Informacija

S2018_Lecture06_Reading - Biologija


Amino rūgštys

Amino rūgštys yra monomerai, sudarantys baltymus. Kiekviena aminorūgštis taip pat turi kitą atomą ar atomų grupę, prijungtą prie alfa anglies, žinomos pakaitomis kaip R grupė, kintama grupė arba šoninė grandinė.

Aminorūgštys turi centrinę asimetrinę anglį, prie kurios yra prijungta amino grupė, karboksilo grupė, vandenilio atomas ir šoninė grandinė (R grupė).

Priskyrimas: Marc T. Facciotti (savo darbas)

Pastaba: galima diskusija

Prisiminkite, kad vienas iš šios klasės mokymosi tikslų yra tai, kad (a) molekulinėje diagramoje galėsite atpažinti aminorūgšties ir jos šoninės grandinės (R grupės) stuburą ir (b), kad galėtumėte nupieškite bendrą amino rūgštį. Įsitikinkite, kad praktikuojate abu. Turėtumėte sugebėti iš atminties atkurti kažką panašaus į aukščiau pateiktą paveikslėlį (geras eskizų knygelės panaudojimas yra pratimas piešti šią struktūrą, kol galėsite tai padaryti naudodami knygos ramentą ar internetą).

Aminorūgščių stuburas

Pavadinimas „aminorūgštis“ kilęs iš to, kad visų aminorūgščių stubure yra ir amino grupė, ir karboksirūgšties grupė. Natūraliuose baltymuose yra 20 įprastų aminorūgščių ir kiekvienoje iš jų yra tas pats stuburas. Pagrindą, ignoruojant vandenilio atomus, sudaro šablonas:

N-C-C

Žvelgiant į aminorūgščių grandinę, visada naudinga pirmiausia susiorientuoti ir rasti šį stuburo modelį, pradedant nuo N galo (pirmosios aminorūgšties amino galo) iki C galo (paskutinės aminorūgšties karboksirūgšties galas) ).

Peptidinių jungčių susidarymas yra dehidratacijos sintezės reakcija. Pirmosios aminorūgšties karboksilo grupė yra susijusi su antrosios gaunamos aminorūgšties amino grupe. Proceso metu išsiskiria vandens molekulė ir susidaro peptidinis ryšys.
Pabandykite rasti stuburą dipeptide, susidariusiame dėl šios reakcijos. Jūsų ieškomas modelis: N-C-C-N-C-C

Priskyrimas: Marc T. Facciotti (savo darbas)

Aminorūgščių seka ir skaičius galiausiai lemia baltymo formą, dydį ir funkciją. Kiekviena amino rūgštis yra prijungta prie kitos amino rūgšties kovalentiniu ryšiu, žinomu kaip peptidinis ryšys, kuris susidaro dehidratacijos sintezės (kondensacijos) reakcijos metu. Vienos aminorūgšties karboksilo grupė ir gaunamos aminorūgšties amino grupė susijungia, išlaisvindama vandens molekulę ir sukurdama peptidinį ryšį.

R aminorūgščių grupė

Amino rūgštis R grupė yra terminas, nurodantis kintamąją grupę kiekvienoje amino rūgštyje. Aminorūgščių pagrindas yra identiškas visoms aminorūgštims, R grupės yra skirtingos visoms amino rūgštims. Kiekvienos amino rūgšties struktūrą rasite paveikslėlyje žemiau.

Baltymuose yra 20 įprastų aminorūgščių, kurių kiekviena turi skirtingą R grupę (variantų grupę), kuri lemia jo cheminę prigimtį. R grupės yra suapvalintos rausvai. Mokesčiai priskiriami darant prielaidą, kad pH yra ~ 6,0. Rodomas visas vardas, trijų raidžių santrumpa ir vienos raidės santrumpa.

Priskyrimas: Marc T. Facciotti (savo darbas)

Pastaba: galima diskusija

Pagalvokime apie 20 skirtingų amino rūgščių svarbą. Jei naudojate biologiją baltymams kurti nuo nulio, kaip tai gali būti naudinga, jei turėtumėte dar 10 skirtingų aminorūgščių? Beje, tai iš tikrųjų vyksta įvairiose tyrimų laboratorijose - kodėl tai galėtų būti naudinga?

Kiekviena kintama aminorūgšties grupė suteikia šioms aminorūgštims būdingas chemines savybes (rūgštines, bazines, polines arba nepolines). Jūs jau turite būti susipažinę su dauguma funkcinių grupių R grupėse. Cheminės savybės, susijusios su visa atskirų funkcinių grupių kolekcija, suteikia kiekvienai amino rūgščių R grupei unikalų cheminį potencialą.

