Лекція Зв’язок між структурою та функціями білкової молекули Повинні існувати певні вимоги до білкових структур, здатних виконувати певні функції. До цих вимог належить, перш за все




Скачати 119.21 Kb.
НазваЛекція Зв’язок між структурою та функціями білкової молекули Повинні існувати певні вимоги до білкових структур, здатних виконувати певні функції. До цих вимог належить, перш за все
Дата конвертації23.06.2013
Розмір119.21 Kb.
ТипЛекція
mir.zavantag.com > Биология > Лекція
Біохімічна адаптація

Лекція 1. Регуляторна роль клітинної води


Просторова структура глобулярних білків та вплив на неї води

Сучасний біохімік повинен знати відповідь на дуже важливе запитання: як формується така надзвичайна селективність білкових молекул, яка дозволяє їм функціонувати одночасно, не заважаючи одна одній? Це можливо тільки за наявності високої специфічності функції, властивої кожному ферменту (скільки функцій, стільки структур, тобто стільки видів білків повинно існувати). Але відомо, що поряд з ферментами, що мають абсолютну специфічність, є велика група неспецифічних білків, у яких одна і та ж структура може виконувати кілька функцій. Завдяки чому? І як бути з фактами, що свідчать про включення в клітинний метаболізм деяких екзогенних сполук, з якими ферменти ніколи не зустрічались раніше? До цих незвичних чужорідних сполук відсутні еволюційно сформовані пристосувальні метаболічні механізми, але існує багато переконливих фактів, які свідчать, що клітини мають змогу трансформувати ксенобіотики різної хімічної природи.

Незважаючи на довготривалі пошуки зв’язків між структурою білків та їх функціями, досі не знайдено достатньо високої кореляції (відповідності) з функціональною активністю як для первинної структури, так і для конформаційних особливостей просторової будови білків. У білкових макромолекулах, наприклад, є ділянки, нечутливі до конформаційних змін, що відбуваються в молекулі. Такі ділянки мають відносно постійну структуру, є міцно зв’язаними в загальному поліпептидному ланцюзі і, скоріше за все, не пов’язані з функціональною активністю макромолекули. Але є й інші ділянки білкової глобули, варіабельні за структурою, які саме і відповідають за конформаційні зміни, функціональну активність та ефективність функціонування білка.

^ Лекція 2. Зв’язок між структурою та функціями білкової молекули
Повинні існувати певні вимоги до білкових структур, здатних виконувати певні функції. До цих вимог належить, перш за все, стійкість глобулярних білків.

Під стійкостю, частіше за все розуміють стабільність або міцність структури. Але біологічні структури не є хімічно стабільними або механічно міцними. Такі структури не можуть бути міцними, по-перше, тому, що вони дуже складні, а по-друге, вони побудовані з амінокислот, які теж є нестабільними. Тому існування будь-яких біологічних сполук підтримується не завдяки їх хімічній стійкості або стабільності, а за рахунок постійного відновлення в біосинтезі.

Другою необхідною вимогою є селективність (вибірковість) взаємодії між білками та агентами їх дії (субстратами, кофакторами, рецепторами тощо). Селективність забезпечується, перш за все, за рахунок існування суворої стеричної відповідності між активним центром білка та сполуки, яка контактує з поверхнею білкової молекули. Тобто необхідна наявність тісного безпосереднього контакту, що обмежує можливості взаємодії за рахунок віддалених впливів та регуляторних втручань. Тому безпосередній стеричний контакт має досить обмежене застосування: наприклад, у процесах розпізнавання, а також в імунологічних реакціях, для яких достатньо розпізнати тільки певні групи чи структури незалежно від складу інших компонентів системи, з якою відбувся контакт.

Набагато жорсткішими повинні бути вимоги до селективності та регуляторної здатності ферментативних систем, активність яких може змінюватись не тільки внаслідок стеричних впливів, а й за рахунок змін стану деяких функціональних груп субстратів. Вважають, що це відбувається внаслідок змін стану води або безпосереднього її впливу на біохімічні реакції.

