MODUL 1 STRUKTUR, SIFAT DAN FUNGSI PROTEIN

MODUL 1 STRUKTUR, SIFAT DAN FUNGSI PROTEIN

Unit modular 1 ORGANISASI STRUKTUR PROTEIN MONOMER DAN DASAR FUNGSINYA

Tujuan pembelajaran Mampu:

1. Menggunakan pengetahuan tentang ciri-ciri struktural protein dan ketergantungan fungsi protein pada strukturnya untuk memahami mekanisme perkembangan proteinopati herediter dan didapat.

2. Menjelaskan mekanisme kerja terapeutik beberapa obat sebagai ligan yang berinteraksi dengan protein dan mengubah aktivitasnya.

3. Menggunakan pengetahuan tentang struktur dan labilitas konformasi protein untuk memahami ketidakstabilan struktural dan fungsionalnya serta kecenderungan denaturasinya dalam kondisi yang berubah.

4. Menjelaskan kegunaan bahan denaturasi sebagai alat untuk mensterilkan bahan dan instrumen kesehatan, serta sebagai antiseptik.

Tahu:

1. Tingkat organisasi struktural protein.

2. Pentingnya struktur primer protein, yang menentukan keanekaragaman struktural dan fungsionalnya.

3. Mekanisme pembentukan pusat aktif pada protein dan interaksi spesifiknya dengan ligan yang mendasari berfungsinya protein.

4. Contoh pengaruh ligan eksogen (obat, toksin, racun) terhadap konformasi dan aktivitas fungsional protein.

5. Penyebab dan akibat denaturasi protein, faktor penyebab denaturasi.

6. Contoh penggunaan faktor denaturasi dalam pengobatan sebagai antiseptik dan alat sterilisasi alat kesehatan.

TOPIK 1.1. ORGANISASI STRUKTUR PROTEIN. TAHAP PEMBENTUKAN ASLI

KONFORMASI PROTEIN

Protein adalah molekul polimer yang monomernya hanya 20 asam α-amino. Himpunan dan urutan kombinasi asam amino dalam suatu protein ditentukan oleh struktur gen dalam DNA individu. Setiap protein, sesuai dengan struktur spesifiknya, menjalankan fungsinya masing-masing. Kumpulan protein suatu organisme menentukan karakteristik fenotipiknya, serta adanya penyakit keturunan atau kecenderungan perkembangannya.

1. Asam amino penyusun protein. Ikatan peptida. Protein adalah polimer yang dibangun dari monomer - 20 asam α-amino, rumus umumnya adalah

Asam amino berbeda dalam struktur, ukuran, dan sifat fisikokimia radikal yang terikat pada atom karbon α. Gugus fungsi asam amino menentukan karakteristik sifat-sifat asam α-amino yang berbeda. Radikal yang terdapat pada asam α-amino dapat dibagi menjadi beberapa kelompok:

prolin, Berbeda dengan 19 monomer protein lainnya, ini bukanlah asam amino, melainkan asam imino; radikal dalam prolin dikaitkan dengan atom karbon α dan gugus imino

Asam amino bervariasi dalam kelarutan dalam air. Hal ini disebabkan kemampuan radikal berinteraksi dengan air (hidrat).

KE hidrofilik termasuk radikal yang mengandung gugus fungsi tak bermuatan anionik, kationik, dan polar.

KE hidrofobik termasuk radikal yang mengandung gugus metil, rantai atau cincin alifatik.

2. Ikatan peptida menghubungkan asam amino membentuk peptida. Selama sintesis peptida, gugus α-karboksil dari satu asam amino berinteraksi dengan gugus α-amino dari asam amino lain untuk membentuk ikatan peptida:

Protein adalah polipeptida, mis. polimer linier asam α-amino dihubungkan oleh ikatan peptida (Gbr. 1.1.)

Beras. 1.1. Istilah yang digunakan untuk menggambarkan struktur peptida

Monomer asam amino yang menyusun polipeptida disebut residu asam amino. Rantai kelompok yang berulang - NH-CH-CO- formulir tulang punggung peptida. Residu asam amino yang mempunyai gugus α-amino bebas disebut terminal-N, dan yang mempunyai gugus α-karboksil bebas disebut terminal-C. Peptida ditulis dan dibaca dari N-terminus ke C-terminus.

Ikatan peptida yang dibentuk oleh gugus imino prolin berbeda dari ikatan peptida lainnya: atom nitrogen pada gugus peptida kekurangan hidrogen,

sebaliknya, terdapat ikatan dengan radikal, akibatnya salah satu sisi cincin termasuk dalam tulang punggung peptida:

Peptida berbeda dalam komposisi asam amino, jumlah asam amino dan urutan ikatan asam amino, misalnya Ser-Ala-Glu-Gis dan His-Glu-Ala-Ser adalah dua peptida yang berbeda.

Ikatan peptida sangat kuat, dan hidrolisis kimia non-enzimatiknya memerlukan kondisi yang keras: protein yang dianalisis dihidrolisis dalam asam klorida pekat pada suhu sekitar 110° selama 24 jam. Dalam sel hidup, ikatan peptida dapat diputus oleh enzim proteolitik, ditelepon protease atau hidrolase peptida.

3. Struktur primer protein. Residu asam amino dalam rantai peptida protein yang berbeda tidak bergantian secara acak, tetapi tersusun dalam urutan tertentu. Urutan linier atau urutan pergantian residu asam amino dalam rantai polipeptida disebut struktur utama protein.

Struktur utama setiap protein individu dikodekan dalam molekul DNA (di wilayah yang disebut gen) dan diwujudkan selama transkripsi (menyalin informasi ke mRNA) dan translasi (sintesis struktur primer protein). Akibatnya, struktur utama protein seseorang adalah informasi yang diturunkan secara turun-temurun dari orang tua ke anak-anak, yang menentukan ciri-ciri struktural protein suatu organisme tertentu, yang menjadi sandaran fungsi protein yang ada (Gbr. 1.2.).

Beras. 1.2. Hubungan antara genotipe dan konformasi protein yang disintesis dalam tubuh individu

Masing-masing dari sekitar 100.000 protein individu dalam tubuh manusia miliki unik struktur primer. Molekul dari jenis protein yang sama (misalnya albumin) memiliki pergantian residu asam amino yang sama, yang membedakan albumin dari protein individu lainnya.

Urutan residu asam amino dalam rantai peptida dapat dianggap sebagai bentuk pencatatan informasi. Informasi ini menentukan pelipatan spasial rantai peptida linier menjadi struktur tiga dimensi yang lebih kompak yang disebut konformasi tupai. Proses pembentukan konformasi protein yang aktif secara fungsional disebut lipat

4. Konformasi protein. Rotasi bebas pada tulang punggung peptida dimungkinkan antara atom nitrogen dari gugus peptida dan atom karbon α yang berdekatan, serta antara atom karbon α dan karbon dari gugus karbonil. Karena interaksi gugus fungsi residu asam amino, struktur primer protein dapat memperoleh struktur spasial yang lebih kompleks. Dalam protein globular, ada dua tingkat utama pelipatan konformasi rantai peptida: sekunder Dan struktur tersier.

Struktur sekunder protein adalah struktur spasial yang terbentuk sebagai hasil pembentukan ikatan hidrogen antara gugus fungsi -C=O dan -NH- dari tulang punggung peptida. Dalam hal ini, rantai peptida dapat memperoleh dua jenis struktur teratur: α-heliks Dan struktur β.

DI DALAM α-heliks ikatan hidrogen terbentuk antara atom oksigen dari gugus karbonil dan hidrogen dari nitrogen amino dari asam amino ke-4 darinya; rantai samping residu asam amino

terletak di sepanjang pinggiran spiral, tanpa berpartisipasi dalam pembentukan struktur sekunder (Gbr. 1.3.).

Radikal curah, atau radikal yang membawa muatan yang sama, mencegah pembentukan α-helix. Residu prolin, yang memiliki struktur cincin, memutus α-heliks, karena kurangnya hidrogen pada atom nitrogen dalam rantai peptida, ikatan hidrogen tidak mungkin terbentuk. Ikatan antara nitrogen dan atom karbon α merupakan bagian dari cincin prolin, sehingga tulang punggung peptida menjadi bengkok pada titik ini.

β-Struktur terbentuk antara daerah linier tulang punggung peptida dari satu rantai polipeptida, sehingga membentuk struktur terlipat. Rantai polipeptida atau bagiannya dapat terbentuk paralel atau struktur β antiparalel. Dalam kasus pertama, ujung N dan C dari rantai peptida yang berinteraksi bertepatan, dan pada kasus kedua, keduanya memiliki arah yang berlawanan (Gbr. 1.4).

Beras. 1.3. Struktur sekunder protein adalah α-heliks

Beras. 1.4. Struktur lembaran β paralel dan antiparalel

Struktur β ditunjukkan dengan panah lebar: A - Struktur β Antiparalel. B - Struktur lembaran β paralel

Pada beberapa protein, struktur β dapat terbentuk karena pembentukan ikatan hidrogen antara atom-atom tulang punggung peptida dari rantai polipeptida yang berbeda.

Juga ditemukan dalam protein daerah dengan sekunder tidak beraturan struktur, yang meliputi tikungan, putaran, dan putaran tulang punggung polipeptida. Mereka sering terletak di tempat di mana arah rantai peptida berubah, misalnya, ketika struktur lembaran β paralel terbentuk.

Berdasarkan keberadaan heliks α dan struktur β, protein globular dapat dibagi menjadi empat kategori.

Beras. 1.5. Struktur sekunder mioglobin (A) dan rantai β hemoglobin (B), mengandung delapan heliks α

Beras. 1.6. Struktur sekunder domain triosefosfat isomerase dan piruvat kinase

Beras. 1.7. Struktur sekunder dari domain konstan imunoglobulin (A) dan enzim superoksida dismutase (B)

DI DALAM kategori keempat termasuk protein yang mengandung sejumlah kecil struktur sekunder biasa. Protein ini termasuk protein kecil yang kaya sistein atau metaloprotein.

Struktur tersier protein- jenis konformasi yang terbentuk karena interaksi antara radikal asam amino, yang dapat ditempatkan pada jarak yang cukup jauh satu sama lain dalam rantai peptida. Kebanyakan protein membentuk struktur spasial menyerupai globule (protein globular).

Karena radikal asam amino hidrofobik cenderung bergabung melalui apa yang disebut interaksi hidrofobik dan gaya van der Waals antarmolekul, inti hidrofobik padat terbentuk di dalam globul protein. Radikal hidrofilik terionisasi dan non-terionisasi terutama terletak di permukaan protein dan menentukan kelarutannya dalam air.

Beras. 1.8. Jenis ikatan yang timbul antara radikal asam amino selama pembentukan struktur tersier suatu protein

1 - ikatan ionik- terjadi antara gugus fungsi yang bermuatan positif dan negatif;

2 - ikatan hidrogen- terjadi antara gugus hidrofilik tak bermuatan dan gugus hidrofilik lainnya;

3 - interaksi hidrofobik- timbul di antara radikal hidrofobik;

4 - ikatan disulfida- terbentuk karena oksidasi gugus SH residu sistein dan interaksinya satu sama lain

Residu asam amino hidrofilik yang terdapat di dalam inti hidrofobik dapat berinteraksi satu sama lain menggunakan ionik Dan ikatan hidrogen(Gbr. 1.8).

Ikatan ionik dan hidrogen, serta interaksi hidrofobik, lemah: energinya tidak jauh lebih tinggi daripada energi gerak termal molekul pada suhu kamar. Konformasi protein dipertahankan dengan pembentukan banyak ikatan lemah. Karena atom-atom yang menyusun protein terus bergerak, beberapa ikatan lemah dapat diputus dan membentuk ikatan lain, yang menyebabkan sedikit pergerakan pada masing-masing bagian rantai polipeptida. Sifat protein untuk mengubah konformasi sebagai akibat putusnya sebagian dan pembentukan ikatan lemah lainnya disebut labilitas konformasi.

Tubuh manusia mempunyai sistem yang mendukung homeostatis- keteguhan lingkungan internal dalam batas-batas tertentu yang dapat diterima untuk kesehatan tubuh. Dalam kondisi homeostatis, perubahan kecil pada konformasi tidak mengganggu keseluruhan struktur dan fungsi protein. Konformasi protein yang aktif secara fungsional disebut konformasi asli. Perubahan lingkungan internal (misalnya konsentrasi glukosa, ion Ca, proton, dll) menyebabkan perubahan konformasi dan terganggunya fungsi protein.

Struktur tersier beberapa protein menjadi stabil ikatan disulfida, terbentuk karena interaksi gugus -SH dari dua residu

Beras. 1.9. Pembentukan ikatan disulfida dalam molekul protein

sistein (Gbr. 1.9). Kebanyakan protein intraseluler tidak memiliki ikatan kovalen disulfida pada struktur tersiernya. Kehadiran mereka merupakan karakteristik protein yang disekresikan oleh sel, yang menjamin stabilitasnya yang lebih besar dalam kondisi ekstraseluler. Dengan demikian, ikatan disulfida terdapat dalam molekul insulin dan imunoglobulin.

Insulin- hormon protein yang disintesis di sel pankreas dan disekresikan ke dalam darah sebagai respons terhadap peningkatan konsentrasi glukosa dalam darah.

Dalam struktur insulin, terdapat dua ikatan disulfida yang menghubungkan rantai polipeptida A dan B, dan satu ikatan disulfida dalam rantai A (Gbr. 1.10).

Beras. 1.10. Ikatan disulfida dalam struktur insulin 5. Struktur protein supersekunder. Pada protein dengan struktur dan fungsi primer yang berbeda, kadang-kadang terdeteksi kombinasi serupa dan posisi relatif struktur sekunder,

yang disebut struktur supersekunder. Ia menempati posisi perantara antara struktur sekunder dan tersier, karena merupakan kombinasi spesifik elemen struktur sekunder dalam pembentukan struktur tersier protein. Struktur supersekunder memiliki nama spesifik, seperti “α-helix-turn-a-helix”, “leucine ritsleting”, “jari seng”, dll. Struktur supersekunder tersebut merupakan karakteristik dari protein pengikat DNA."Ritsleting leusin."

Jenis struktur supersekunder ini digunakan untuk menggabungkan dua protein menjadi satu. Pada permukaan protein yang berinteraksi terdapat daerah heliks α yang mengandung setidaknya empat residu leusin. Residu leusin dalam α-heliks terletak terpisah enam asam amino. Karena setiap putaran α-heliks mengandung 3,6 residu asam amino, radikal leusin terletak di permukaan setiap putaran kedua. Residu leusin dari α-heliks suatu protein dapat berinteraksi dengan residu leusin dari protein lain (interaksi hidrofobik), menghubungkan keduanya (Gbr. 1.11.). Banyak protein pengikat DNA berfungsi dalam kompleks oligomer di mana masing-masing subunit dihubungkan satu sama lain melalui “ritsleting leusin”.

Contoh protein tersebut adalah histon. sejarah- protein inti, yang mengandung sejumlah besar asam amino bermuatan positif - arginin dan lisin (hingga 80%). Molekul histon digabungkan menjadi kompleks oligomer yang mengandung delapan monomer menggunakan “ritsleting leusin”, meskipun molekul-molekul ini memiliki muatan homonim yang signifikan.

"jari seng"- varian struktur supersekunder, karakteristik protein pengikat DNA, berbentuk fragmen memanjang pada permukaan protein dan mengandung sekitar 20 residu asam amino (Gbr. 1.12). Bentuk “jari terentang” didukung oleh atom seng yang terikat pada empat radikal asam amino - dua residu sistein dan dua residu histidin. Dalam beberapa kasus, selain residu histidin, terdapat residu sistein. Dua residu sistein yang letaknya berdekatan dipisahkan dari dua residu Gisili lainnya melalui rangkaian Cys yang terdiri dari sekitar 12 residu asam amino. Wilayah protein ini membentuk α-heliks, yang radikalnya dapat secara spesifik berikatan dengan wilayah pengatur alur utama DNA. Kekhususan pengikatan individu

Beras. 1.12. Struktur utama wilayah protein pengikat DNA yang membentuk struktur “jari seng” (huruf menunjukkan asam amino yang menyusun struktur ini)

Protein pengikat DNA pengatur bergantung pada urutan residu asam amino yang terletak di daerah jari seng. Struktur tersebut mengandung, khususnya, reseptor hormon steroid yang terlibat dalam regulasi transkripsi (membaca informasi dari DNA ke RNA).