Pavyzdžiui, aminorūgštys, tokios kaip valinas, metioninas ir alaninas, paprastai yra nepolinės arba hidrofobinės, o aminorūgštys, tokios kaip serinas ir treoninas, yra polinės ir turi hidrofilines šonines grandines.

Pastaba: praktika

Pasinaudodami savo funkcinių grupių žiniomis, pabandykite kiekvieną amino rūgštį aukščiau esančiame paveikslėlyje klasifikuoti kaip linkę būti polinės arba nepolinės. Pabandykite surasti kitas klasifikavimo schemas ir pagalvokite, kaip sudaryti amino rūgščių, kurias įtrauktumėte į kiekvieną grupę, sąrašus. Taip pat internete galite ieškoti aminorūgščių klasifikavimo schemų - pastebėsite, kad yra įvairių būdų, kaip šias chemines medžiagas grupuoti pagal chemines savybes. Jūs netgi galite pastebėti, kad yra prieštaringų schemų. Pabandykite pagalvoti, kodėl taip gali būti, ir pritaikykite savo cheminę logiką, kad išsiaiškintumėte, kodėl buvo priimtos tam tikros klasifikavimo schemos ir kodėl tam tikros amino rūgštys buvo įtrauktos į tam tikras grupes.

Baltymai

Baltymai yra biomolekulių klasė, atliekanti daugybę funkcijų biologinėse sistemose. Kai kurie baltymai yra specifinių biocheminių reakcijų katalizatoriai. Kiti baltymai veikia kaip signalinės molekulės, leidžiančios ląstelėms „kalbėtis“ tarpusavyje. Baltymai, kaip ir nagų keratinas, taip pat gali veikti kaip struktūriniai. Nors galimų baltymų funkcijų įvairovė yra nepaprastai įvairi, visas šias funkcijas koduoja linijinis aminorūgščių rinkinys, kiekviena sujungta su savo kaimynu per peptidinį ryšį. Unikali sudėtis (aminorūgščių tipai ir jų skaičius) ir jų sujungimo tvarka lemia galutinę trimatę formą, kurią baltymas priims, taigi ir baltymo biologinę „funkciją“. Daugelis baltymų ląstelinėje aplinkoje gali spontaniškai ir dažnai greitai įgyti galutinę formą, vadinamą procesu baltymų lankstymas. Norėdami pamatyti trumpą (keturių minučių) įvadinį vaizdo įrašą apie baltymų struktūrą, spustelėkite čia.

Baltymų struktūra

Baltymų struktūras gali apibūdinti keturi skirtingi struktūrinės organizacijos lygiai, vadinami pirminėmis, antrinėmis, tretinėmis ir ketvirtinėmis struktūromis. Tai trumpai pristatoma tolesniuose skyriuose.

Pirminė struktūra

Unikali aminorūgščių seka polipeptido grandinėje yra jos pirminė struktūra (Figūra 1). Šios grandinės amino rūgštys yra sujungtos viena su kita per peptidinių ryšių seriją. Aminorūgščių grandinė dažnai vadinama a polipeptidas (daug peptidų).

figūra 1. Pirminė baltymo struktūra čia pavaizduota kaip „karoliukai ant virvelės“, pažymėti N ir C galais. Šios peptidų grandinės skaitymo tvarka prasidėtų nuo N galo kaip glicinas, izoleucinas ir kt., O baigtųsi metioninu.
Šaltinis: Erin Easlon (savo darbas)

Dėl bendros aminorūgščių struktūros, gautas baltymo stuburas turi pasikartojantį -N -Cα-C-N-Cα-C- modelis, kurį galima lengvai identifikuoti baltymų struktūrų atominės skiriamosios gebos modeliuose (2 pav.). Atminkite, kad vienas iš šios klasės mokymosi tikslų yra tai, kad galėtumėte išnagrinėti tokį modelį, kaip pateiktas žemiau, ir nustatyti šoninės grandinės atomų stuburą (pvz., Sukurti purpurinį pėdsaką ir mėlyną atspalvį, jei jo nėra) ). Tai galima padaryti suradus -N -Cα-C-N-Cα-C- modelis. Be to, dar vienas šios klasės mokymosi tikslas yra tai, kad jūs galite sukurti brėžinius, kuriuose būtų modeliuojama tipiško baltymų stuburo struktūra ir jos šoninės grandinės (dar žinomos kaip kintamoji grupė, R grupė). Šią užduotį galima labai supaprastinti, jei nepamiršite pradėti savo modelio, pirmiausia sukurdami -N -Cα-C-N-Cα-C- šabloną ir tada užpildyti kintamas grupes.