У зв’язку з цим третьою умовою відповідності між структурою та її функцією є наявність стану рухливої, динамічної рівноваги між стабільним та нестабільним існуванням, тобто коли перехід з одного стану в інший вимагає невеликої зміни вільної енергії. Це відбувається, коли врівноважуються протилежно спрямовані види взаємодій у межах макромолекули (стабілізуючі чи дестабілізуючі). Навіть невеликі зміни у взаємних впливах окремих частин макромолекули будуть призводити до суттєвого зсуву рівноваги, що викличе зміни напрямку реакції.

Вирішальне значення в забезпеченні такого врівноваженого стану має взаємодія білкових макромолекул з водним оточенням. Можливість впливу води на рівновагу сил у макромолекулах обумовлена її різноспрямованою дією на білкову структуру. Це гідрофобні впливи, що стабілізують структуру глобулярних білків, та розпушувальний тип впливу, що дестабілізує структуру за рахунок конкуренції молекул води за водневі зв’язки між СО- та NH-групами поліпептидного ланцюга. Наприклад, перенесення білків в органічні розчинники призводить до підвищення ступеня їх спіралізації, оскільки відновлюються зв’язки між пептидними групами, а водневі зв’язки з молекулами органічного розчинника дуже слабкі. Якщо таку зневоднену макромолекулу знов перенести у водне середовище, то “розпушувальний” ефект виникне тільки тоді, коли насичення білка водою досягне 37%. Це пов’язане з процесами заповнення молекулами води вільних об’ємів глобули та взаємодією води з вільними центрами, після насичення яких виникає конкурентна боротьба молекул води з пептидними групами за водневі зв’язки. При цьому поліпептидні ланцюги “розсуваються”, а згортання глобули стає не таким щільним.

З іншого боку, зміна кількості гідрофобних, гідрофільних та нейтральних груп на поверхні макромолекули теж впливає на стан динамічної рівноваги її структури. Рівновага має динамічний характер, бо завжди існують флуктуації структури білків, які виникають внаслідок енергії теплового збудження (встановлено, що для зміни частоти коливань врівноваженої структури на порядок достатньо 1,5 ккал/моль енергії активації).

Тому для того, щоб зберіглася структура, білкова макромолекула повинна мати певну кількість ділянок з відносно міцними внутрішньоланцюговими зв’язками. Це, частіше за все, ділянки з альфа-спіральною структурою. Жорсткість такої структури забезпечує підтримку нативного стану макромолекули, протидіючи його необоротним порушенням. Жорсткі альфа-спіральні ділянки допускають конформаційні зміни тільки в певних межах: унаслідок теплових флуктуацій або при функціонуванні. Таким чином, теплова денатурація може бути зворотною лише в межах, у яких температура не досягає певної критичної величини. Вихід за критичну температурну межу призводить до руйнації цих жорстких альфа-спіральних центрів, що підтримують нативну конформацію. Тому, враховуючи динамічний характер структури білків та вимоги до її стабільності, можна визначити четверту умову відповідності між структурою та функцією – це гетерогенність структури.

З гетерогенністю структури пов’язані вимоги до мінімальних та максимальних розмірів білків. Відомо, що білком вважається поліпептид, який складається не менше ніж зі 100 амінокислотних залишків. Для поліпептидів є характерними вандерваальсові зв’язки та ефекти щільного укладання у водних розчинах. Для білків можливість щільного укладання знижується, бо наявність великої кількості різних ділянок (гідрофільних та гідрофобних) зменшує частоту збігів між ними, що впливає на кількість тісних зв’язків. Таким чином, чим більшою є гетерогенність структури, тим нестабільнішою стає макромолекула. Тому існують певні обмеження щодо об’єму макромолекул, поза яким нестабільність стає неврівноваженою.