TOPIK 1.2. DASAR FUNGSI PROTEIN. OBAT SEBAGAI LIGAND YANG MEMPENGARUHI FUNGSI PROTEIN

1. Pusat aktif protein dan interaksinya dengan ligan. Selama pembentukan struktur tersier, suatu daerah terbentuk pada permukaan protein yang aktif secara fungsional, biasanya dalam suatu ceruk, dibentuk oleh radikal asam amino yang berjauhan satu sama lain dalam struktur primer. Wilayah ini, yang memiliki struktur unik untuk protein tertentu dan mampu berinteraksi secara spesifik dengan molekul tertentu atau kelompok molekul serupa, disebut situs pengikatan protein-ligan atau situs aktif. Ligan adalah molekul yang berinteraksi dengan protein.

Spesifisitas tinggi Interaksi protein dengan ligan dijamin oleh struktur pusat aktif yang saling melengkapi dengan struktur ligan.

Komplementaritas- ini adalah korespondensi spasial dan kimia dari permukaan yang berinteraksi. Pusat aktif tidak hanya harus sesuai secara spasial dengan ligan yang termasuk di dalamnya, tetapi juga ikatan (interaksi ionik, hidrogen, dan hidrofobik) harus terbentuk antara gugus fungsi radikal yang termasuk dalam pusat aktif dan ligan yang menahan ligan. di pusat aktif (Gbr. 1.13 ).

Beras. 1.13. Interaksi komplementer protein dengan ligan

Beberapa ligan, ketika melekat pada pusat aktif suatu protein, memainkan peran tambahan dalam fungsi protein. Ligan semacam itu disebut kofaktor, dan protein yang mengandung bagian non-protein disebut protein kompleks(berlawanan dengan protein sederhana, hanya terdiri dari bagian protein). Bagian bukan protein yang terikat kuat pada protein disebut kelompok prostetik. Misalnya, mioglobin, hemoglobin, dan sitokrom mengandung gugus prostetik, heme, yang mengandung ion besi, terikat kuat pada pusat aktif. Protein kompleks yang mengandung heme disebut hemoprotein.

Ketika ligan tertentu melekat pada protein, fungsi protein ini terwujud. Jadi, albumin, protein terpenting dalam plasma darah, menunjukkan fungsi transpornya dengan menempelkan ligan hidrofobik, seperti asam lemak, bilirubin, obat-obatan tertentu, dll. ke pusat aktif (Gbr. 1.14)

Ligan yang berinteraksi dengan struktur tiga dimensi rantai peptida tidak hanya berupa molekul organik dan anorganik dengan berat molekul rendah, tetapi juga makromolekul:

DNA (contoh protein pengikat DNA dibahas di atas);

Polisakarida;

Beras. 1.14. Hubungan antara genotipe dan fenotipe

Struktur primer unik protein manusia, yang dikodekan dalam molekul DNA, diwujudkan dalam sel dalam bentuk konformasi unik, struktur pusat aktif, dan fungsi protein.

Dalam kasus ini, protein mengenali wilayah tertentu dari ligan yang sepadan dan saling melengkapi dengan tempat pengikatan. Jadi, pada permukaan hepatosit terdapat protein reseptor hormon insulin, yang juga memiliki struktur protein. Interaksi insulin dengan reseptor menyebabkan perubahan konformasi dan aktivasi sistem sinyal, yang menyebabkan penyimpanan nutrisi di hepatosit setelah makan.

Dengan demikian, Fungsi protein didasarkan pada interaksi spesifik pusat aktif protein dengan ligan.

2. Struktur domain dan perannya dalam fungsi protein. Rantai polipeptida panjang dari protein globular sering kali terlipat menjadi beberapa daerah yang kompak dan relatif independen. Mereka memiliki struktur tersier independen, mengingatkan pada struktur protein globular, dan disebut domain. Karena struktur domain protein, struktur tersiernya lebih mudah dibentuk.

Dalam protein domain, situs pengikatan ligan sering kali terletak di antara domain. Jadi, trypsin adalah enzim proteolitik yang diproduksi oleh bagian eksokrin pankreas dan diperlukan untuk pencernaan protein makanan. Ia memiliki struktur dua domain, dan pusat pengikatan trypsin dengan ligannya - protein makanan - terletak di alur antara dua domain. Di pusat aktif, kondisi yang diperlukan untuk pengikatan efektif bagian tertentu dari protein makanan dan hidrolisis ikatan peptidanya tercipta.

Domain yang berbeda dalam suatu protein dapat berpindah relatif satu sama lain ketika pusat aktif berinteraksi dengan ligan (Gbr. 1.15).

Heksokinase- enzim yang mengkatalisis fosforilasi glukosa menggunakan ATP. Situs aktif enzim terletak pada celah antara dua domain. Ketika heksokinase berikatan dengan glukosa, domain di sekitarnya menutup dan substrat menjadi terperangkap, tempat terjadinya fosforilasi (lihat Gambar 1.15).

Beras. 1.15. Pengikatan domain heksokinase ke glukosa

Pada beberapa protein, domain menjalankan fungsi independen dengan mengikat berbagai ligan. Protein semacam itu disebut multifungsi.

3. Obat adalah ligan yang mempengaruhi fungsi protein. Interaksi protein dengan ligan bersifat spesifik. Namun, karena labilitas konformasi protein dan pusat aktifnya, zat lain dapat dipilih yang juga dapat berinteraksi dengan protein di pusat aktif atau bagian lain dari molekul.

Suatu zat yang strukturnya mirip dengan ligan alami disebut analog struktural ligan atau ligan non-alami. Ia juga berinteraksi dengan protein di situs aktif. Analog struktural ligan dapat meningkatkan fungsi protein (agonis), dan menguranginya (antagonis). Ligan dan analog strukturalnya bersaing satu sama lain untuk berikatan dengan protein di tempat yang sama. Zat yang demikian disebut modulator kompetitif(pengatur) fungsi protein. Banyak obat bertindak sebagai penghambat protein. Beberapa di antaranya diperoleh dengan modifikasi kimia ligan alami. Penghambat fungsi protein dapat berupa obat dan racun.

Atropin adalah penghambat kompetitif reseptor M-kolinergik. Asetilkolin adalah neurotransmitter untuk transmisi impuls saraf melalui sinapsis kolinergik. Untuk melakukan eksitasi, asetilkolin yang dilepaskan ke celah sinaptik harus berinteraksi dengan protein reseptor membran postsinaptik. Ditemukan dua jenis reseptor kolinergik:

reseptor M selain asetilkolin, ia secara selektif berinteraksi dengan muscarine (toksin lalat agaric). M - reseptor kolinergik terdapat pada otot polos dan, ketika berinteraksi dengan asetilkolin, menyebabkan kontraksinya;

reseptor H secara khusus mengikat nikotin. Reseptor N-kolinergik ditemukan di sinapsis otot rangka lurik.

Penghambat spesifik Reseptor M-kolinergik adalah atropin. Hal ini ditemukan di tanaman belladonna dan henbane.

Atropin memiliki gugus fungsi yang mirip strukturnya dengan asetilkolin dan susunan spasialnya, oleh karena itu atropin merupakan penghambat kompetitif reseptor M-kolinergik. Mengingat pengikatan asetilkolin dengan reseptor M-kolinergik menyebabkan kontraksi otot polos, maka atropin digunakan sebagai obat yang meredakan kejangnya. (antispasmodik). Oleh karena itu, diketahui penggunaan atropin untuk mengendurkan otot mata saat melihat fundus, serta untuk meredakan kejang pada kolik gastrointestinal. Reseptor M-kolinergik juga terdapat di sistem saraf pusat (SSP), sehingga atropin dosis besar dapat menyebabkan reaksi yang tidak diinginkan dari sistem saraf pusat: agitasi motorik dan mental, halusinasi, kejang.

Ditilin adalah agonis kompetitif reseptor H-kolinergik, menghambat fungsi sinapsis neuromuskular.

Sinapsis neuromuskular otot rangka mengandung reseptor H-kolinergik. Interaksi mereka dengan asetilkolin menyebabkan kontraksi otot. Selama beberapa operasi bedah, serta dalam pemeriksaan endoskopi, obat-obatan digunakan yang menyebabkan relaksasi otot rangka (relaksan otot). Ini termasuk dithiline, yang merupakan analog struktural asetilkolin. Ia menempel pada reseptor H-kolinergik, tetapi tidak seperti asetilkolin, ia dihancurkan dengan sangat lambat oleh enzim asetilkolinesterase. Akibat pembukaan saluran ion yang berkepanjangan dan depolarisasi membran yang terus-menerus, konduksi impuls saraf terganggu dan terjadi relaksasi otot. Awalnya, sifat-sifat ini ditemukan dalam racun curare, itulah sebabnya obat tersebut disebut seperti curare.

TOPIK 1.3. DENATURASI PROTEIN DAN KEMUNGKINAN RENATIVASI SPONTANNYA

1. Karena konformasi asli protein dipertahankan karena interaksi yang lemah, perubahan komposisi dan sifat lingkungan sekitar protein, paparan reagen kimia dan faktor fisik menyebabkan perubahan konformasi (sifat labilitas konformasi). Pemutusan ikatan dalam jumlah besar menyebabkan rusaknya konformasi asli dan denaturasi protein.

Denaturasi protein- ini adalah penghancuran konformasi aslinya di bawah pengaruh zat denaturasi, yang disebabkan oleh putusnya ikatan lemah yang menstabilkan struktur spasial protein. Denaturasi disertai dengan rusaknya struktur tiga dimensi unik dan pusat aktif protein serta hilangnya aktivitas biologisnya (Gbr. 1.16).

Semua molekul terdenaturasi dari satu protein memperoleh konformasi acak yang berbeda dari molekul lain dari protein yang sama. Radikal asam amino yang membentuk pusat aktif ternyata berjauhan secara spasial satu sama lain, yaitu. situs pengikatan spesifik protein dengan ligan dihancurkan. Selama denaturasi, struktur utama protein tetap tidak berubah.

Penerapan agen denaturasi dalam penelitian biologi dan kedokteran. Dalam studi biokimia, sebelum menentukan senyawa dengan berat molekul rendah dalam bahan biologis, protein biasanya dihilangkan terlebih dahulu dari larutan. Asam trikloroasetat (TCA) paling sering digunakan untuk tujuan ini. Setelah menambahkan TCA ke dalam larutan, protein yang terdenaturasi mengendap dan mudah dihilangkan dengan penyaringan (Tabel 1.1.)

Dalam dunia kedokteran, bahan pendenaturasi sering digunakan untuk mensterilkan peralatan dan bahan medis dalam autoklaf (bahan pendenaturasi adalah suhu tinggi) dan sebagai antiseptik (alkohol, fenol, kloramin) untuk merawat permukaan terkontaminasi yang mengandung mikroflora patogen.

2. Reaktivasi protein secara spontan- bukti determinisme struktur primer, konformasi dan fungsi protein. Protein individu adalah produk dari gen yang sama yang memiliki urutan asam amino yang identik dan memperoleh konformasi yang sama di dalam sel. Kesimpulan mendasar bahwa struktur primer suatu protein sudah berisi informasi tentang konformasi dan fungsinya dibuat berdasarkan kemampuan beberapa protein (khususnya, ribonuklease dan mioglobin) untuk melakukan reaktifasi secara spontan - mengembalikan konformasi aslinya setelah denaturasi.

Pembentukan struktur protein spasial dilakukan dengan metode self-assembly - suatu proses spontan di mana rantai polipeptida, yang memiliki struktur primer unik, cenderung mengadopsi konformasi dengan energi bebas terendah dalam larutan. Kemampuan untuk mengaktifkan kembali protein yang mempertahankan struktur primernya setelah denaturasi dijelaskan dalam percobaan dengan enzim ribonuklease.

Ribonuklease adalah enzim yang memecah ikatan antara nukleotida individu dalam molekul RNA. Protein globular ini mempunyai satu rantai polipeptida, struktur tersiernya distabilkan oleh banyak ikatan lemah dan empat ikatan disulfida.

Perlakuan ribonuklease dengan urea, yang memutus ikatan hidrogen dalam molekul, dan zat pereduksi, yang memutus ikatan disulfida, menyebabkan denaturasi enzim dan hilangnya aktivitasnya.

Penghapusan agen denaturasi melalui dialisis mengarah pada pemulihan konformasi dan fungsi protein, yaitu untuk kelahiran kembali. (Gbr. 1.17).

Beras. 1.17. Denaturasi dan renativasi ribonuklease

A - konformasi asli ribonuklease, dalam struktur tersiernya terdapat empat ikatan disulfida; B - molekul ribonuklease terdenaturasi;

B - molekul ribonuklease yang diaktifkan kembali dengan struktur dan fungsi yang dipulihkan

1. Isi tabel 1.2.

Tabel 1.2. Klasifikasi asam amino menurut polaritas radikalnya

2. Tuliskan rumus tetrapeptida:

Asp - Pro - Fen - Liz

a) menyoroti gugus berulang dalam peptida yang membentuk tulang punggung peptida dan gugus variabel yang diwakili oleh radikal asam amino;

b) memberi label pada ujung N dan C;

c) menyorot ikatan peptida;

d) tulis peptida lain yang terdiri dari asam amino yang sama;

e) menghitung jumlah kemungkinan varian tetrapeptida dengan komposisi asam amino yang serupa.

3. Jelaskan peran struktur primer protein dengan menggunakan contoh analisis komparatif dua hormon peptida neurohipofisis mamalia yang serupa secara struktural dan dekat secara evolusioner - oksitosin dan vasopresin (Tabel 1.3).

Tabel 1.3. Struktur dan fungsi oksitosin dan vasopresin

Untuk melakukan ini:

a) membandingkan komposisi dan urutan asam amino dari dua peptida;

b) menemukan kesamaan struktur utama kedua peptida dan kesamaan tindakan biologisnya;

c) menemukan perbedaan struktur dua peptida dan perbedaan fungsinya;

d) menarik kesimpulan tentang pengaruh struktur primer peptida terhadap fungsinya.

4. Jelaskan tahapan utama pembentukan konformasi protein globular (sekunder, struktur tersier, konsep struktur supersekunder). Tunjukkan jenis ikatan yang terlibat dalam pembentukan struktur protein. Radikal asam amino manakah yang dapat berpartisipasi dalam pembentukan interaksi hidrofobik, ionik, ikatan hidrogen.

Berikan contoh.

5. Definisikan konsep "labilitas konformasi protein", tunjukkan alasan keberadaan dan signifikansinya.

6. Perluas arti dari frasa berikut: “Fungsi protein didasarkan pada interaksi spesifiknya dengan ligan,” menggunakan istilah dan penjelasan maknanya: konformasi protein, pusat aktif, ligan, saling melengkapi, fungsi protein.

