модификации переводятся мРНК); в коллагене эти модификации состоят из окисления некоторых боковых цепей, особенно пролина и лизина.
Недостаток ферментов, которые приводят к этим модификациям, вызывает цингу: это заболевание, которое вызывает, вначале, разрыв кровеносных сосудов, разрыв зубов, который может сопровождаться межкишечным кровотечением и смертью; это может быть вызвано продолжительным использованием долгоживущих продуктов.
Впоследствии, под действием других ферментов, происходят другие модификации, которые состоят в гликозидировании гидроксильных групп пролина и лизина (сахар связан с кислородом посредством ОН); Эти ферменты находятся в областях, отличных от просвета, поэтому, когда белок подвергается модификации, он мигрирует внутри эндоплазматического ретикулума, чтобы в конечном итоге в мешочках (везикулах), которые закрываются на себя и отсоединяются от решетки: внутри они содержатся гликозидированный проколлагеновый мономер; последний достигает аппарата Гольджи, где определенные ферменты распознают цистеин, присутствующий в карбокси-части гликозидированного проколлагена, и заставляют разные цепи сближаться и образовывать дисульфидные мостики: три цепи про гликозидированный коллаген связан вместе, и это является отправной точкой, из которой три цепи, взаимопроникающие, а затем самопроизвольно образуют тройную спираль. Три соединенные друг с другом глицидокислотные проколлагеновые цепи достигают, а затем везикулы, которая, удушаясь, отрывается от аппарата Гольджи, транспортируя эти три цепи к периферии клетки, где через слияние с плазматической мембраной Триметро изгоняется из клетки.
Во внеклеточном пространстве имеются особые ферменты, проколлагеновые пептидазы, которые удаляют из видов, изгнанных из клетки, три фрагмента (по одному на каждую спираль) по 300 аминокислот каждый на стороне карбоксиконца и три фрагмента (по одному для каждого спираль) из приблизительно 100 аминокислот каждая, из аминоконцевой части: остается тройная спираль, состоящая из приблизительно 800 аминокислот для спирали, известной как тропоколлаген .
Тропоколлаген имеет вид довольно жесткой палочки; различные тримеры связаны с ковалентными связями, образуя более крупные структуры: микрофибриллы . В микрофибриллах различные тримеры расположены в шахматном порядке; так много микрофибрилл являются пучками тропоколлагена.
В костях, среди коллагеновых волокон, имеются межузельные пространства, в которых осаждаются сульфаты и фосфаты кальция и магния: эти соли также покрывают все волокна; это делает кости жесткими.
В сухожилиях межузельные пространства менее богаты кристаллами, чем кости, в то время как меньшие белки присутствуют по сравнению с тропоколлагеном: это придает эластичность сухожилиям.
Остеопороз является заболеванием, вызванным дефицитом кальция и магния, который делает невозможным фиксирование солей в интерстициальных областях волокон тропоколлагена.