Зрозуміло, що в процесі збільшення об’єму макромолекул відбувається якісний перехід від поліпептидів (які майже завжди виконують лише допоміжні функції стимулювання або інгібування біохімічних реакцій) до нового рівня – білків. У білках завдяки рівновазі сил у водному середовищі складаються умови для вибірковості (селективності) біологічних процесів та безпосереднього керування ними. Одночасно, за рахунок жорстко зв’язаних ділянок білкова глобула підтримує певну стійкість до відносно невеликих впливів та забезпечує можливість повернутись до первинного конформаційного стану після виконання функції або під впливом подразнюючих факторів.

Зміна кількості гідрофобних, гідрофільних та нейтральних груп на поверхні макромолекули може відбуватися завдяки здатності бокових радикалів поліпептидного ланцюга до поворотних (до 30о) та обертальних рухів. Ця здатність також обумовлена дією води, що знаходиться як на поверхні молекули, так і у вільних замкнених об’ємах всередині глобули (іммобілізована вода). Ці рухи мають дифузійний характер. Особливо це характерне для макромолекул ферментів, що й обумовлює їх підвищену ефективність та специфічність дії. Тому необхідною умовою високої селективності та ефективності ферментів є можливість змін не тільки в активному центр, а й участь всієї глобули в реакції. Саме участь всієї глобули, яка “відчуває” вплив водного середовища, підвищує чутливість ферментативних реакцій.
^ Лекція 3. Роль води в регуляції біологічних процесів на клітинному рівні
У клітині знаходиться кілька тисяч видів білків, які виконують дуже різні функції. Але в клітині існує дуже велика впорядкованість та злагодженість дії, яка підтримується завдяки кільком пристосуванням: 1) створення організованих груп білків на мембранах (мембранозв’язані білки); 2) розділення клітин еукаріотів на компартменти, тобто виконання ряду спеціалізованих функцій всередині окремих органел; 3) підтримання гомеостазу в межах клітини.

Але це вирішує проблему керування метаболічними процесами лише частково. Наприклад, у цитоплазмі функціонує велика кількість водорозчинних білків, які можуть створювати взаємні перешкоди. Тому найбільш важливим є четвертий адаптаційний “винахід” – еволюційно сформована здатність до іммобілізації білків на клітинних мембранах. Приблизно половина поверхні мембран зайнята периферійними білками, які здатні легко вивільнятись, наприклад, навіть за умови підвищення іонної сили до 0,15 М NaCl.

Іммобілізація значно підвищує стабільність білків та збільшує період їх існування. Але досліди на обернених міцелах свідчать, що при цьому фермент втрачає свою селективність (субстрат алкогольдегідрогенази октанол може замінюватись на бутанол, а для пероксидази в цих умовах відсутнє субстратне інгібування, тобто швидкість реакції може збільшуватись на порядок у порівнянні з водним середовищем).

Вважають, що іммобілізація також знижує чутливість ферментів до впливу зовнішніх факторів. Але деякі дані свідчать, що навпаки, саме мембранозв’язані ферменти є дуже чутливими до екзогенних впливів.

До того ж незрозумілим залишається питання, навіщо клітині така велика кількість води, якщо для функціювання макромолекул необхідна наявність досить невеликої її кількості?