7. Dengan menggunakan satu contoh, jelaskan apa itu domain dan apa perannya dalam fungsi protein.

TUGAS PENGENDALIAN DIRI

1. Cocok.

Gugus fungsi dalam radikal asam amino:

A. Gugus karboksil B. Gugus hidroksil C Gugus guanidin D. Gugus tiol E. Gugus amino

2. Pilih jawaban yang benar.

Asam amino dengan radikal tak bermuatan polar adalah:

A. Cis B. Asn

B. Glu G. Tiga

3. Pilih jawaban yang benar.

Radikal asam amino:

A. Memberikan kekhususan struktur primer B. Berpartisipasi dalam pembentukan struktur tersier

B. Terletak di permukaan protein, mempengaruhi kelarutannya D. Membentuk pusat aktif

D. Berpartisipasi dalam pembentukan ikatan peptida

4. Pilih jawaban yang benar.

Interaksi hidrofobik dapat terbentuk antara radikal asam amino:

A. Tre Lay B. Pro Tiga

B. Bertemu Ile G. Tir Ala D. Val Fen

5. Pilih jawaban yang benar.

Ikatan ionik dapat terbentuk antara radikal asam amino:

A. Gln Asp B. Apr Liz

B.Liz Glu G.Gis Asp D.Asn Apr

6. Pilih jawaban yang benar.

Ikatan hidrogen dapat terbentuk antara radikal asam amino:

A. Ser Gln B. Cis Tre

B. Asp Liz G. Glu Asp D. Asn Tre

7. Cocok.

Jenis ikatan yang terlibat dalam pembentukan struktur protein:

A. Struktur primer B. Struktur sekunder

B. Struktur tersier

D. Struktur Supersekunder E. Konformasi.

1. Ikatan hidrogen antar atom tulang punggung peptida

2. Lemahnya ikatan antar gugus fungsi radikal asam amino

3. Ikatan antara gugus α-amino dan α-karboksil asam amino

8. Pilih jawaban yang benar. Tripsin:

A. Enzim proteolitik B. Berisi dua domain

B. Menghidrolisis pati

D. Situs aktif terletak di antara domain. D. Terdiri dari dua rantai polipeptida.

9. Pilih jawaban yang benar. Atropin:

A.Neurotransmiter

B. Analog struktural asetilkolin

B. Berinteraksi dengan reseptor H-kolinergik

D. Memperkuat konduksi impuls saraf melalui sinapsis kolinergik

D. Penghambat kompetitif reseptor M-kolinergik

10. Pilihlah pernyataan yang benar. Dalam protein:

A. Struktur primer berisi informasi tentang struktur situs aktifnya

B. Pusat aktif terbentuk pada tingkat struktur primer

B. Konformasinya ditetapkan secara kaku oleh ikatan kovalen

D. Situs aktif dapat berinteraksi dengan sekelompok ligan serupa

karena labilitas konformasi protein D. Perubahan lingkungan dapat mempengaruhi afinitas zat aktif

pusat ke ligan

1.1-B, 2-G, 3-B.

3.A,B,C,D.

7. 1-B, 2-D, 3-A.

8.A,B,C,D.

SYARAT DAN KONSEP DASAR

1. Protein, polipeptida, asam amino

2. Struktur protein primer, sekunder, tersier

3. Konformasi, konformasi protein asli

4. Ikatan kovalen dan lemah pada protein

5. Labilitas konformasi

6. Situs aktif protein

7. Ligan

8. Pelipatan protein

9. Analog struktur ligan

10. Protein domain

11. Protein sederhana dan kompleks

12. Denaturasi protein, zat pendenaturasi

13. Reaktivasi protein

Memecahkan masalah

“Organisasi struktural protein dan dasar fungsinya”

1. Fungsi utama protein - hemoglobin A (HbA) adalah pengangkutan oksigen ke jaringan. Dalam populasi manusia, berbagai bentuk protein ini dengan sifat dan fungsi yang berubah telah diketahui - yang disebut hemoglobin abnormal. Misalnya, hemoglobin S, yang ditemukan dalam sel darah merah pasien dengan penyakit sel sabit (HbS), diketahui memiliki kelarutan yang rendah dalam kondisi tekanan parsial oksigen yang rendah (seperti halnya pada darah vena). Hal ini mengarah pada pembentukan agregat protein ini. Protein kehilangan fungsinya, mengendap, dan sel darah merah menjadi tidak beraturan (beberapa di antaranya berbentuk sabit) dan dihancurkan lebih cepat dari biasanya di limpa. Akibatnya, anemia sel sabit berkembang.

Satu-satunya perbedaan dalam struktur primer HbA ditemukan di wilayah N-terminal rantai β hemoglobin. Bandingkan daerah N-terminal dari untai β dan tunjukkan bagaimana perubahan struktur primer protein mempengaruhi sifat dan fungsinya.

Untuk melakukan ini:

a) tuliskan rumus asam amino yang membedakan HbA dan bandingkan sifat asam amino tersebut (polaritas, muatan).

b) menarik kesimpulan tentang penyebab penurunan kelarutan dan terganggunya pengangkutan oksigen ke jaringan.

2. Gambar tersebut menunjukkan diagram struktur protein yang mempunyai pusat pengikatan dengan ligan (pusat aktif). Jelaskan mengapa protein bersifat selektif dalam pemilihan ligannya. Untuk melakukan ini:

a) ingat apa itu pusat aktif suatu protein dan perhatikan struktur pusat aktif protein yang ditunjukkan pada gambar;

b) tuliskan rumus radikal asam amino yang menyusun pusat aktif;

c) menggambar ligan yang secara spesifik dapat berinteraksi dengan situs aktif protein. Tunjukkan gugus fungsi yang dapat membentuk ikatan dengan radikal asam amino yang membentuk pusat aktif;

d) menunjukkan jenis ikatan yang timbul antara ligan dan radikal asam amino pusat aktif;

e) menjelaskan kekhususan interaksi protein-ligan berdasarkan apa.

3. Gambar tersebut menunjukkan situs aktif protein dan beberapa ligan.

Tentukan ligan mana yang paling mungkin berinteraksi dengan situs aktif protein dan alasannya.

Jenis ikatan apa yang timbul selama pembentukan kompleks protein-ligan?

4. Analog struktural ligan protein alami dapat digunakan sebagai obat untuk memodifikasi aktivitas protein.

Asetilkolin adalah mediator transmisi eksitasi pada sinapsis neuromuskular. Ketika asetilkolin berinteraksi dengan protein - reseptor membran postsinaptik otot rangka, saluran ion terbuka dan terjadi kontraksi otot. Ditilin adalah obat yang digunakan dalam beberapa operasi untuk mengendurkan otot, karena mengganggu transmisi impuls saraf melalui sinapsis neuromuskular. Jelaskan mekanisme kerja ditilin sebagai pelemas otot. Untuk melakukan ini:

a) tuliskan rumus asetilkolin dan ditilin serta bandingkan strukturnya;

b) mendeskripsikan mekanisme efek relaksasi ditilin.

5. Pada beberapa penyakit, suhu tubuh penderita meningkat, yang dianggap sebagai reaksi perlindungan tubuh. Namun suhu tinggi merusak protein tubuh. Jelaskan mengapa pada suhu di atas 40 °C fungsi protein terganggu dan timbul ancaman bagi kehidupan manusia. Untuk melakukan ini, ingatlah:

1) Struktur protein dan ikatan yang menjaga strukturnya dalam konformasi asli;

2) Bagaimana struktur dan fungsi protein berubah seiring dengan meningkatnya suhu?;

3) Apa itu homeostatis dan mengapa penting untuk menjaga kesehatan manusia.

Unit modular 2 PROTEIN OLIGOMERICK SEBAGAI TARGET PENGARUH REGULASI. KEANEKARAGAMAN STRUKTURAL DAN FUNGSIONAL PROTEIN. METODE PEMISAHAN DAN PEMURNIKAN PROTEIN

Tujuan pembelajaran Mampu:

1. Menggunakan pengetahuan tentang ciri-ciri struktur dan fungsi protein oligomer untuk memahami mekanisme adaptif pengaturan fungsinya.

2. Jelaskan peran pendamping dalam sintesis dan pemeliharaan konformasi protein dalam kondisi seluler.

3. Menjelaskan keragaman manifestasi kehidupan melalui keragaman struktur dan fungsi protein yang disintesis dalam tubuh.

4. Menganalisis hubungan antara struktur protein dan fungsinya menggunakan contoh perbandingan hemoprotein terkait - mioglobin dan hemoglobin, serta perwakilan dari lima kelas protein dari keluarga imunoglobulin.

5. Menerapkan pengetahuan tentang kekhasan sifat fisik dan kimia protein untuk memilih metode pemurniannya dari protein dan pengotor lain.

6. Menafsirkan hasil komposisi kuantitatif dan kualitatif protein plasma darah untuk memastikan atau memperjelas diagnosis klinis.

Tahu:

1. Ciri-ciri struktur protein oligomer dan mekanisme adaptif untuk mengatur fungsinya menggunakan contoh hemoglobin.

2. Struktur dan fungsi pendamping dan pentingnya menjaga konformasi asli protein dalam kondisi seluler.

3. Prinsip penggabungan protein ke dalam famili berdasarkan kesamaan konformasi dan fungsinya dengan menggunakan contoh imunoglobulin.

4. Cara pemisahan protein berdasarkan ciri-ciri sifat fisikokimianya.

5. Elektroforesis plasma darah sebagai metode untuk menilai komposisi protein secara kualitatif dan kuantitatif.

TOPIK 1.4. FITUR STRUKTUR DAN FUNGSI PROTEIN OLIGOMER MENGGUNAKAN CONTOH HEMOGLOBIN

1. Banyak protein mengandung beberapa rantai polipeptida. Protein seperti ini disebut oligomer, dan rantai individu - protomer. Protomer dalam protein oligomer dihubungkan oleh banyak ikatan non-kovalen lemah (hidrofobik, ionik, hidrogen). Interaksi

protomer dilakukan berkat komplementaritas permukaan kontak mereka.

Jumlah protomer dalam protein oligomer dapat sangat bervariasi: hemoglobin mengandung 4 protomer, enzim aspartat aminotransferase memiliki 12 protomer, dan protein virus mosaik tembakau mengandung 2.120 protomer yang dihubungkan melalui ikatan non-kovalen. Akibatnya, protein oligomer dapat memiliki berat molekul yang sangat tinggi.

Interaksi satu protomer dengan protomer lainnya dapat dianggap sebagai kasus khusus interaksi protein-ligan, karena setiap protomer berfungsi sebagai ligan bagi protomer lainnya. Jumlah dan cara bergabungnya protomer dalam suatu protein disebut struktur protein kuaterner.

Protein dapat mengandung protomer dengan struktur yang sama atau berbeda, misalnya homodimer adalah protein yang mengandung dua protomer identik, dan heterodimer adalah protein yang mengandung dua protomer berbeda.

Jika protein mengandung protomer yang berbeda, maka pusat pengikatan dengan ligan berbeda yang strukturnya berbeda dapat terbentuk pada protein tersebut. Ketika ligan berikatan dengan situs aktif, fungsi protein ini terwujud. Pusat yang terletak pada protomer berbeda disebut alosterik (berbeda dengan protomer aktif). Menghubungi ligan atau efektor alosterik, ia melakukan fungsi pengaturan (Gbr. 1.18). Interaksi pusat alosterik dengan efektor menyebabkan perubahan konformasi pada struktur seluruh protein oligomer karena labilitas konformasinya. Hal ini mempengaruhi afinitas situs aktif untuk ligan tertentu dan mengatur fungsi protein tersebut. Perubahan konformasi dan fungsi semua protomer selama interaksi protein oligomer dengan setidaknya satu ligan disebut perubahan konformasi kooperatif. Efektor yang meningkatkan fungsi protein disebut aktivator, dan efektor yang menghambat fungsinya -

penghambat.

Jadi, protein oligomer, serta protein dengan struktur domain, memiliki sifat baru dibandingkan dengan protein monomer - kemampuan untuk mengatur fungsi secara alosterik (regulasi dengan menempelkan ligan berbeda ke protein). Hal ini dapat dilihat dengan membandingkan struktur dan fungsi dua protein kompleks yang berkaitan erat, mioglobin dan hemoglobin.

Beras. 1.18. Skema struktur protein dimer

2. Pembentukan struktur spasial dan fungsi mioglobin.

Mioglobin (Mb) adalah protein yang terdapat pada otot merah, yang fungsi utamanya adalah menciptakan cadangan O2 yang diperlukan untuk kerja otot yang intens. Mb adalah protein kompleks yang mengandung bagian protein - apoMb dan bagian non-protein - heme. Struktur utama apoMB menentukan konformasi globular kompaknya dan struktur pusat aktif, tempat melekatnya bagian non-protein mioglobin, heme. Oksigen yang berasal dari darah ke otot berikatan dengan heme Fe+2 di mioglobin. Mb merupakan protein monomer yang memiliki afinitas sangat tinggi terhadap O 2, sehingga pelepasan oksigen oleh mioglobin hanya terjadi selama kerja otot yang intens, ketika tekanan parsial O 2 menurun tajam. Pada otot merah, struktur utama MV, diwakili oleh urutan spesifik 153 residu asam amino, disintesis pada ribosom selama translasi. Struktur sekunder Mb mengandung delapan heliks α, yang disebut dengan huruf Latin dari A sampai H, di antaranya terdapat daerah non-heliks. Struktur tersier Mb berbentuk globul padat, di dalam ceruknya terdapat pusat aktif antara heliks F dan E (Gbr. 1.19).

Beras. 1.19. Struktur mioglobin

3. Ciri-ciri struktur dan fungsi pusat aktif MV. Pusat aktif Mb dibentuk terutama oleh radikal asam amino hidrofobik, yang berjarak jauh satu sama lain dalam struktur primer (misalnya, Tri 3 9 dan Fen 138) Ligan yang sukar larut dalam air - heme dan O 2 - menempel pada pusat aktif. Heme adalah ligan spesifik apoMB (Gbr. 1.20), yang dasarnya terdiri dari empat cincin pirol yang dihubungkan oleh jembatan metenil; di tengahnya terdapat atom Fe+ 2 yang terhubung ke atom nitrogen pada cincin pirol melalui empat ikatan koordinasi. Di pusat aktif Mb, selain radikal asam amino hidrofobik, juga terdapat residu dua asam amino dengan radikal hidrofilik - Gis E 7(Gis 64) dan

GIS F 8

(93 miliknya) (Gbr. 1.21).

Beras. 1.20. Struktur heme - bagian non-protein dari mioglobin dan hemoglobin

Gis E 7 Beras. 1.21. Lokasi heme dan O 2 di situs aktif apomioglobin dan protomer hemoglobin Heme adalah ligan spesifik apoMB (Gbr. 1.20), yang dasarnya terdiri dari empat cincin pirol yang dihubungkan oleh jembatan metenil; Heme terikat secara kovalen ke F8-Nya melalui atom besi. O 2 menempel pada besi di sisi lain bidang heme. E 7-nya diperlukan untuk orientasi O 2 yang benar dan memfasilitasi penambahan oksigen ke Fe + 2 heme

membentuk ikatan koordinasi dengan Fe+ 2 dan mengikat heme dengan kuat di pusat aktif.

diperlukan untuk orientasi yang benar di pusat aktif ligan lain - O 2 selama interaksinya dengan Fe + 2 heme. Lingkungan mikro heme menciptakan kondisi pengikatan O2 ke Fe+2 yang kuat namun reversibel dan mencegah air memasuki situs aktif hidrofobik, yang dapat menyebabkan oksidasi menjadi Fe+3.- keluarga protein, seperti mioglobin, yang berhubungan dengan protein kompleks (hemoprotein). Mereka memiliki struktur tetramerik dan mengandung dua rantai α, tetapi berbeda dalam struktur dua rantai polipeptida lainnya (rantai 2α-, 2x). Struktur rantai polipeptida kedua menentukan ciri-ciri fungsi bentuk Hb ini. Sekitar 98% hemoglobin dalam sel darah merah orang dewasa adalah hemoglobin A(rantai 2α-, 2p).

Selama perkembangan janin, ada dua jenis utama hemoglobin yang berfungsi: Hb embrionik(2α, 2ε), yang ditemukan pada tahap awal perkembangan janin, dan hemoglobin F (janin)- (2α, 2γ), yang menggantikan hemoglobin janin awal pada bulan keenam perkembangan intrauterin dan hanya setelah lahir digantikan oleh Hb A.