2 pav. Trumpo 3 aminorūgščių ilgio peptido modelis. Stuburo atomai yra raudonos spalvos. Kintamosios R grupės yra apskritos šviesiai mėlynos spalvos. Violetinė linija žymi stuburą nuo baltymo N galo (pradžios) iki C galo (pabaigos). Galima atpažinti (žalia spalva) pakartotą -N-Cα-C-N-Cα-C- užsakytas modelis sekant purpurine linija nuo pradžios iki pabaigos ir išvardijant stuburo atomus tokia tvarka, kokia jie yra.
Priskyrimas: Marc T. Facciotti (savo darbas)

Antrinė struktūra

Dėl specifinės peptidinės jungties chemijos stuburas tarp gretimų alfa-anglies atomų sudaro labai plokščią struktūrą (3 pav.). Tai reiškia, kad visi atomai, susieti rožiniu keturkampiu, yra toje pačioje plokštumoje. Todėl polipeptidas yra struktūriškai suvaržytas, nes aplink patį peptidinį ryšį gali vykti labai mažai rotacijos. Greičiau rotacijos vyksta aplink dvi jungtis, besitęsiančias nuo alfa anglies. Šie struktūriniai apribojimai lemia du dažniausiai pastebėtus struktūros modelius, susijusius su paties stuburo organizavimu.

3 pav. Pavaizduotas peptidinis ryšys tarp dviejų aminorūgščių. Užtemdytas keturkampis atspindi šios obligacijos planinį pobūdį.
Priskyrimas: Marc T. Facciotti (savo darbas)

Mes vadiname šiuos stuburo struktūros modelius antrinė struktūra baltymų. Dažniausiai pasitaikantys antrinės struktūros modeliai, atsirandantys sukant jungtis aplink kiekvieną alfa anglį, yra α-spiralė, β-lapas ir kilpa struktūros. Kaip rodo pavadinimas, α-spiralė pasižymi spiraline struktūra, pagaminta sukant stuburą. The β-lapas iš tikrųjų yra ryšys tarp dviejų ar daugiau struktūrų, vadinamų β-sritis. Jei orientacija (N-galo iki C-galo kryptis) dviejų susiejančių β-kryptys yra nukreiptos ta pačia/lygiagrečia kryptimi, todėl gaunama β-lapas vadinamas a lygiagretus β-lapas. Tuo tarpu, jei du asocijuojasi β-kryptys yra nukreiptos priešingomis/anti-lygiagrečiomis kryptimis, todėl β-lapas vadinamas an antiparalelė β-lapas. The α-spiralė ir β-abu lakštai yra stabilizuoti vandenilio ryšiais, kurie susidaro tarp amino rūgščių atomų, esančių arti vienas kito. Tiksliau tariant, deguonies atomas karbonilo grupėje iš vienos aminorūgšties gali sudaryti vandenilio ryšį su vandenilio atomu, prijungtu prie azoto kitos aminorūgšties amino grupėje. Kilpų struktūros, priešingai, reiškia visas antrines struktūras (pvz., Stuburo struktūrą), kurių taip pat negalima identifikuoti α-spiralė arba β-lapas.

4 pav. Α-spiralė ir β-lapas yra antrinės baltymų struktūros, kurios stabilizuojamos vandenilio ryšiu tarp karbonilo ir amino grupių peptido pagrinde. Atkreipkite dėmesį, kaip vandenilio ryšiai alfa spiralėje atsiranda tarp aminorūgščių, kurios yra gana arti viena kitos (maždaug 4 aminorūgštys viena nuo kitos aminorūgščių grandinėje), o sąveika, atsirandanti β-lapuose, gali atsirasti tarp daugybės amino rūgščių toliau nuo grandinės.

Tretinė struktūra

Stuburo ir antrinės struktūros elementai dar labiau susisuks į unikalią ir palyginti stabilią trimatę struktūrą, vadinamą tretinė struktūra baltymų. Tretinė struktūra yra tai, ką mes paprastai siejame su „funkcine“ baltymo forma. 6 paveiksle parodyti du tretinės struktūros pavyzdžiai. Abiejose struktūrose baltymas yra surenkamas į „animacinį filmuką“, kuriame polipeptido grandinė vaizduojama kaip viena ištisinė linija arba juostelė, nusakanti kelią tarp amino rūgščių alfa anglies jungčių, sujungtų viena su kita peptidiniais ryšiais - juostelė seka baltymo stuburą. (5 pav.).