Існують досить аргументовані гіпотези щодо загальнорегуляторної функції води на клітинному рівні. Дана функція полягає в можливості безпосередньо або опосердковано впливати на кожну клітинну структуру. Вважають, що в іммобілізованому стані на мембранах знаходяться лише неактивні білки, яким треба подовжити період життя та ізолюватись від атаки протеолітичних ферментів. Білки, які виконують певну функцію і знаходяться в активному стані, частіше за все, вивільняються з мембрани та переходять у біологічний розчин. Доведено, що кінцева зміна вільної енергії під час такого переходу зі зв’язаного стану у вільний становить лише 3 ккал/моль, але для нього існує відносно великий бар’єр. Величина цього бар’єру може змінюватись під впливом зовнішніх факторів або невеликих внутрішніх змін. Тобто така система (зв’язаний – вільний стан білків) може бути дуже чутливим регулятором клітинних процесів. Можливість малих змін вільної енергії під час переходів існує завдяки підвищенню конформаційної рухливості білків. Наявність достатньо значного бар’єру висуває певні вимоги до мінімальної тривалості впливу, такої, щоб значно знизити рівень випадкових перешкод (так званих “шумів”).

Таким чином, процеси переходу білків із зв’язаного стану у вільний є дуже чутливими, тому необхідно тримати показники гомеостазу клітини, перш за все величину рН, у дуже вузьких межах. Поштовхом до переходу може стати наприклад, поява субстрату, який зв’язується з гідрофобною ділянкою макромолекули ферменту. При цьому виникає менш гідрофобний фермент-субстратний комплекс, у якому внаслідок взаємодії підвищилась розчинність білка у воді. Підвищення спорідненості до води може виникати також внаслідок іонізації макромолекул (кальмодулін після іонізації лише однієї групи здатен перейти у воду та почати зв’язувати кальцій).

Уже давно відомими є факти, що будь-яке метаболічне перетворення супроводжується загальними внутрішньоклітинними змінами. Це, наприклад, змінення в’язкості цитоплазми, ступеня світлорозсіювання та характеру розподілення барвників у межах клітини. Ці ефекти підсилюються під впливом різних небезпечних агентів.

Сучасний стан знань про білкові переходи дозволяє пояснити ці ефекти (так звані “золь-гель” переходи). Процес сорбції – десорбції білків на мембранах є одним з основних механізмів регуляції метаболічних процесів у клітинах. Цей процес перебуває під впливом ФАВ, гормонів, нейролептиків, анестетиків, різноманітних метаболітів, іонів кальцію, надходження субстратів реакції.

Сорбція-десорбція білків може виникати під впливом фізіологічно активних речовин на ліпідну складову мембран, які змінюють взаємодію полярних груп фосфоліпідів з іонами. Такий самий ефект може виникати після впливу на рецепторні білки мембрани, які здатні змінювати стан кількох сусідніх периферійних білків.

Дуже поширеним і важливим механізмом регуляції білкових переходів є взаємодія іонів кальцію з зарядженими групами мембрани та білка. Залежно від характеру зарядів, кальцій може підвищувати ступінь зв’язування ферменту (однакові заряди) або знижувати його (різнойменні заряди). Наприклад, взаємодія кальцію з від’ємними зарядами на поверхні мембран послаблює електростатичні зв’язки переферійних білків з мембраною та сприяє їх переходу у водну фазу. При цьому слід пам’ятати, що кожний такий перехід дуже рідко буває однопричинним. Білки мають різні значення ізоелектричної точки, різний загальний заряд, масу та величину поверхні взаємодії з мембраною. Тому для створення необхідних для переходу умов необхідно кілька факторів (наприклад, впливу інших іонів), які б екранували електростатичні зв’язки між білком та мембраною.

Для ряду ферментів, наприклад, тих, що входять до складу мультиферментних комплексів (ферменти системи гліколізу чи циклу трикарбонових кислот), навпаки, відбувається підвищення активності під час сорбції. Але вони також підлягають загальній регуляції.

Загальна регуляція здатна змінювати метаболізм клітини в цілому. Такі агенти, як іони кальцію, кальмодулін, циклічна АМФ, можуть впливати на загальномембранну здатність до сорбції. Існування такої системи, здатної дуже швидко, майже миттєво залучати до метаболізму велику кількість ферментів, зв’язаних з мембраною, дозволяє різко змінювати рівень клітинного метаболізму. Це відбувається за відрізок часу, недостатній для процесів біосинтезу (рибосома здатна сформувати за 1 с лише 10 пептидних груп, тоді як загальний рівень метаболізму комах може підвищитись у 100 разів за 1 хв). Важливе значення має і зворотний процес – можливість швидко знизити метаболічні витрати (наприклад, перенесення несприятливих умов – анабіоз, тобто збереження життездатності з використанням малої кількості запасів).