Hb A adalah protein yang berhubungan dengan mioglobin (Mb) yang ditemukan pada sel darah merah dewasa. Struktur masing-masing protomernya mirip dengan mioglobin. Struktur sekunder dan tersier dari protomer mioglobin dan hemoglobin sangat mirip, meskipun faktanya dalam struktur primer rantai polipeptidanya hanya 24 residu asam amino yang identik (struktur sekunder protomer hemoglobin, seperti mioglobin, mengandung delapan heliks α, ditunjuk dengan huruf latin dari A sampai H , dan struktur tersiernya berbentuk bola kompak). Namun berbeda dengan mioglobin, hemoglobin memiliki struktur oligomer, terdiri dari empat rantai polipeptida yang dihubungkan melalui ikatan non-kovalen (Gambar 1.22).

Setiap protomer Hb dikaitkan dengan bagian non-protein - heme dan protomer tetangganya. Hubungan bagian protein Hb dengan heme mirip dengan mioglobin: pada pusat aktif protein, bagian hidrofobik heme dikelilingi oleh radikal asam amino hidrofobik kecuali His F 8 dan His E 7, yang terletak di kedua sisi bidang heme dan memainkan peran serupa dalam fungsi protein dan pengikatannya dengan oksigen (lihat struktur mioglobin).

Beras. 1.22. Struktur oligomer hemoglobin

Di samping itu, Heme adalah ligan spesifik apoMB (Gbr. 1.20), yang dasarnya terdiri dari empat cincin pirol yang dihubungkan oleh jembatan metenil; melakukan hal yang penting peran tambahan dalam berfungsinya Nv. Heme bebas memiliki afinitas 25.000 kali lebih tinggi terhadap CO dibandingkan O2.

5. Fungsi utama HB adalah mengangkut O2 dari paru-paru ke jaringan. Berbeda dengan mioglobin monomer, yang memiliki afinitas sangat tinggi terhadap O2 dan berfungsi menyimpan oksigen di otot merah, struktur oligomer hemoglobin menyediakan:

1) cepat saturasi HB dengan oksigen di paru-paru;

2) kemampuan HB melepaskan oksigen dalam jaringan pada tekanan parsial O 2 yang relatif tinggi (20-40 mm Hg);

3) kemungkinan mengatur afinitas Hb terhadap O2.

6. Perubahan kooperatif dalam konformasi protomer hemoglobin mempercepat pengikatan O2 di paru-paru dan pelepasannya ke jaringan. Di paru-paru, tekanan parsial O2 yang tinggi mendorong pengikatannya dengan Hb di situs aktif empat protomer (2α dan 2β). Pusat aktif setiap protomer, seperti pada mioglobin, terletak di antara dua heliks α (F dan E) dalam kantong hidrofobik. Ini mengandung bagian non-protein - heme, melekat pada bagian protein melalui banyak interaksi hidrofobik lemah dan satu ikatan kuat antara Fe 2 + heme dan His F 8 (lihat Gambar 1.21).

Dalam deoksihemoglobin, karena hubungan dengan F 8 His, atom Fe 2+ menonjol dari bidang heme menuju histidin. Pengikatan O 2 ke Fe 2 + terjadi di sisi lain heme di wilayah His E 7 menggunakan ikatan koordinasi bebas tunggal. E 7 miliknya memberikan kondisi optimal untuk pengikatan O 2 ke besi heme.

Penambahan O2 pada atom Fe+2 dari salah satu protomer menyebabkan pergerakannya ke bidang heme, diikuti oleh residu histidin yang terkait dengannya.

Beras. 1.23. Perubahan konformasi protomer hemoglobin bila dikombinasikan dengan O2

Hal ini menyebabkan perubahan konformasi semua rantai polipeptida karena labilitas konformasinya. Mengubah konformasi rantai lain memfasilitasi interaksinya dengan molekul O2 berikutnya.

Molekul O2 keempat menempel pada hemoglobin 300 kali lebih mudah daripada molekul pertama (Gbr. 1.24).

Beras. 1.24. Perubahan kooperatif dalam konformasi protomer hemoglobin selama interaksinya dengan O2

Dalam jaringan, setiap molekul O2 berikutnya lebih mudah dibelah daripada molekul sebelumnya, juga karena perubahan kooperatif dalam konformasi protomer.

7. CO 2 dan H+, yang terbentuk selama katabolisme zat organik, mengurangi afinitas hemoglobin terhadap O 2 sebanding dengan konsentrasinya. Energi yang dibutuhkan untuk fungsi sel diproduksi terutama di mitokondria selama oksidasi zat organik menggunakan O2 yang dikirim dari paru-paru melalui hemoglobin. Sebagai hasil oksidasi zat organik, produk akhir penguraiannya terbentuk: CO 2 dan K 2 O, yang jumlahnya sebanding dengan intensitas proses oksidasi yang sedang berlangsung.

CO 2 berdifusi dari sel ke dalam darah dan menembus ke dalam sel darah merah, di mana, di bawah aksi enzim karbanhidrase, CO2 diubah menjadi asam karbonat. Asam lemah ini terdisosiasi menjadi proton dan ion bikarbonat.

H+ mampu bergabung dengan radikal-radikalnya 14 6 dalam rantai α- dan β hemoglobin, mis. di daerah yang jauh dari heme. Protonasi hemoglobin mengurangi afinitasnya terhadap O2, mendorong pembuangan O2 dari oksiHb, pembentukan deoksiHb, dan meningkatkan suplai oksigen ke jaringan sebanding dengan jumlah proton yang terbentuk (Gbr. 1.25).

Peningkatan jumlah oksigen yang dilepaskan tergantung pada peningkatan konsentrasi H+ dalam sel darah merah disebut efek Bohr (dinamai menurut ahli fisiologi Denmark Christian Bohr, yang pertama kali menemukan efek ini).

Di paru-paru, tekanan parsial oksigen yang tinggi mendorong pengikatannya dengan deoksiHb, yang mengurangi afinitas protein terhadap H+. Proton yang dilepaskan di bawah pengaruh asam karbonat bereaksi dengan bikarbonat membentuk CO 2 dan H 2 O

Beras. 1.25. Ketergantungan afinitas Hb terhadap O 2 pada konsentrasi CO 2 dan proton (efek Bohr):

A- pengaruh konsentrasi CO 2 dan H+ terhadap pelepasan O 2 dari kompleks dengan HB (efek Bohr); B- oksigenasi deoksihemoglobin di paru-paru, pembentukan dan pelepasan CO2.

CO 2 yang dihasilkan memasuki ruang alveolar dan dikeluarkan bersama udara yang dihembuskan. Dengan demikian, jumlah oksigen yang dilepaskan oleh hemoglobin dalam jaringan diatur oleh produk katabolisme zat organik: semakin intens pemecahan zat, misalnya selama latihan fisik, semakin tinggi konsentrasi CO 2 dan H + serta semakin banyak oksigen. jaringan menerima sebagai akibat dari penurunan afinitas Hb terhadap O2.

8. Regulasi alosterik afinitas Hb terhadap O2 oleh ligan - 2,3-bifosfogliserat. Dalam eritrosit, ligan alosterik hemoglobin, 2,3-bifosfogliserat (2,3-BPG), disintesis dari produk oksidasi glukosa - 1,3-bifosfogliserat. Dalam kondisi normal, konsentrasi 2,3-BPG tinggi dan sebanding dengan konsentrasi Hb. 2,3-BPG memiliki muatan negatif kuat -5.

Bifosfogliserat di kapiler jaringan, berikatan dengan deoksihemoglobin, meningkatkan pelepasan oksigen ke jaringan, mengurangi afinitas Hb terhadap O2.

Di tengah molekul hemoglobin tetramerik terdapat rongga. Ini dibentuk oleh residu asam amino dari keempat protomer (lihat Gambar 1.22). Di kapiler jaringan, protonasi Hb (efek Bohr) menyebabkan putusnya ikatan antara besi heme dan O2. Dalam sebuah molekul

deoksihemoglobin, dibandingkan dengan oksihemoglobin, timbul ikatan ion tambahan yang menghubungkan protomer, akibatnya dimensi rongga pusat meningkat dibandingkan dengan oksihemoglobin. Rongga sentral merupakan tempat melekatnya 2,3-BPG pada hemoglobin. Karena perbedaan ukuran rongga tengah, 2,3-BPG hanya dapat menempel pada deoksihemoglobin.

2,3-BPG berinteraksi dengan hemoglobin di tempat yang jauh dari pusat aktif protein dan termasuk dalam alosterik ligan (pengaturan), dan rongga tengah Hb adalah pusat alosterik. 2,3-BPG memiliki muatan negatif yang kuat dan berinteraksi dengan lima gugus bermuatan positif dari dua rantai β Hb: gugus N-terminal α-amino dari Val dan radikal Lys 82 His 143 (Gbr. 1.26).

Beras. 1.26. BPG di rongga tengah deoksihemoglobin

BPG berikatan dengan tiga gugus bermuatan positif pada setiap untai β.

Dalam kapiler jaringan, deoksihemoglobin yang dihasilkan berinteraksi dengan 2,3-BPG dan ikatan ionik terbentuk antara radikal rantai β bermuatan positif dan ligan bermuatan negatif, yang mengubah konformasi protein dan mengurangi afinitas Hb terhadap O2. . Penurunan afinitas Hb terhadap O 2 mendorong pelepasan O 2 yang lebih efisien ke dalam jaringan.

Di paru-paru, pada tekanan parsial tinggi, oksigen berinteraksi dengan Hb, bergabung dengan besi heme; dalam hal ini, konformasi protein berubah, rongga pusat berkurang dan 2,3-BPG dipindahkan dari pusat alosterik

Dengan demikian, protein oligomer memiliki sifat baru dibandingkan dengan protein monomer. Perlekatan ligan di situs

berjauhan secara spasial satu sama lain (alosterik), dapat menyebabkan perubahan konformasi pada seluruh molekul protein. Akibat interaksi dengan ligan pengatur, terjadi perubahan konformasi dan adaptasi fungsi molekul protein terhadap perubahan lingkungan.

TOPIK 1.5. PEMELIHARAAN KONFORMASI ASLI PROTEIN DALAM KONDISI SEL

Dalam sel, selama sintesis rantai polipeptida, pengangkutannya melalui membran ke bagian sel yang sesuai, selama proses pelipatan (pembentukan konformasi asli) dan selama perakitan protein oligomer, serta selama fungsinya, zat antara , konformasi yang rawan agregasi dan tidak stabil muncul dalam struktur protein. Radikal hidrofobik, biasanya tersembunyi di dalam molekul protein dalam konformasi asli, muncul di permukaan dalam konformasi tidak stabil dan cenderung bergabung dengan kelompok protein lain yang sulit larut dalam air. Protein khusus telah ditemukan dalam sel semua organisme yang diketahui yang memastikan pelipatan protein sel secara optimal, menstabilkan konformasi aslinya selama berfungsi dan, yang paling penting, mempertahankan struktur dan fungsi protein intraseluler ketika homeostasis terganggu. Protein-protein ini disebut "pendamping" yang berarti "pengasuh" dalam bahasa Perancis.

1. Pendamping molekuler dan perannya dalam mencegah denaturasi protein.

Pendamping (CH) diklasifikasikan menurut massa subunitnya. Pendamping dengan berat molekul tinggi memiliki massa 60 hingga 110 kDa. Diantaranya, tiga kelas yang paling banyak dipelajari: Sh-60, Sh-70 dan Sh-90. Setiap kelas mencakup keluarga protein terkait. Jadi, Sh-70 mencakup protein dengan berat molekul 66 hingga 78 kDa. Pendamping dengan berat molekul rendah memiliki berat molekul 40 hingga 15 kDa.

Di antara para pendamping ada pokok protein, sintesis basalnya yang tinggi tidak bergantung pada efek stres pada sel-sel tubuh, dan dapat diinduksi, sintesisnya lemah dalam kondisi normal, tetapi meningkat tajam di bawah tekanan. Pendamping yang dapat diinduksi juga disebut “protein kejutan panas” karena pertama kali ditemukan dalam sel yang terkena suhu tinggi. Dalam sel, karena konsentrasi protein yang tinggi, reaktivasi spontan protein yang terdenaturasi sebagian menjadi sulit. Sh-70 dapat mencegah timbulnya denaturasi dan membantu mengembalikan konformasi asli protein. Pendamping molekuler-70- kelas protein yang sangat terkonservasi yang ditemukan di semua bagian sel: sitoplasma, nukleus, retikulum endoplasma, mitokondria. Pada ujung karboksil rantai polipeptida tunggal Ш-70 terdapat daerah berupa alur yang mampu berinteraksi dengan peptida yang panjangnya

dari 7 hingga 9 residu asam amino yang diperkaya dengan radikal hidrofobik. Daerah seperti itu pada protein globular terdapat kira-kira setiap 16 asam amino. Sh-70 mampu melindungi protein dari inaktivasi suhu dan memulihkan konformasi serta aktivitas protein yang terdenaturasi sebagian.

2. Peran pendamping dalam pelipatan protein. Selama sintesis protein di ribosom, daerah terminal-N dari polipeptida disintesis sebelum terminal-C. Untuk membentuk konformasi asli, diperlukan rangkaian asam amino lengkap dari protein. Dalam proses sintesis protein, pendamping-70 karena struktur pusat aktifnya mampu menutup area polipeptida yang rentan agregasi, diperkaya dengan radikal asam amino hidrofobik hingga sintesis selesai (Gambar 1.27, A ).

Beras. 1.27. Partisipasi pendamping dalam pelipatan protein

A - partisipasi pendamping-70 dalam pencegahan interaksi hidrofobik antara bagian polipeptida yang disintesis; B - pembentukan konformasi asli protein di kompleks pendamping

Banyak protein dengan berat molekul tinggi yang memiliki konformasi kompleks, seperti struktur domain, terlipat dalam ruang khusus yang dibentuk oleh Sh-60. Sh-60 berfungsi sebagai kompleks oligomer yang terdiri dari 14 subunit. Mereka membentuk dua cincin berongga, yang masing-masing terdiri dari tujuh subunit, cincin ini terhubung satu sama lain. Setiap subunit Sh-60 terdiri dari tiga domain: apikal (apikal), diperkaya dengan radikal hidrofobik yang menghadap rongga cincin, perantara dan khatulistiwa (Gbr. 1.28).

Beras. 1.28. Struktur kompleks pendamping terdiri dari 14 Ш-60

A - tampak samping; B - tampilan atas

Protein yang disintesis, yang memiliki unsur-unsur pada permukaan yang merupakan karakteristik molekul yang tidak terlipat, khususnya radikal hidrofobik, memasuki rongga cincin pendamping. Dalam lingkungan spesifik rongga-rongga ini, kemungkinan konformasi dihitung sampai satu-satunya konformasi yang paling disukai secara energetik ditemukan (Gbr. 1.27, B). Pembentukan konformasi dan pelepasan protein disertai dengan hidrolisis ATP di daerah ekuator. Biasanya, pelipatan yang bergantung pada pendamping membutuhkan banyak energi.

Selain berpartisipasi dalam pembentukan struktur tiga dimensi protein dan renativasi protein yang terdenaturasi sebagian, pendamping juga diperlukan untuk terjadinya proses mendasar seperti perakitan protein oligomer, pengenalan dan pengangkutan protein terdenaturasi ke dalam lisosom, pengangkutan protein melintasi membran, dan partisipasi dalam pengaturan aktivitas kompleks protein.

TOPIK 1.6. VARIETAS PROTEIN. KELUARGA PROTEIN: CONTOH IMUNOGLOBULIN

1. Protein memainkan peran penting dalam kehidupan sel individu dan seluruh organisme multiseluler, dan fungsinya sangat beragam. Hal ini ditentukan oleh karakteristik struktur primer dan konformasi protein, struktur unik pusat aktif dan kemampuan mengikat ligan tertentu.

Hanya sebagian kecil dari semua kemungkinan varian rantai peptida yang dapat mengadopsi struktur spasial yang stabil; mayoritas

diantaranya dapat mengambil banyak konformasi dengan energi Gibbs yang kira-kira sama, tetapi dengan sifat yang berbeda. Struktur utama dari sebagian besar protein yang diketahui, dipilih melalui evolusi biologis, memastikan stabilitas luar biasa dari salah satu konformasi, yang menentukan karakteristik fungsi protein ini.