5 pav. Kaip piešiamos baltymų „animacinės“ figūros. Baltymų animaciniai filmai (kaip parodyta 6 paveiksle) yra bene labiausiai paplitęs trimatės baltymų struktūros vaizdas. Šie animacinių filmų modeliai padeda mums įsivaizduoti pagrindines baltymų struktūros ypatybes, atsekant kelią nuo vienos alfa anglies iki kitos išilgai polipeptido stuburo. Tai pavaizduota kaip stora violetinė linija. Ilgesniame polipeptide ši linija tęsis ir prisijungs prie kitos alfa anglies, kol bus pasiektas polipeptido galas. Nors šie modeliai leidžia mums vizualizuoti bendrą baltymų struktūrą, jie palieka daug molekulinio lygio detalių.

Juostelė, sukurta sujungiant alfa-anglį, gali būti nubrėžta kaip paprasta ištisinė linija arba ją galima patobulinti unikaliai vaizduojant antrinius struktūrinius elementus. Pavyzdžiui, kai an α-spiralė identifikuojama, spiralė dažniausiai paryškinama paryškinant/praplečiant juostelę, kad spiralinė struktūra išsiskirtų. Kai yra β grandinė, juostelė paprastai praplečiama ir rodyklė paprastai pridedama prie kiekvienos β grandinės C galo-rodyklė padeda nustatyti polipeptido orientaciją ir tai, ar β lakštai yra lygiagretūs, ar -lygiagrečiai. Plona juosta, jungianti α-spiralę ir β-grandinės elementus, naudojama kilpoms pavaizduoti. Baltymų kilpos gali būti labai struktūrizuotos ir atlikti svarbų vaidmenį baltymų veikloje. Jie neturėtų būti lengvai traktuojami ar atleidžiami kaip nesvarbūs, nes jų pavadinime nėra graikiškos raidės.

6 pav. Tretinių baltymų struktūrų pavyzdžiai. Antrinės struktūros elementai dažomi taip: β -lapas - geltonas, α -spiralė - raudona; kilpa - žalia. A skydelyje pavaizduota gama baltymo kristalino (PDBID 1a45) - baltymo, esančio stuburinių akyse - struktūra. Šį baltymą daugiausia sudaro β lakštas ir kilpos. B skydelyje baltymo triozės fosfato izomerazės (PDBID 1tim) - baltymo, esančio glikolitiniame kelyje - struktūrą sudaro β -lakštas, α -spiralė ir kilpos, jungiančios antrinius struktūrinius elementus.

Priskyrimas: Marc T. Facciotti (savo darbas)

Tretinė struktūra yra daugelio skirtingų cheminių sąveikų tarp amino rūgščių R grupių, stuburo atomų, jonų tirpale ir vandenyje rezultatas. Šios jungtys apima jonines, kovalentines ir vandenilio jungtis ir Van der Waals sąveiką. Pavyzdžiui, tarp įvairių jonizuojamų šoninių grandinių gali susidaryti joniniai ryšiai. Pavyzdžiui, gali būti energetiškai palanku neigiamai įkrautai R grupei (pvz., Aspartatui) sąveikauti su teigiamai įkrauta R grupe (pvz., Argininu). Tada susidariusi joninė sąveika gali tapti sąveikos tinklo dalimi, kuri padeda stabilizuoti trimatį baltymo klostę. Priešingai, R grupės, turinčios panašius mokesčius, greičiausiai bus atstumtos viena nuo kitos, todėl mažai tikėtina, kad jos sudarys stabilią asociaciją ir taip nepalankiai paveiks struktūrą, į kurią būtų įtraukta ši asociacija. Panašiai vandenilio ryšiai gali susidaryti tarp įvairių R grupių arba tarp R grupių ir stuburo atomų. Šie vandenilio ryšiai taip pat gali padėti stabilizuoti tretinę baltymo struktūrą. Kai kuriais atvejais kovalentiniai ryšiai taip pat gali susidaryti tarp aminorūgščių. Dažniausiai stebimas kovalentinis ryšys tarp aminorūgščių apima du cisteinus ir yra vadinamas disulfidiniu ryšiu arba disulfido ryšiu.