Таким чином, підтримка клітинного гомеостазу відбувається за рахунок певного перерозподілу білків між фіксованим та вільним станом. Порушення цього гомеостатичного стану викликають неспецифічну реакцію, яка визначається виходом у цитоплазму великої кількості зв’язаних ферментів. Це відбувається внаслідок дії найрізноманітніших агентів, що пошкоджують: температури, високого гідростатичного тиску, впливу солей або спиртів, порушення цілісності мембран тощо.
Перелік навчальної літератури

  1. Аксенов С.И. Вода и ее роль в регуляции биологических процессов – М.: Наука, 1990. - 117с.

  2. Антонов А.С. Мы похожи, но насколько (новое в молекулярной биологии: геносистематика) – М.: Знание, 1975. – 64 с.

  3. Зайцев Г.Н. Математический анализ биологических данных. – М.: Наука, 1991. – 184 с.

  4. Ленинджер А. Основы биохимии: В 3 т. – М.: Мир, 1985.– Т. 1-3.

  5. Гродзинский Д.М. Надежность и старение биологических систем. – К., Наук.думка, 1987. - 176 с.

  6. Руттен М. Происхождение жизни и эволюционная биохимия. – М.: Наука, 1975. – 404 с.

  7. Северцов А.С. Введение в теорию эволюции. – М.: Изд-во МГУ, 1981. – 318 с.

  8. Федяева В.В. Адаптация растительных и животных организмов – Ростов, Изд-во Ростовского ун-та, 1983. – 136 с.

  9. Хочачка П., Сомеро Г. Биохимическая адаптация. – М.: Мир,1988.– 567 с.

  10. Хочачка П., Сомеро Г. Стратегии биохимической адаптации. – М.: Мир, 1979.

11.Яблоков А.В., Юсуфов А.Г. Эволюционное учение. – М.: Высш. шк., 1989.

– 335 с.
Завдання для індивідуальної роботи

Перелік тем для аналітичного огляду


1.Біохімічна характеристика ліпідів Ambrosia artemisiifolia L.

2.Вплив хлорбензолу на склад поверхневих ліпідів рослин

3.Вплив радіації та іонів важких металів на активність суперосиддисмутази у мозку щурів

4.Вплив токсикантів на кількісні та спектральні характеристики поверхневих ліпідів рослин

5.Визначення біохімічних маркерів окисного стресу та астрогліозу в головному мозку щурів за умов діабетичного стану та його корекції

6.Вивчення еритроцитарної стійкості як діагностичного показника

7.Імунохімічна активність комплексних сполук ренію з різними лігандами

8.Дослідження біохімічних показників сироватки крові щурів за умов гіпер- глікемічного стану та профі-лактично-терапевтичного застосування гідратованих форм фулерену С 60

9.Роль білків проміжних філаментів у розвитку діабетичної енцефалопатії

10.Сезонна динаміка питомої активності оксидоредуктаз у листках S.alba L. в штучних насадженнях

11.Карбонільні компоненти поверхневих ліпідів рослин

12.Вивчення ферментів антиоксидантного захисту при канцерогенезі

13.Низькомолекулярні сполуки крові щурів в умовах впливу комплексів ренію

14.Дослідження гліальних філаментів за умов алкогольної інтоксикації

15.Вплив метіонін-холін дефіцитної дієти на глікозаміноглікан-зв’язуючу активність білків мозку