2. Keluarga protein. Dalam spesies biologis yang sama, substitusi residu asam amino dapat menyebabkan munculnya protein berbeda yang menjalankan fungsi terkait dan memiliki rangkaian asam amino homolog. Protein terkait tersebut memiliki konformasi yang sangat mirip: jumlah dan posisi relatif heliks α dan/atau struktur β, sebagian besar putaran dan lengkungan rantai polipeptida serupa atau identik. Protein dengan daerah rantai polipeptida homolog, konformasi serupa dan fungsi terkait diklasifikasikan ke dalam keluarga protein. Contoh keluarga protein: proteinase serin, keluarga imunoglobulin, keluarga mioglobin.

Proteinase serin- keluarga protein yang menjalankan fungsi enzim proteolitik. Ini termasuk enzim pencernaan - chymotrypsin, trypsin, elastase dan banyak faktor pembekuan darah. Protein ini memiliki asam amino yang identik pada 40% posisinya dan konformasi yang sangat mirip (Gbr. 1.29).

Beras. 1.29. Struktur spasial elastase (A) dan kimotripsin (B)

Beberapa substitusi asam amino telah menyebabkan perubahan spesifisitas substrat protein ini dan munculnya keragaman fungsional dalam famili tersebut.

3. Keluarga imunoglobulin. Dalam berfungsinya sistem kekebalan tubuh, protein dari superfamili imunoglobulin memainkan peran besar, yang mencakup tiga keluarga protein:

Antibodi (imunoglobulin);

Reseptor limfosit T;

Protein dari kompleks histokompatibilitas utama - MHC kelas 1 dan 2 (Kompleks Histokompatibilitas Utama).

Semua protein ini memiliki struktur domain, terdiri dari domain mirip imun yang homolog dan melakukan fungsi serupa: mereka berinteraksi dengan struktur asing, baik yang terlarut dalam darah, getah bening atau cairan antar sel (antibodi), atau terletak di permukaan sel (milik atau luar negeri).

4. Antibodi- protein spesifik yang diproduksi oleh limfosit B sebagai respons terhadap masuknya struktur asing ke dalam tubuh, disebut antigen.

Fitur struktur antibodi

Molekul antibodi paling sederhana terdiri dari empat rantai polipeptida: dua rantai ringan identik - L, mengandung sekitar 220 asam amino, dan dua rantai berat identik - H, terdiri dari 440-700 asam amino. Keempat rantai dalam molekul antibodi dihubungkan oleh banyak ikatan non-kovalen dan empat ikatan disulfida (Gbr. 1.30).

Rantai ringan antibodi terdiri dari dua domain: domain variabel (VL), yang terletak di wilayah terminal-N rantai polipeptida, dan domain konstan (CL), yang terletak di terminal-C. Rantai berat biasanya memiliki empat domain: satu variabel (VH), terletak di ujung N, dan tiga domain konstan (CH1, CH2, CH3) (lihat Gambar 1.30). Setiap domain imunoglobulin memiliki superstruktur lembaran β di mana dua residu sistein dihubungkan oleh ikatan disulfida.

Di antara dua domain konstan CH1 dan CH2 terdapat wilayah yang mengandung sejumlah besar residu prolin, yang mencegah pembentukan struktur sekunder dan interaksi rantai H yang berdekatan di segmen ini. Daerah engsel ini memberikan fleksibilitas molekul antibodi. Di antara domain variabel rantai berat dan ringan terdapat dua situs pengikatan antigen yang identik (situs aktif untuk mengikat antigen), oleh karena itu antibodi semacam itu sering disebut bivalen. Tidak seluruh rangkaian asam amino dari daerah variabel kedua rantai terlibat dalam pengikatan antigen ke antibodi, tetapi hanya 20-30 asam amino yang terletak di daerah hipervariabel dari setiap rantai. Wilayah inilah yang menentukan kemampuan unik setiap jenis antibodi untuk berinteraksi dengan antigen komplementer terkait.

Antibodi adalah salah satu garis pertahanan tubuh terhadap serangan organisme asing. Fungsinya dapat dibagi menjadi dua tahap: tahap pertama adalah pengenalan dan pengikatan antigen pada permukaan organisme asing, yang dimungkinkan karena adanya situs pengikatan antigen dalam struktur antibodi; tahap kedua adalah permulaan proses inaktivasi dan penghancuran antigen. Spesifisitas tahap kedua bergantung pada kelas antibodi. Ada lima kelas rantai berat yang berbeda satu sama lain dalam struktur domain konstan: α, δ, ε, γ dan μ, yang menurutnya lima kelas imunoglobulin dibedakan: A, D, E, G dan M.

Ciri-ciri struktural rantai berat memberikan daerah engsel dan daerah terminal-C rantai berat suatu karakteristik konformasi dari setiap kelas. Setelah antigen berikatan dengan antibodi, perubahan konformasi dalam domain konstan menentukan jalur penghilangan antigen.

Beras. 1. 30. Struktur domain IgG

Imunoglobulin M

Imunoglobulin M memiliki dua bentuk.

Bentuk monomer- Antibodi kelas 1 yang diproduksi oleh pengembangan limfosit B. Selanjutnya, banyak sel B beralih untuk memproduksi antibodi kelas lain, tetapi dengan tempat pengikatan antigen yang sama. IgM tertanam dalam membran dan bertindak sebagai reseptor pengenalan antigen. Integrasi IgM ke dalam membran sel dimungkinkan karena adanya 25 residu asam amino hidrofobik di daerah ekor.

Bentuk sekretori IgM mengandung lima subunit monomer yang dihubungkan satu sama lain melalui ikatan disulfida dan rantai J polipeptida tambahan (Gbr. 1.31). Rantai berat monomer bentuk ini tidak mengandung ekor hidrofobik. Pentamer memiliki 10 situs pengikatan antigen sehingga efektif dalam mengenali dan menghilangkan antigen yang pertama kali masuk ke dalam tubuh. Bentuk sekretori IgM adalah kelas antibodi utama yang disekresikan ke dalam darah selama respon imun primer. Pengikatan IgM ke antigen mengubah konformasi IgM dan menginduksi pengikatannya pada komponen protein pertama dari sistem komplemen (sistem komplemen adalah sekumpulan protein yang terlibat dalam penghancuran antigen) dan aktivasi sistem ini. Jika antigen terletak pada permukaan suatu mikroorganisme, maka sistem komplemen menyebabkan terganggunya integritas membran sel dan kematian sel bakteri.

Imunoglobulin G

Secara kuantitatif, kelas imunoglobulin ini mendominasi dalam darah (75% dari seluruh Ig). IgG - monomer, kelas utama antibodi yang disekresikan ke dalam darah selama respon imun sekunder. Setelah IgG berinteraksi dengan antigen permukaan mikroorganisme, kompleks antigen-antibodi mampu mengikat dan mengaktifkan protein sistem komplemen atau dapat berinteraksi dengan reseptor spesifik makrofag dan neutrofil. Interaksi dengan fagosit menyebabkan

Beras. 1.31. Struktur bentuk sekretori IgM

untuk penyerapan kompleks antigen-antibodi dan penghancurannya dalam fagosom sel. IgG merupakan satu-satunya golongan antibodi yang mampu menembus penghalang plasenta dan memberikan perlindungan intrauterin pada janin dari infeksi.

Imunoglobulin A

Kelas utama antibodi terdapat dalam sekret (susu, air liur, sekret saluran pernafasan dan saluran usus). IgA disekresi terutama dalam bentuk dimer, di mana monomer dihubungkan satu sama lain melalui rantai J tambahan (Gbr. 1.32).

IgA tidak berinteraksi dengan sistem komplemen dan sel fagosit, tetapi dengan mengikat mikroorganisme, antibodi mencegah perlekatan mereka pada sel epitel dan penetrasi ke dalam tubuh.

Imunoglobulin E

Imunoglobulin E diwakili oleh monomer yang mengandung rantai ε berat, seperti rantai μ imunoglobulin M, satu variabel dan empat domain konstan. Setelah disekresi, IgE berikatan dengannya

Beras. 1.32. Struktur IgA

Daerah terminal-C dengan reseptor yang sesuai pada permukaan sel mast dan basofil. Akibatnya, mereka menjadi reseptor antigen pada permukaan sel tersebut (Gbr. 1.33).

Beras. 1.33. Interaksi IgE dengan antigen pada permukaan sel mast

Setelah antigen menempel pada situs pengikatan antigen IgE yang sesuai, sel menerima sinyal untuk mengeluarkan zat aktif biologis (histamin, serotonin), yang sebagian besar bertanggung jawab untuk perkembangan reaksi inflamasi dan manifestasi reaksi alergi seperti sebagai asma, urtikaria, demam.

Imunoglobulin D

Imunoglobulin D ditemukan dalam jumlah yang sangat kecil dalam serum; Rantai δ berat memiliki satu domain variabel dan tiga domain konstan. IgD bertindak sebagai reseptor untuk limfosit B; fungsi lainnya masih belum diketahui. Interaksi antigen spesifik dengan reseptor pada permukaan limfosit B (IgD) menyebabkan transmisi sinyal-sinyal ini ke dalam sel dan aktivasi mekanisme yang memastikan proliferasi klon limfosit tertentu.

TOPIK 1.7. SIFAT FISIK DAN KIMIA PROTEIN SERTA METODE PEMISAHANNYA

1. Protein individu berbeda dalam sifat fisik dan kimia:

Bentuk molekul;

Berat molekul;

Muatan total, yang besarnya bergantung pada perbandingan gugus asam amino anionik dan kationik;

Rasio radikal asam amino polar dan nonpolar pada permukaan molekul;

Tingkat resistensi terhadap berbagai agen denaturasi.

2. Kelarutan protein tergantung tentang sifat-sifat protein yang disebutkan di atas, serta tentang komposisi media di mana protein dilarutkan (nilai pH, komposisi garam, suhu, keberadaan zat organik lain yang dapat berinteraksi dengan protein). Besarnya muatan molekul protein merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi kelarutannya. Ketika muatan pada titik isoelektrik hilang, protein lebih mudah berkumpul dan mengendap. Hal ini terutama terjadi pada protein terdenaturasi, di mana radikal asam amino hidrofobik muncul di permukaan.

Pada permukaan molekul protein terdapat radikal asam amino bermuatan positif dan negatif. Jumlah gugus ini, dan muatan total protein, bergantung pada pH medium, yaitu. perbandingan konsentrasi gugus H+ - dan OH -. Dalam lingkungan asam Peningkatan konsentrasi H+ menyebabkan penekanan disosiasi gugus karboksil -COO - + H+ > - COOH dan penurunan muatan negatif protein. Dalam lingkungan basa, pengikatan kelebihan OH - oleh proton yang terbentuk selama disosiasi gugus amino -NH 3 + + OH - - NH 2 + H 2 O dengan pembentukan air, menyebabkan penurunan muatan positif protein . Nilai pH dimana suatu protein mempunyai muatan bersih nol disebut titik isoelektrik (IEP). Dalam IET, jumlah gugus bermuatan positif dan negatif adalah sama, yaitu. protein berada dalam keadaan isoelektrik.

3. Pemisahan protein individu. Ciri-ciri struktur dan fungsi tubuh bergantung pada kumpulan protein yang disintesis di dalamnya. Mempelajari struktur dan sifat protein tidak mungkin dilakukan tanpa mengisolasinya dari sel dan memurnikannya dari protein lain dan molekul organik. Tahapan isolasi dan pemurnian protein individu:

Penghancuran sel jaringan yang sedang dipelajari dan memperoleh homogenat.

Pemisahan homogenat menjadi pecahan dengan sentrifugasi, memperoleh fraksi nuklir, mitokondria, sitosol atau lainnya yang mengandung protein yang diinginkan.

Denaturasi termal selektif- pemanasan jangka pendek larutan protein, di mana beberapa pengotor protein yang terdenaturasi dapat dihilangkan (jika protein relatif stabil terhadap panas).

Mengasinkan. Protein yang berbeda mengendap pada konsentrasi garam yang berbeda dalam larutan. Dengan meningkatkan konsentrasi garam secara bertahap, sejumlah fraksi terpisah dapat diperoleh dengan kandungan protein terisolasi yang dominan di salah satunya.

Amonium sulfat paling sering digunakan untuk fraksinasi protein. Protein dengan kelarutan paling kecil akan mengendap pada konsentrasi garam rendah. Filtrasi gel

- metode menyaring molekul melalui butiran Sephadex yang membengkak (rantai polisakarida tiga dimensi dari dekstran yang memiliki pori-pori). Kecepatan protein melewati kolom yang diisi dengan Sephadex akan bergantung pada berat molekulnya: semakin kecil massa molekul protein, semakin mudah mereka menembus ke dalam butiran dan bertahan di sana lebih lama; semakin besar massanya, semakin cepat mereka terelusi dari butiran kolom. Ultrasentrifugasi

- metode yang melibatkan penempatan protein dalam tabung sentrifus ke dalam rotor ultrasentrifugasi. Ketika rotor berputar, laju sedimentasi protein sebanding dengan berat molekulnya: fraksi protein yang lebih berat terletak lebih dekat ke dasar tabung reaksi, fraksi protein yang lebih ringan terletak lebih dekat ke permukaan. Elektroforesis

- metode yang didasarkan pada perbedaan kecepatan pergerakan protein dalam medan listrik. Nilai ini sebanding dengan muatan protein. Elektroforesis protein dilakukan di atas kertas (dalam hal ini kecepatan pergerakan protein hanya sebanding dengan muatannya) atau dalam gel poliakrilamida dengan ukuran pori tertentu (kecepatan pergerakan protein sebanding dengan muatan dan berat molekulnya) .- metode fraksinasi berdasarkan pengikatan gugus protein terionisasi dengan gugus resin penukar ion yang bermuatan berlawanan (bahan polimer tidak larut). Kekuatan pengikatan protein pada resin sebanding dengan muatan protein. Protein yang teradsorpsi pada polimer penukar ion dapat tersapu dengan meningkatnya konsentrasi larutan NaCl; semakin rendah muatan protein, semakin rendah konsentrasi NaCl yang diperlukan untuk menghilangkan protein yang terikat pada gugus ionik resin.

Kromatografi afinitas- metode paling spesifik untuk mengisolasi protein individu. Ligan suatu protein terikat secara kovalen pada polimer inert. Ketika larutan protein dilewatkan melalui kolom dengan polimer, karena pengikatan komplementer protein ke ligan, hanya protein spesifik untuk ligan tertentu yang teradsorpsi pada kolom.

Dialisis- metode yang digunakan untuk menghilangkan senyawa dengan berat molekul rendah dari larutan protein yang diisolasi. Metode ini didasarkan pada ketidakmampuan protein untuk melewati membran semipermeabel, tidak seperti zat dengan berat molekul rendah. Ini digunakan untuk memurnikan protein dari pengotor dengan berat molekul rendah, misalnya garam setelah penggaraman.

TUGAS KERJA EKSTRAKURIKULER

1. Isi tabelnya. 1.4.

Tabel 1.4. Analisis perbandingan struktur dan fungsi protein terkait - mioglobin dan hemoglobin

a) mengingat struktur pusat aktif Mb dan Hb. Apa peran radikal asam amino hidrofobik dalam pembentukan pusat aktif protein ini? Jelaskan struktur pusat aktif Mb dan Hb serta mekanisme perlekatan ligan padanya. Apa peran residu F 8 dan His E 7 dalam berfungsinya pusat aktif Mb dan Hb?

b) sifat baru apa yang dimiliki protein oligomer, hemoglobin, yang berkerabat dekat dengan mioglobin monomer? Jelaskan peran perubahan kooperatif dalam konformasi protomer dalam molekul hemoglobin, pengaruh CO2 dan konsentrasi proton terhadap afinitas hemoglobin terhadap oksigen, serta peran 2,3-BPG dalam regulasi alosterik fungsi Hb .

2. Ciri-ciri pendamping molekuler, dengan memperhatikan hubungan antara struktur dan fungsinya.

3. Protein apa yang dikelompokkan ke dalam keluarga? Dengan menggunakan contoh keluarga imunoglobulin, identifikasi ciri-ciri struktural serupa dan fungsi terkait dari protein keluarga ini.