Galiausiai, baltymų funkcinių grupių susiejimas su vandeniu taip pat padeda paskatinti chemines asociacijas, kurios padeda stabilizuoti galutinę baltymų struktūrą. Sąveika su vandeniu, žinoma, gali apimti vandenilio ryšių tarp baltymų ir vandens molekulių polinių funkcinių grupių susidarymą. Tačiau galbūt dar svarbiau yra siekis, kad baltymas išvengtų per didelio hidrofobinių funkcinių grupių sąlyčio su vandeniu. Šio noro išvengti vandens ir hidrofobinių funkcinių grupių sąveikos rezultatas reiškia, kad mažiau poliariškos šoninės grandinės dažnai susisieks viena nuo kitos, o tai sukels tam tikrą energetiškai palankią Van der Waals sąveiką ir išvengs energetinių bausmių, susijusių su -polinės šoninės grandinės prie vandens. Iš tiesų, energetinė nuobauda yra tokia didelė už nepoliarinių šoninių grandinių „atskleidimą“ vandeniu, todėl manoma, kad šių grupių palaidojimas nuo vandens yra vienas iš pagrindinių energetinių baltymų sulankstymo ir stabilizavimo jėgų, laikančių baltymą kartu struktūra.

6 pav. Tretinę baltymų struktūrą lemia įvairios cheminės sąveikos. Tai apima hidrofobines sąveikas, jonines jungtis, vandenilio jungtis ir disulfidines jungtis. Šiame paveikslėlyje pavaizduotas suplanuotas baltymas, sulankstytas tretinėje struktūroje. Be išlyginimo šis baltymas būtų rutulio formos 3-D formos.

Ketvirtinė struktūra

Gamtoje kai kurių baltymų funkcinės formos susidaro glaudžiai sujungus kelis polipeptidus. Tokiais atvejais atskiri polipeptidai taip pat žinomi kaip subvienetai. Kai dėl funkcinės baltymo formos reikia surinkti du ar daugiau subvienetų, mes vadiname šį struktūrinės organizacijos lygmenį baltymu ketvirtinė struktūra. Vėlgi, joninių, vandenilio ir kovalentinių ryšių deriniai kartu su Van der Waals asociacijomis, atsirandančiomis „palaidojant“ hidrofobinę grupę sąsajose tarp subvienetų, padeda stabilizuoti ketvirtines baltymų struktūras.

7 pav. Šiose iliustracijose galima pastebėti keturis baltymų struktūros lygius.
Šaltinis: Nacionalinio žmogaus genomo tyrimų instituto darbo pakeitimas

Denatūracija

Kaip aprašyta anksčiau, kiekvienas baltymas turi savo unikalią struktūrą, kurią palaiko įvairių tipų cheminė sąveika. Jei baltymas keičia temperatūrą, pH arba veikia chemines medžiagas, kurios keičia funkcinių grupių pobūdį arba trukdo joms, baltymo antrinė, tretinė ir (arba) ketvirtinė struktūra gali pasikeisti, nors pirminė struktūra išlieka tas pats. Šis procesas žinomas kaip denatūracija. Nors mėgintuvėlyje denatūracija dažnai yra grįžtama, ląstelėje šis procesas praktiniais tikslais dažnai gali būti negrįžtamas, dėl to prarandamos funkcijos ir galiausiai perdirbamos baltymo amino rūgštys. Atsparumas aplinkos poveikiui, kuris gali sukelti denatūraciją, labai skiriasi tarp gamtoje randamų baltymų. Pavyzdžiui, kai kurie baltymai yra nepaprastai atsparūs aukštai temperatūrai; Pavyzdžiui, karštosiose versmėse išgyvenančios bakterijos turi baltymų, veikiančių arti vandens virimo temperatūros. Kai kurie baltymai gali atlaikyti labai rūgščią, žemą pH, skrandžio aplinką. Tuo tarpu kai kurie baltymai yra labai jautrūs organiniams tirpikliams, o kiti gali būti labai atsparūs šioms cheminėms medžiagoms (pastarosios yra vertinamos naudoti įvairiuose pramonės procesuose).

Galiausiai, nors daugelis baltymų gali visiškai suformuoti savo trimatę struktūrą, daugeliu atvejų baltymai dažnai gauna pagalbą lankstymo procese iš baltymų pagalbininkų, žinomų kaip chaperonai (arba chaperoninai), kurie sulankstymo metu siejasi su jų baltymų taikiniais. Manoma, kad chaperonai veikia sumažindami polipeptidų agregaciją į nefunkcines formas-tai procesas, kuris gali įvykti formuojant neidealias chemines asociacijas.