16.Вплив металоорганічних сполук на активність лактатдегідрогенази

17.Показники крові при гастроентерологічних патологях

18.Вивчення морфологічних показників крові при канцерогенезі

19.Траснаміназна активність білків в умовах екзогенного впливу

Схожі:

Лекція Зв’язок між структурою та функціями білкової молекули Повинні існувати певні вимоги до білкових структур, здатних виконувати певні функції. До цих вимог належить, перш за все icon§ Правове регулювання права спільної власності на квартиру (будинок)...
Квартира може приносити певні доходи, водночас потребуючи необхідних витрат на її утримання, які повинні розподілятися між власниками...
Лекція Зв’язок між структурою та функціями білкової молекули Повинні існувати певні вимоги до білкових структур, здатних виконувати певні функції. До цих вимог належить, перш за все icon1 Сутність, функції та види грошей
Упродовж століть люди зробили чимало експериментів, відхиляючи один за одним можливих претендентів на роль грошей. Це пов'язано з...
Лекція Зв’язок між структурою та функціями білкової молекули Повинні існувати певні вимоги до білкових структур, здатних виконувати певні функції. До цих вимог належить, перш за все iconОзначення функції. Область визначення. Область значень. Графік функції. Способи задання функцій
Співвідношення між тригонометричними функціями одного й того ж самого аргументу. Формули зведення
Лекція Зв’язок між структурою та функціями білкової молекули Повинні існувати певні вимоги до білкових структур, здатних виконувати певні функції. До цих вимог належить, перш за все icon7. Мотивація Поняття І сутність мотивації
Необхідні певні інструменти впливу на елементи системи, щоб вона почала своє функціонування. Одним із таких інструментів є мотивація....
Лекція Зв’язок між структурою та функціями білкової молекули Повинні існувати певні вимоги до білкових структур, здатних виконувати певні функції. До цих вимог належить, перш за все iconЛекція Сприйняття реклами споживачами
У процесі цієї діяльності формуються певні соціальні відносини. Реклама має низку функцій, основною з яких є формування у споживачів...
Лекція Зв’язок між структурою та функціями білкової молекули Повинні існувати певні вимоги до білкових структур, здатних виконувати певні функції. До цих вимог належить, перш за все iconРеферат Наукова картина світу, поняття, структура, функції
Картини світу окремих наук, своєю чергою, містять у собі відповідні численні концепції — певні способи розуміння І трактування будь-яких...
Лекція Зв’язок між структурою та функціями білкової молекули Повинні існувати певні вимоги до білкових структур, здатних виконувати певні функції. До цих вимог належить, перш за все iconОсновні поняття про етикет
Сформовані норми моральності є результатом тривалого за часом процесу становлення взаємин між людьми. Без дотримання цих норм неможливі...
Лекція Зв’язок між структурою та функціями білкової молекули Повинні існувати певні вимоги до білкових структур, здатних виконувати певні функції. До цих вимог належить, перш за все iconРеферат на тему: “Діловий етикет”
Сформовані норми моральності є результатом тривалого за часом процесу становлення взаємин між людьми. Без дотримання цих норм неможливі...
Лекція Зв’язок між структурою та функціями білкової молекули Повинні існувати певні вимоги до білкових структур, здатних виконувати певні функції. До цих вимог належить, перш за все icon1. Поняття та види речей Одне з головних завдань римського цивільного...
Відповідно до цієї функції кожне речове право являє собою деякий безпосередній зв’язок особи з річчю jus in rem: річ належить певній...
Лекція Зв’язок між структурою та функціями білкової молекули Повинні існувати певні вимоги до білкових структур, здатних виконувати певні функції. До цих вимог належить, перш за все iconЛекція 18
Застосовуючи метод опитування, соціолог здобуває достовірне, об'єктивне та унікальне знання про певні суспільні процеси. Мистецтво...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Школьные материалы


База даних захищена авторським правом © 2013
звернутися до адміністрації
mir.zavantag.com
Головна сторінка