4. Protein individu yang dimurnikan seringkali diperlukan untuk tujuan biokimia dan pengobatan. Jelaskan sifat fisikokimia protein yang menjadi dasar metode pemisahan dan pemurniannya.

TUGAS PENGENDALIAN DIRI

1. Pilih jawaban yang benar.

Fungsi hemoglobin:

A. Pengangkutan O2 dari paru ke jaringan B. Pengangkutan H+ dari jaringan ke paru

B. Mempertahankan pH darah yang konstan D. Transportasi CO 2 dari paru-paru ke jaringan

D. Transportasi CO 2 dari jaringan ke paru-paru

2. Pilih jawaban yang benar. Liganα -protomer Hb adalah: A.Heme

B.Oksigen

B.CO G.2,3-BPG

D. β-Protomer

3. Pilih jawaban yang benar.

Hemoglobin berbeda dengan mioglobin:

A. Memiliki struktur kuaterner

B. Struktur sekunder hanya diwakili oleh heliks α

B. Milik protein kompleks

D. Berinteraksi dengan ligan alosterik D. Terikat secara kovalen dengan heme

4. Pilih jawaban yang benar.

Afinitas Hb terhadap O2 menurun:

A. Ketika satu molekul O 2 ditambahkan B. Ketika satu molekul O 2 dihilangkan

B. Saat berinteraksi dengan 2,3-BPG

D. Bila dilekatkan pada protomer H + D. Bila konsentrasi 2,3-BPG menurun

5. Cocok.

Tipe HB mempunyai ciri-ciri :

A. Dalam bentuk deoksi membentuk agregat fibrilar B. Berisi dua rantai α- dan dua rantai δ

B. Bentuk Hb yang dominan pada eritrosit dewasa D. Mengandung heme dengan Fe+3 pada pusat aktifnya

D. Berisi dua rantai α- dan dua γ 1. HbA 2.

6. Cocok.

Ligan Hb:

A. Berikatan dengan Hb di pusat alosterik

B. Memiliki afinitas yang sangat tinggi terhadap situs aktif Hb

B. Dengan bergabung, meningkatkan afinitas Hb terhadap O 2 G. Mengoksidasi Fe+ 2 menjadi Fe+ 3

D. Membentuk ikatan kovalen dengan F8 miliknya

7. Pilih jawaban yang benar.

Pendamping:

A. Protein terdapat di seluruh bagian sel

B. Sintesis meningkat di bawah tekanan

B. Berpartisipasi dalam hidrolisis protein terdenaturasi

D. Berpartisipasi dalam mempertahankan konformasi asli protein

D. Mereka menciptakan organel di mana konformasi protein terbentuk.

8. Cocokkan. Imunoglobulin:

A. Bentuk sekretorinya adalah pentamerik.

B. Kelas Ig yang menembus sawar plasenta

B. Ig - reseptor sel mast

D. Kelas utama Ig hadir dalam sekresi sel epitel. D. Reseptor limfosit B, aktivasi yang memastikan proliferasi sel

9. Pilih jawaban yang benar.

Imunoglobulin E:

A. Diproduksi oleh makrofag B. Memiliki rantai ε yang berat.

B. Tertanam dalam membran limfosit T

D. Bertindak sebagai reseptor antigen membran pada sel mast dan basofil

D. Bertanggung jawab atas reaksi alergi

10. Pilih jawaban yang benar.

Metode pemisahan protein didasarkan pada perbedaan berat molekulnya:

A. Filtrasi gel

B. Ultrasentrifugasi

B. Elektroforesis gel poliakrilamida D. Kromatografi penukar ion

D. Kromatografi afinitas

11. Pilih jawaban yang benar.

Metode pemisahan protein didasarkan pada perbedaan kelarutannya dalam air:

A. Filtrasi gel B. Pengasinan

B. Kromatografi penukar ion D. Kromatografi afinitas

D. Elektroforesis dalam gel poliakrilamida

STANDAR JAWABAN TERHADAP “TUGAS PENGENDALIAN DIRI”

1.A,B,C,D

2.A,B,C,D

5. 1-B, 2-A, 3-G

6. 1-B, 2-B, 3-A

7.A,B,D,D

8. 1-G; 2-B, 3-B

SYARAT DAN KONSEP DASAR

1. Protein oligomer, protomer, struktur protein kuaterner

2. Perubahan kooperatif dalam konformasi protomer

3. Efek Bohr

4. Regulasi alosterik fungsi protein, pusat alosterik dan efektor alosterik

5. Pendamping molekuler, protein kejutan panas

6. Keluarga protein (serin protease, imunoglobulin)

7. Hubungan IgM-, G-, E-, A-struktur-fungsi

8. Muatan total protein, titik isoelektrik protein

9. Elektroforesis

10. Pengasinan

11. Filtrasi gel

12. Kromatografi pertukaran ion

13. Ultrasentrifugasi

14. Kromatografi afinitas

15. Elektroforesis protein plasma darah

TUGAS UNTUK PEKERJAAN KELAS

1. Bandingkan ketergantungan derajat kejenuhan hemoglobin (Hb) dan mioglobin (Mb) dengan oksigen terhadap tekanan parsialnya dalam jaringan

Beras. 1.34. Ketergantungan saturasi Mv danNHoksigen dari tekanan parsialnya

Harap dicatat bahwa bentuk kurva saturasi oksigen protein berbeda: untuk mioglobin - hiperbola, untuk hemoglobin - bentuk sigmoid.

1. bandingkan nilai tekanan parsial oksigen dimana Mb dan Hb jenuh dengan O 2 sebesar 50%. Manakah dari protein berikut yang memiliki afinitas lebih tinggi terhadap O2?

2. Ciri-ciri struktural Mb apa yang menentukan afinitasnya yang tinggi terhadap O 2?

3. Ciri struktural HB apa yang memungkinkannya melepaskan O2 di kapiler jaringan istirahat (dengan tekanan parsial O2 yang relatif tinggi) dan secara tajam meningkatkan pelepasan ini pada otot yang bekerja? Sifat protein oligomer apa yang memberikan efek ini?

4. Hitung berapa jumlah O2 (dalam%) hemoglobin teroksigenasi yang diberikan kepada otot istirahat dan bekerja?

5. menarik kesimpulan tentang hubungan antara struktur suatu protein dan fungsinya.

2. Jumlah oksigen yang dilepaskan oleh hemoglobin di kapiler tergantung pada intensitas proses katabolik di jaringan (efek Bohr). Bagaimana perubahan metabolisme jaringan mengatur afinitas Hb terhadap O2? Pengaruh CO 2 dan H+ terhadap afinitas Hb terhadap O 2

1. jelaskan efek Bohr.

2. ke arah mana proses yang ditunjukkan pada diagram berlangsung:

a) di kapiler paru-paru;

b) di kapiler jaringan?

3. Apa arti fisiologis dari efek Bohr?

4. Mengapa interaksi Hb dengan H+ pada lokasi yang jauh dari heme mengubah afinitas protein terhadap O 2?

3. Afinitas Hb terhadap O2 bergantung pada konsentrasi ligannya - 2,3-bifosfogliserat, yang merupakan pengatur alosterik afinitas Hb terhadap O2.

Mengapa interaksi ligan pada lokasi yang jauh dari situs aktif mempengaruhi fungsi protein? Bagaimana 2,3-BPG mengatur afinitas Hb terhadap O2? Untuk mengatasi masalah tersebut, jawablah pertanyaan berikut:

1. di mana dan dari apa 2,3-bifosfogliserat (2,3-BPG) disintesis? Tulis rumusnya, tunjukkan muatan molekul ini.

2. Bentuk hemoglobin (oksi atau deoksi) manakah yang berinteraksi dengan BPG dan mengapa? Di bagian molekul Hb manakah interaksi terjadi?

3. ke arah manakah proses yang ditunjukkan pada diagram berlangsung?

a) di kapiler jaringan;

b) di kapiler paru-paru?

4. dimana konsentrasi kompleks harus lebih tinggi

Nv-2,3-BFG:

a) di kapiler otot saat istirahat,

b) di kapiler otot yang bekerja (asalkan konsentrasi BPG yang sama dalam eritrosit)?

4. 5. Bagaimana afinitas HB terhadap oksigen berubah ketika seseorang beradaptasi dengan kondisi dataran tinggi, jika konsentrasi BPG dalam eritrosit meningkat? Apa signifikansi fisiologis dari fenomena ini?

5. Penghancuran 2,3-BPG selama penyimpanan darah yang diawetkan mengganggu fungsi HB. Bagaimana afinitas HB terhadap O 2 berubah dalam darah yang diawetkan jika konsentrasi 2,3-BPG dalam eritrosit dapat menurun dari 8 menjadi 0,5 mmol/l. Apakah mungkin untuk mentransfusikan darah tersebut ke pasien yang sakit parah jika konsentrasi 2,3-BPG pulih tidak lebih awal dari setelah tiga hari? Apakah mungkin mengembalikan fungsi sel darah merah dengan menambahkan 2,3-BPG ke dalam darah?

Ingat struktur molekul imunoglobulin paling sederhana. Apa peran imunoglobulin dalam sistem kekebalan? Mengapa Ig sering disebut bivalen? Bagaimana hubungan struktur Ig dengan fungsinya? (Jelaskan dengan menggunakan contoh kelas imunoglobulin.)

6. Sifat fisikokimia protein dan metode pemisahannya.

Bagaimana muatan bersih suatu protein mempengaruhi kelarutannya?

a) tentukan muatan total peptida pada pH 7

Ala-Glu-Tre-Pro-Asp-Liz-Cis<7, рН <<7?

b) bagaimana muatan peptida ini berubah pada pH >7, pH

c) berapa titik isoelektrik suatu protein (IEP) dan di lingkungan manakah letaknya?

IET dari peptida ini?

7. d) pada nilai pH berapa kelarutan peptida ini paling kecil akan diamati.

8. Filtrasi gel digunakan untuk memisahkan protein individu. Campuran yang mengandung protein A, B, C dengan berat molekul masing-masing sebesar 160.000, 80.000 dan 60.000, dianalisis dengan filtrasi gel (Gbr. 1.35). Butiran gel yang membengkak dapat ditembus oleh protein dengan berat molekul kurang dari 70.000. Prinsip apa yang mendasari metode pemisahan ini? Grafik manakah yang mencerminkan hasil fraksinasi dengan benar? Tunjukkan urutan pelepasan protein A, B, dan C dari kolom.

Beras. 1.35. Menggunakan Filtrasi Gel untuk Pemisahan Protein

9. Pada Gambar. 1.36, A menunjukkan diagram elektroforesis di atas kertas protein serum darah orang sehat. Jumlah relatif fraksi protein yang diperoleh dengan metode ini adalah: albumin 54-58%, α 1 -globulin 6-7%, α 2 -globulin 8-9%, β-globulin 13%, γ-globulin 11-12% .

Beras. 1.36 Elektroforesis pada kertas protein plasma darah orang sehat (A) dan pasien (B)

I - γ-globulin; II - β-globulin; AKU AKU AKU -α 2 -globulin; IV -α 2 -globulin; V - albumin

Banyak penyakit disertai dengan perubahan kuantitatif komposisi protein serum (disproteinemia). Sifat perubahan ini diperhitungkan saat membuat diagnosis dan menilai tingkat keparahan dan stadium penyakit.

Menggunakan data yang diberikan dalam tabel. 1.5, tebak penyakitnya, yang ditandai dengan profil elektroforesis yang ditunjukkan pada Gambar. 1.36.

Tabel 1.5. Perubahan konsentrasi protein serum pada patologi

P ERVICHNAYA STRUKTURBELKOV

Struktur utama protein membawa informasi tentang struktur spasialnya.

1. Residu asam amino pada rantai peptida protein tidak bergantian secara acak, tetapi tersusun dalam urutan tertentu. Urutan linier residu asam amino dalam rantai polipeptida disebut struktur utama protein.

2. Struktur utama setiap protein individu dikodekan dalam molekul DNA (wilayah yang disebut gen) dan diwujudkan selama transkripsi (menyalin informasi ke mRNA) dan translasi (sintesis rantai peptida).

3. Masing-masing dari 50.000 protein yang dimiliki tubuh manusia unik untuk protein individu tertentu, struktur primer. Semua molekul protein individu (misalnya albumin) memiliki pergantian residu asam amino yang sama, yang membedakan albumin dari protein individu lainnya.

4. Urutan residu asam amino pada rantai peptida dapat dianggap sebagai
formulir masuk

dengan beberapa informasi.

Informasi ini menentukan pelipatan spasial rantai peptida linier panjang menjadi struktur tiga dimensi yang lebih kompak.

KONFORMASIBELKOV

1. Rantai polipeptida linier dari protein individu, karena interaksi gugus fungsi asam amino, memperoleh struktur atau konformasi tiga dimensi spasial tertentu. Dalam protein globular ada
dua tipe utama konformasi rantai peptida: struktur sekunder dan tersier.

SEKUNDERSTRUKTURBELKOV

2. Struktur sekunder protein adalah struktur spasial yang terbentuk sebagai hasil interaksi antar gugus fungsi tulang punggung peptida. Dalam hal ini, rantai peptida dapat memperoleh struktur yang teratur dua jenis:os-spiral Dan struktur-p.

Beras. 1.2. Struktur sekunder protein adalah a-heliks.

Di os-spiral ikatan hidrogen terbentuk antara atom oksigen dari gugus karboksil dan air genus nitrogen Amida dari tulang punggung peptida melalui 4 asam amino; rantai samping residu asam amino terletak di sepanjang pinggiran heliks, tidak ikut serta dalam pembentukan ikatan hidrogen yang membentuk struktur sekunder (Gbr. 1.2).

Residu bervolume besar atau residu dengan muatan tolak menolak yang sama dapat dicegah mendorong pembentukan α-helix.

Residu prolin mengganggu α-heliks karena struktur cincinnya dan ketidakmampuan membentuk ikatan hidrogen karena kurangnya hidrogen pada atom nitrogen dalam rantai peptida.

B-Struktur terbentuk antara daerah linier dari satu rantai polipeptida, membentuk lipatan, atau antara rantai polipeptida yang berbeda. Rantai polipeptida atau bagiannya dapat terbentuk paralel(N- dan C-termini dari rantai peptida yang berinteraksi adalah sama) atau antiparalel(Ujung N dan C dari rantai peptida yang berinteraksi terletak pada arah yang berlawanan) struktur-p(Gbr. 1.3).

DI DALAM Protein juga mengandung daerah dengan struktur sekunder tidak beraturan, yang disebut dalam kusut acak, meskipun struktur ini tidak banyak berubah dari satu molekul protein ke molekul lainnya.

TERSIERSTRUKTURBELKOV

3. Struktur protein tersier adalah struktur spasial tiga dimensi yang terbentuk karena interaksi antara radikal asam amino, yang dapat ditempatkan pada jarak yang cukup jauh satu sama lain dalam rantai peptida.

Beras. 1.3. Antiparalel (struktur beta.)

Radikal asam amino hidrofobik cenderung bergabung dalam struktur globular protein melalui apa yang disebut memandu-interaksi rofobia dan gaya van der Waals antarmolekul, membentuk inti hidrofobik yang padat. Radikal asam amino terionisasi dan non-terionisasi hidrofilik terutama terletak di permukaan protein dan menentukan kelarutannya dalam air.

Asam amino hidrofilik yang terdapat di dalam inti hidrofobik dapat berinteraksi satu sama lain menggunakan ionik Dan ikatan hidrogen(beras. 1.4).

Beras. 1.4. Jenis ikatan yang timbul antara radikal asam amino selama pembentukan struktur tersier suatu protein. 1 - ikatan ionik; 2 - ikatan hidrogen; 3 - interaksi hidrofobik; 4 - ikatan disulfida.

Beras. 1.5. Ikatan disulfida dalam struktur insulin manusia.

Ikatan ionik, hidrogen, dan hidrofobik lemah: energinya tidak jauh lebih tinggi daripada energi gerak termal molekul pada suhu kamar.

Konformasi protein dipertahankan karena munculnya banyak ikatan lemah.

Labilitas konformasi protein adalah kemampuan protein untuk mengalami perubahan kecil dalam konformasi akibat putusnya sebagian protein dan pembentukan ikatan lemah lainnya.

Struktur tersier beberapa protein menjadi stabil ikatan disulfida, terbentuk karena interaksi gugus SH dari dua residu sistein.

Kebanyakan protein intraseluler tidak memiliki ikatan disulfida kovalen. Kehadiran mereka merupakan karakteristik protein yang disekresikan oleh sel; misalnya, ikatan disulfida terdapat dalam molekul insulin dan imunoglobulin.

Insulin- hormon protein yang disintesis dalam sel beta pankreas. Disekresikan oleh sel sebagai respons terhadap peningkatan konsentrasi glukosa dalam darah. Dalam struktur insulin terdapat 2 ikatan disulfida yang menghubungkan 2 rantai polipeptida A dan B, dan 1 ikatan disulfida di dalam rantai A (Gbr. 1.5).

Ciri-ciri struktur sekunder protein mempengaruhi sifat interaksi antarradikal dan struktur tersier.

4. Urutan spesifik tertentu dari pergantian struktur sekunder diamati pada banyak protein dengan struktur dan fungsi berbeda dan disebut struktur supersekunder.

Seperti struktur yang tertata sering disebut dengan motif struktural, yang memiliki nama khusus: “a-helix-turn-a-helix”, “leucine ritsleting”, “seng jari”, “P-struktur barel”, dll.

Berdasarkan keberadaan heliks α dan struktur β, protein globular dapat dibagi menjadi 4 kategori:

1. Kategori pertama mencakup protein yang hanya mengandung heliks α, misalnya mioglobin dan hemoglobin (Gbr. 1.6).

2. Kategori kedua mencakup protein yang mengandung heliks a dan (struktur 3. Dalam hal ini, struktur a dan (3) sering kali membentuk jenis kombinasi yang sama yang ditemukan pada protein individu yang berbeda.

Contoh. Struktur supersekunder tipe P-barrel.

Enzim triosephosphate isomerase mempunyai struktur supersekunder tipe P-barrel, dimana masing-masing (3-struktur terletak di dalam P-barrel dan berhubungan dengan daerah heliks α dari polipeptida.rantai yang terletak di permukaan molekul (Gbr. 1.7, A).

Beras. 1.7. Struktur supersekunder tipe p-barel.

a - isomerase triosefosfat; b - domain Piru Vatka Naziy.

Struktur supersekunder yang sama ditemukan di salah satu domain molekul enzim piruvat kinase (Gbr. 1.7, b). Domain adalah bagian dari molekul yang strukturnya menyerupai protein globular independen.

Contoh lain terbentuknya struktur supersekunder yang memiliki struktur P dan os-heliks. Pada salah satu domain laktat dehidrogenase (LDH) dan fosfogliserat kinase, struktur P rantai polipeptida terletak di tengah dalam bentuk lembaran bengkok, dan setiap struktur P berasosiasi dengan daerah heliks α yang terletak pada permukaan molekul (Gbr. 1.8).

Beras. 1.8. Struktur sekunder, karakteristik banyak fer- polisi.

A-domain dehidrogenase laktat; B- domain fosfogliserat kinase.

3. Kategori ketiga meliputi protein yang memiliki hanya mengandung struktur p sekunder. Struktur seperti itu ditemukan pada imunoglobulin, pada enzim superoksida dismutase (Gbr. 1.9).

Beras. 1.9. Struktur sekunder dari domain konstan imunoglobulin (A)

dan enzim superoksida dismutase (B).

4. Kategori keempat mencakup protein yang hanya mengandung sejumlah kecil struktur sekunder biasa. Protein ini termasuk protein kecil yang kaya sistin atau metaloprotein.

Protein pengikat DNA mempunyai tipe struktur supersekunder yang umum: "os-helix-turn-os-helix", "ritsleting leusin", "seng-jarimu." Protein pengikat DNA mengandung situs pengikatan yang melengkapi wilayah DNA dengan urutan nukleotida tertentu. Protein ini terlibat dalam regulasi aksi gen.

« A- Spiral—putar—spiral"

Beras. 1.10. Menghubungkan sekolah menengah atas

struktur “a-helix-turn-a-helix”.

di alur utama D

Motif struktural ini mencakup 2 heliks: yang satu lebih pendek, yang lain lebih panjang, dihubungkan oleh putaran rantai polipeptida (Gbr. 1.10).

α-heliks yang lebih pendek terletak di alur DNA, dan α-heliks yang lebih panjang terletak di alur utama, membentuk ikatan spesifik non-kovalen radikal asam amino dengan nukleotida DNA.

Seringkali protein dengan struktur seperti itu membentuk dimer; akibatnya, protein oligomer memiliki 2 struktur supersekunder.

Dua struktur tersebut dapat mengikat DNA di daerah alur utama yang berdekatan

tanpaperubahan signifikan dalam struktur protein.

"jari seng"

“Jari seng” adalah fragmen protein yang mengandung sekitar 20 residu asam amino (Gbr. 1.12).

Atom seng terikat dengan 4 radikal asam amino: 2 residu sistein dan 2 residu histidin.

Dalam beberapa kasus, selain residu histidin, terdapat residu sistein.

protein dalam bentuk “jari seng”.

Wilayah protein ini membentuk α-heliks, yang secara spesifik dapat berikatan dengan wilayah pengatur alur utama DNA.

Protein yang berinteraksi memiliki daerah heliks α yang mengandung setidaknya 4 residu leusin.

Residu leusin terletak 6 asam amino satu sama lain.

Karena setiap putaran α-heliks mengandung residu asam amino 3,6, radikal leusin terletak di permukaan setiap putaran kedua.

Residu leusin dari α-heliks suatu protein dapat berinteraksi dengan residu leusin dari protein lain (interaksi hidrofobik), menghubungkan keduanya (Gbr. 1.13).

Banyak protein pengikat DNA berinteraksi dengan DNA dalam bentuk struktur oligomer, di mana subunitnya dihubungkan satu sama lain melalui “ritsleting leusin”. Contoh protein tersebut adalah histon.

sejarah- protein inti, yang mengandung sejumlah besar asam amino bermuatan positif - arginin dan lisin (hingga 80%).

Molekul histon digabungkan menjadi kompleks oligomer yang mengandung 8 monomer menggunakan “ritsleting leusin”, meskipun molekul ini memiliki muatan positif yang kuat.

Melanjutkan. Semua molekul protein individu, yang memiliki struktur primer yang identik, memperoleh konformasi yang sama dalam larutan.

Dengan demikian, sifat susunan spasial rantai peptida ditentukan oleh asam aminokomposisi dan pergantian residu asam amino dirantai. Akibatnya, konformasi merupakan karakteristik spesifik dari suatu protein individu seperti struktur utamanya.

Tupai- senyawa organik dengan berat molekul tinggi yang terdiri dari residu asam α-amino.

DI DALAM komposisi protein termasuk karbon, hidrogen, nitrogen, oksigen, belerang. Beberapa protein membentuk kompleks dengan molekul lain yang mengandung fosfor, besi, seng, dan tembaga.

Protein memiliki berat molekul besar: albumin telur - 36.000, hemoglobin - 152.000, miosin - 500.000. Sebagai perbandingan: berat molekul alkohol adalah 46, asam asetat - 60, benzena - 78.

Komposisi asam amino protein

Tupai- polimer non-periodik, yang monomernya adalah asam α-amino. Biasanya, 20 jenis asam α-amino disebut monomer protein, meskipun lebih dari 170 di antaranya ditemukan di sel dan jaringan.

Tergantung pada apakah asam amino dapat disintesis dalam tubuh manusia dan hewan lain, ada: asam amino nonesensial- dapat disintesis; asam amino esensial- tidak dapat disintesis. Asam amino esensial harus disuplai ke tubuh melalui makanan. Tumbuhan mensintesis semua jenis asam amino.

Tergantung pada komposisi asam aminonya, protein adalah: lengkap- mengandung seluruh rangkaian asam amino; cacat- beberapa asam amino hilang dalam komposisinya. Jika protein hanya terdiri dari asam amino, maka disebut sederhana. Jika protein mengandung, selain asam amino, komponen non-asam amino (gugus prostetik), maka disebut kompleks. Gugus prostetik dapat diwakili oleh logam (metaloprotein), karbohidrat (glikoprotein), lipid (lipoprotein), asam nukleat (nukleoprotein).

Semua mengandung asam amino: 1) gugus karboksil (-COOH), 2) gugus amino (-NH 2), 3) radikal atau gugus R (sisa molekul). Struktur radikal berbeda untuk berbagai jenis asam amino. Tergantung pada jumlah gugus amino dan gugus karboksil yang termasuk dalam asam amino, mereka dibedakan: asam amino netral memiliki satu gugus karboksil dan satu gugus amino; asam amino basa memiliki lebih dari satu gugus amino; asam amino yang bersifat asam mempunyai lebih dari satu gugus karboksil.

Asam amino adalah senyawa amfoter, karena dalam larutan mereka dapat bertindak sebagai asam dan basa. Dalam larutan air, asam amino ada dalam bentuk ionik yang berbeda.

Ikatan peptida

Peptida- zat organik yang terdiri dari residu asam amino yang dihubungkan oleh ikatan peptida.

Pembentukan peptida terjadi sebagai akibat dari reaksi kondensasi asam amino. Ketika gugus amino dari satu asam amino berinteraksi dengan gugus karboksil asam amino lainnya, terjadi ikatan kovalen nitrogen-karbon di antara keduanya, yang disebut peptida. Tergantung pada jumlah residu asam amino yang termasuk dalam peptida, ada dipeptida, tripeptida, tetrapeptida dll. Pembentukan ikatan peptida dapat terjadi berkali-kali. Hal ini mengarah pada pembentukan polipeptida. Di salah satu ujung peptida terdapat gugus amino bebas (disebut ujung-N), dan di ujung lainnya terdapat gugus karboksil bebas (disebut ujung-C).

Organisasi spasial molekul protein

Kinerja fungsi spesifik tertentu oleh protein bergantung pada konfigurasi spasial molekulnya; selain itu, secara energetik tidak menguntungkan bagi sel untuk menyimpan protein dalam bentuk tidak terlipat, dalam bentuk rantai, oleh karena itu rantai polipeptida mengalami pelipatan, memperoleh suatu rantai. struktur tiga dimensi tertentu, atau konformasi. Ada 4 level organisasi spasial protein.

Struktur protein primer- urutan susunan residu asam amino pada rantai polipeptida penyusun molekul protein. Ikatan antar asam amino merupakan ikatan peptida.

Jika suatu molekul protein hanya terdiri dari 10 residu asam amino, maka jumlah varian molekul protein yang secara teoritis mungkin berbeda dalam urutan pergantian asam amino adalah 10 20. Memiliki 20 asam amino, Anda dapat membuat lebih banyak lagi kombinasi berbeda darinya. Sekitar sepuluh ribu protein berbeda telah ditemukan di dalam tubuh manusia, yang berbeda satu sama lain dan dari protein organisme lain.

Struktur utama molekul proteinlah yang menentukan sifat molekul protein dan konfigurasi spasialnya. Penggantian hanya satu asam amino dengan asam amino lain dalam rantai polipeptida menyebabkan perubahan sifat dan fungsi protein. Misalnya, mengganti asam amino glutamin keenam dalam subunit β hemoglobin dengan valin menyebabkan fakta bahwa molekul hemoglobin secara keseluruhan tidak dapat menjalankan fungsi utamanya - transportasi oksigen; Dalam kasus seperti itu, orang tersebut menderita penyakit yang disebut anemia sel sabit.

Struktur sekunder- pelipatan rantai polipeptida yang teratur menjadi spiral (terlihat seperti pegas yang memanjang). Putaran heliks tersebut diperkuat oleh ikatan hidrogen yang timbul antara gugus karboksil dan gugus amino. Hampir semua gugus CO dan NH berperan dalam pembentukan ikatan hidrogen. Mereka lebih lemah dari peptida, namun, diulang berkali-kali, memberikan stabilitas dan kekakuan pada konfigurasi ini. Pada tingkat struktur sekunder terdapat protein: fibroin (sutra, jaring laba-laba), keratin (rambut, kuku), kolagen (tendon).

Struktur tersier- pengepakan rantai polipeptida menjadi butiran-butiran yang dihasilkan dari pembentukan ikatan kimia (hidrogen, ionik, disulfida) dan pembentukan interaksi hidrofobik antara radikal residu asam amino. Peran utama dalam pembentukan struktur tersier dimainkan oleh interaksi hidrofilik-hidrofobik. Dalam larutan berair, radikal hidrofobik cenderung bersembunyi dari air, berkelompok di dalam globul, sedangkan radikal hidrofilik, akibat hidrasi (interaksi dengan dipol air), cenderung muncul di permukaan molekul. Pada beberapa protein, struktur tersier distabilkan oleh ikatan kovalen disulfida yang terbentuk antara atom belerang dari dua residu sistein. Pada tingkat struktur tersier terdapat enzim, antibodi, dan beberapa hormon.

Struktur Kuarter karakteristik protein kompleks yang molekulnya dibentuk oleh dua atau lebih butiran. Subunit ditahan dalam molekul melalui interaksi ionik, hidrofobik, dan elektrostatik. Kadang-kadang, selama pembentukan struktur kuaterner, ikatan disulfida terjadi antar subunit. Protein yang paling banyak dipelajari dengan struktur kuaterner adalah hemoglobin. Ini dibentuk oleh dua subunit α (141 residu asam amino) dan dua subunit β (146 residu asam amino). Terkait dengan setiap subunit adalah molekul heme yang mengandung besi.

Jika karena alasan tertentu konformasi spasial protein menyimpang dari normal, protein tersebut tidak dapat menjalankan fungsinya. Misalnya, penyebab “penyakit sapi gila” (ensefalopati spongiform) adalah konformasi abnormal prion, protein permukaan sel saraf.

Sifat-sifat protein

Komposisi asam amino dan struktur molekul protein menentukannya properti. Protein menggabungkan sifat basa dan asam, ditentukan oleh radikal asam amino: semakin asam asam amino dalam suatu protein, semakin besar sifat asamnya. Kemampuan menyumbang dan menambah H+ ditentukan sifat penyangga protein; Salah satu buffer yang paling kuat adalah hemoglobin dalam sel darah merah, yang menjaga pH darah pada tingkat yang konstan. Ada protein larut (fibrinogen), dan ada protein tidak larut yang menjalankan fungsi mekanis (fibroin, keratin, kolagen). Ada protein yang aktif secara kimia (enzim), ada protein yang tidak aktif secara kimia yang tahan terhadap berbagai kondisi lingkungan, dan ada pula yang sangat tidak stabil.

Faktor eksternal (panas, radiasi ultraviolet, logam berat dan garamnya, perubahan pH, radiasi, dehidrasi)

dapat menyebabkan terganggunya organisasi struktural molekul protein. Proses hilangnya konformasi tiga dimensi yang melekat pada molekul protein tertentu disebut denaturasi. Penyebab terjadinya denaturasi adalah putusnya ikatan yang menstabilkan struktur protein tertentu. Pada awalnya, ikatan yang paling lemah akan putus, dan seiring dengan semakin ketatnya kondisi, maka ikatan yang lebih kuat pun akan putus. Oleh karena itu, pertama-tama struktur kuaterner, kemudian struktur tersier dan sekunder hilang. Perubahan konfigurasi spasial menyebabkan perubahan sifat protein dan, sebagai akibatnya, protein tidak dapat menjalankan fungsi biologis bawaannya. Jika denaturasi tidak disertai dengan kerusakan struktur primer, maka hal itu mungkin terjadi dapat dibalik, dalam hal ini, terjadi pemulihan sendiri karakteristik konformasi protein. Misalnya, protein reseptor membran mengalami denaturasi seperti itu. Proses pemulihan struktur protein setelah denaturasi disebut renaturasi. Jika pemulihan konfigurasi spasial protein tidak mungkin dilakukan, maka disebut denaturasi tidak dapat diubah.

Fungsi protein

Enzim

Enzim, atau enzim, adalah kelas protein khusus yang merupakan katalis biologis. Berkat enzim, reaksi biokimia terjadi dengan kecepatan luar biasa. Laju reaksi enzimatik puluhan ribu kali (dan terkadang jutaan) lebih tinggi daripada laju reaksi yang melibatkan katalis anorganik. Zat yang menjadi tempat kerja enzim disebut substrat.

Enzim adalah protein globular, fitur struktural enzim dapat dibagi menjadi dua kelompok: sederhana dan kompleks. Enzim sederhana adalah protein sederhana, yaitu hanya terdiri dari asam amino. Enzim kompleks adalah protein kompleks, mis. Selain bagian protein, mereka mengandung kelompok yang bersifat non-protein - kofaktor. Beberapa enzim menggunakan vitamin sebagai kofaktor. Molekul enzim mengandung bagian khusus yang disebut pusat aktif. Pusat aktif- bagian kecil dari enzim (dari tiga hingga dua belas residu asam amino), di mana terjadi pengikatan substrat atau substrat untuk membentuk kompleks enzim-substrat. Setelah reaksi selesai, kompleks enzim-substrat terurai menjadi enzim dan produk reaksi. Beberapa enzim memiliki (kecuali aktif) pusat alosterik- area di mana pengatur kecepatan enzim dipasang ( enzim alosterik).

Reaksi katalisis enzimatik dicirikan oleh: 1) efisiensi tinggi, 2) selektivitas dan arah kerja yang ketat, 3) spesifisitas substrat, 4) regulasi yang halus dan tepat. Spesifisitas substrat dan reaksi katalisis enzimatik dijelaskan oleh hipotesis E. Fischer (1890) dan D. Koshland (1959).

E. Fisher (hipotesis kunci-kunci) menyarankan bahwa konfigurasi spasial dari situs aktif enzim dan substrat harus sesuai satu sama lain. Substrat dibandingkan dengan “kunci”, enzim dengan “gembok”.

D. Koshland (hipotesis sarung tangan) menyarankan bahwa korespondensi spasial antara struktur substrat dan pusat aktif enzim tercipta hanya pada saat interaksinya satu sama lain. Hipotesis ini disebut juga hipotesis korespondensi yang diinduksi.

Laju reaksi enzimatik bergantung pada: 1) suhu, 2) konsentrasi enzim, 3) konsentrasi substrat, 4) pH. Perlu ditekankan bahwa karena enzim adalah protein, aktivitasnya paling tinggi dalam kondisi fisiologis normal.

Kebanyakan enzim hanya dapat bekerja pada suhu antara 0 dan 40°C. Dalam batas ini, laju reaksi meningkat kira-kira 2 kali lipat setiap kenaikan suhu 10 °C. Pada suhu di atas 40°C, protein mengalami denaturasi dan aktivitas enzim menurun. Pada suhu mendekati titik beku, enzim menjadi tidak aktif.

Dengan bertambahnya jumlah substrat, laju reaksi enzimatik meningkat hingga jumlah molekul substrat sama dengan jumlah molekul enzim. Dengan peningkatan lebih lanjut dalam jumlah substrat, kecepatannya tidak akan meningkat, karena pusat aktif enzim sudah jenuh. Peningkatan konsentrasi enzim menyebabkan peningkatan aktivitas katalitik, karena lebih banyak molekul substrat yang mengalami transformasi per satuan waktu.

Untuk setiap enzim, terdapat nilai pH optimal yang menunjukkan aktivitas maksimum (pepsin - 2.0, amilase ludah - 6.8, lipase pankreas - 9.0). Pada nilai pH yang lebih tinggi atau lebih rendah, aktivitas enzim menurun. Dengan perubahan pH yang tiba-tiba, enzim mengalami denaturasi.

Kecepatan kerja enzim alosterik diatur oleh zat yang menempel pada pusat alosterik. Jika zat tersebut mempercepat suatu reaksi maka disebut aktivator, jika mereka melambat - penghambat.

Klasifikasi enzim

Berdasarkan jenis transformasi kimia yang dikatalisisnya, enzim dibagi menjadi 6 kelas:

1. oksireduktase(transfer atom hidrogen, oksigen atau elektron dari satu zat ke zat lain - dehidrogenase),
2. transferase(pemindahan gugus metil, asil, fosfat atau amino dari satu zat ke zat lain - transaminase),
3. hidrolase(reaksi hidrolisis di mana dua produk terbentuk dari substrat - amilase, lipase),
4. liase(penambahan non-hidrolitik pada substrat atau pelepasan sekelompok atom darinya, dalam hal ini ikatan C-C, C-N, C-O, C-S dapat diputus - dekarboksilase),
5. isomerase(penataan ulang intramolekul - isomerase),
6. ligase(hubungan dua molekul sebagai hasil pembentukan ikatan C-C, C-N, C-O, C-S - sintetase).

Kelas pada gilirannya dibagi lagi menjadi subkelas dan subsubkelas. Dalam klasifikasi internasional saat ini, setiap enzim memiliki kode spesifik yang terdiri dari empat angka yang dipisahkan oleh titik. Angka pertama adalah kelas, yang kedua adalah subkelas, yang ketiga adalah subsubkelas, yang keempat adalah nomor urut enzim pada subkelas tersebut, misalnya kode arginase adalah 3.5.3.1.

Pergi ke kuliah nomor 2"Struktur dan fungsi karbohidrat dan lipid"

Pergi ke kuliah nomor 4"Struktur dan fungsi asam nukleat ATP"

Hampir setiap pelajaran biologi sekolah sekarang mengetahui apa itu protein. Mereka melakukan banyak fungsi di dalam sel makhluk hidup.

Apa itu protein?

Ini adalah senyawa organik kompleks. Mereka terdiri dari asam amino, yang totalnya ada 20, tetapi dengan menggabungkannya dalam urutan berbeda, jutaan bahan kimia berbeda dapat diperoleh.

Struktur protein

Setelah kita mengetahui apa itu protein, kita dapat melihat lebih dekat strukturnya. Ada struktur primer, sekunder, tersier dan kuaterner dari zat semacam ini.

Struktur primer

Ini adalah rantai di mana asam amino terhubung dalam urutan yang benar. Pergantian ini menentukan jenis protein. Untuk setiap substansi kelas ini bersifat individual. Sifat fisik dan kimia suatu protein juga sangat bergantung pada struktur primernya.

Struktur sekunder

Ini adalah bentuk spasial rantai polipeptida karena pembentukan ikatan hidrogen antara gugus karboksil dan gugus imino. Ada dua tipe yang paling umum: heliks alfa dan struktur beta, yang memiliki tampilan seperti pita. Yang pertama terbentuk karena pembentukan ikatan antar molekul dari rantai polipeptida yang sama, yang kedua - antara dua atau lebih rantai yang terletak secara paralel. Namun, struktur beta juga mungkin muncul dalam satu polimer, jika fragmen tertentu diputar 180 derajat.

Struktur tersier

Ini adalah pergantian dan pengaturan bagian alfa-heliks, rantai polipeptida sederhana, dan struktur beta relatif satu sama lain dalam ruang.

Struktur Kuarter

Ada juga dua jenisnya: globular dan fibrillar. Struktur ini terbentuk karena interaksi elektrostatik dan ikatan hidrogen. Globular berbentuk bola kecil, dan fibrillar berbentuk benang. Contoh protein dengan struktur kuaterner tipe pertama adalah albumin, insulin, imunoglobulin, dll; fibrilar - fibroin, keratin, kolagen dan lain-lain. Ada juga protein yang strukturnya bahkan lebih kompleks, misalnya miosin, yang terdapat di jaringan otot; ia memiliki batang berbentuk fibrilar di mana terdapat dua kepala bulat.

Komposisi kimia protein

Komposisi asam amino protein dapat diwakili oleh dua puluh asam amino, yang digabungkan dalam urutan dan jumlah yang berbeda.

Ini adalah glisin, alanin, valin, leusin, isoleusin, serin, treonin, sistein, metionin, lisin, arginin, asam aspartat, asparagin, asam glutamat, glutamin, fenilalanin, tirosin, triptofan, histidin dan prolin. Diantaranya ada yang tidak tergantikan, yaitu yang tidak mampu diproduksi sendiri oleh tubuh manusia. Ada 8 asam amino untuk orang dewasa dan 2 lagi untuk anak-anak: leusin, isoleusin, valin, metionin, lisin, triptofan, fenilalanin, treonin, serta histidin dan arginin.

Contoh protein dengan struktur berbeda

Perwakilan utama dari protein globular adalah albumin. Struktur tersiernya terdiri dari heliks alfa yang dihubungkan oleh rantai polipeptida tunggal.

Yang utama dibentuk oleh asam amino seperti asam aspartat, alanin, sistein dan glisin. Protein ini ditemukan dalam plasma darah dan berfungsi mengangkut zat tertentu. Di antara yang fibrilar, fibroin dan kolagen dapat dibedakan. Struktur tersier yang pertama merupakan substansi struktur beta yang dihubungkan oleh rantai polipeptida tunggal. Rantainya sendiri merupakan pergantian alanin, glisin, sistein dan serin. Senyawa kimia ini merupakan komponen utama jaring laba-laba dan sutra, serta bulu burung.

Apa itu denaturasi?

Ini adalah proses penghancuran struktur protein kuaterner, kemudian tersier dan sekunder. Protein yang mengalami hal ini tidak dapat lagi menjalankan fungsinya dan kehilangan sifat fisik dan kimia dasarnya. Proses ini terjadi terutama karena paparan suhu tinggi atau bahan kimia agresif. Misalnya, pada suhu di atas empat puluh derajat Celcius, hemoglobin, yang membawa oksigen melalui darah organisme, mulai mengalami denaturasi. Inilah sebabnya mengapa peningkatan suhu yang begitu kuat berbahaya bagi manusia.

Fungsi protein

Setelah mempelajari apa itu protein, Anda dapat memperhatikan peran zat-zat tersebut dalam kehidupan sel dan seluruh organisme secara keseluruhan. Mereka melakukan sembilan fungsi utama. Yang pertama adalah plastik. Mereka adalah komponen dari banyak struktur organisme hidup dan berfungsi sebagai bahan pembangun sel. Yang kedua adalah transportasi. Protein mampu mengangkut zat; contoh zat untuk tujuan ini adalah albumin, hemoglobin, serta berbagai protein pengangkut yang terletak pada membran plasma sel, yang masing-masing hanya memungkinkan zat tertentu masuk ke sitoplasma dari lingkungan. Fungsi ketiga adalah protektif. Hal ini dilakukan oleh imunoglobulin, yang merupakan bagian dari sistem kekebalan tubuh, dan kolagen, yang merupakan komponen utama kulit. Selain itu, protein dalam tubuh manusia dan organisme lain menjalankan fungsi pengaturan, karena ada sejumlah hormon yang diwakili oleh zat tersebut, misalnya insulin. Peran lain yang dimainkan oleh senyawa kimia ini adalah memberi sinyal. Zat-zat ini mengirimkan impuls listrik dari sel ke sel. Fungsi keenam adalah motorik. Perwakilan protein terkemuka yang melakukan ini adalah aktin dan miosin, yang mampu berkontraksi (ditemukan di otot). Zat-zat tersebut juga dapat berfungsi sebagai zat cadangan, tetapi untuk tujuan tersebut jarang digunakan, sebagian besar adalah protein yang ditemukan dalam susu. Mereka juga melakukan fungsi katalitik - terdapat enzim protein di alam. Dan fungsi yang terakhir adalah reseptor. Ada sekelompok protein yang sebagian terdenaturasi di bawah pengaruh satu atau lain faktor, sehingga memberikan sinyal ke seluruh sel, yang meneruskannya.

L Karena interaksi gugus fungsi asam amino, rantai polipeptida linier dari protein individu memperoleh struktur tiga dimensi spasial tertentu, yang disebut “konformasi”. Semua molekul protein individu (yaitu, memiliki struktur primer yang sama) membentuk konformasi yang sama dalam larutan. Akibatnya, semua informasi yang diperlukan untuk pembentukan struktur spasial terletak pada struktur primer protein.

Dalam protein, terdapat 2 jenis utama konformasi rantai polipeptida: struktur sekunder dan tersier.

2. Struktur sekunder protein - struktur spasial yang dihasilkan dari interaksi antara kelompok fungsional tulang punggung peptida.

Dalam hal ini, rantai peptida dapat memperoleh dua jenis struktur teratur: α-heliks

struktur β Yang kami maksud dengan struktur β adalah sosok yang mirip dengan lembaran yang dilipat seperti akordeon. Gambar tersebut terbentuk karena terbentuknya banyak ikatan hidrogen antara atom-atom gugus peptida pada daerah linier dari satu rantai polipeptida yang membentuk tikungan, atau antara gugus polipeptida yang berbeda.

Obligasi adalah hidrogen, mereka menstabilkan fragmen makromolekul individu.

3. Struktur protein tersier - struktur spasial tiga dimensi yang terbentuk karena interaksi antara radikal asam amino, yang dapat ditempatkan pada jarak yang cukup jauh satu sama lain dalam rantai polipeptida.

Secara struktural terdiri dari unsur-unsur struktur sekunder, distabilkan oleh berbagai jenis interaksi, di mana interaksi hidrofobik memainkan peran penting
stabilisasi struktur tersier protein mengambil bagian:

· ikatan kovalen (antara dua residu sistein - jembatan disulfida);

· ikatan ionik antara gugus samping residu asam amino yang bermuatan berlawanan;

· ikatan hidrogen;

· interaksi hidrofilik-hidrofobik. Ketika berinteraksi dengan molekul air di sekitarnya, molekul protein “cenderung” melipat sehingga gugus samping asam amino nonpolar diisolasi dari larutan berair; gugus samping hidrofilik polar muncul pada permukaan molekul.

4. Struktur kuarter adalah susunan relatif beberapa rantai polipeptida dalam satu kompleks protein. Molekul protein yang membentuk protein dengan struktur kuaterner dibentuk secara terpisah pada ribosom dan hanya setelah sintesis selesai membentuk struktur supramolekul yang sama. Protein dengan struktur kuaterner dapat mengandung rantai polipeptida yang identik dan berbeda. Berpartisipasi dalam stabilisasi struktur kuaterner jenis interaksi yang sama seperti pada stabilisasi tersier. Kompleks protein supramolekul dapat terdiri dari lusinan molekul.

Peran.

Pembentukan peptida dalam tubuh terjadi dalam waktu beberapa menit, sedangkan sintesis kimia di laboratorium memerlukan proses yang agak panjang hingga memakan waktu beberapa hari, dan perkembangan teknologi sintesis dapat memakan waktu beberapa tahun. Namun, meskipun demikian, ada argumen yang cukup kuat yang mendukung dilakukannya sintesis analog peptida alami. Pertama, dengan modifikasi kimia peptida, hipotesis struktur primer dapat dikonfirmasi. Urutan asam amino dari beberapa hormon diketahui secara tepat melalui sintesis analognya di laboratorium.

Kedua, peptida sintetik memungkinkan kita mempelajari lebih detail hubungan antara struktur rangkaian asam amino dan aktivitasnya. Untuk memperjelas hubungan antara struktur spesifik peptida dan aktivitas biologisnya, sejumlah besar pekerjaan telah dilakukan pada sintesis lebih dari seribu analog. Hasilnya, ditemukan bahwa mengganti satu asam amino saja dalam struktur peptida dapat meningkatkan aktivitas biologisnya beberapa kali atau mengubah arahnya. Dan mengubah panjang urutan asam amino membantu menentukan lokasi pusat aktif peptida dan tempat interaksi reseptor.

Ketiga, berkat modifikasi rangkaian asam amino asli, obat farmakologis dapat diperoleh. Penciptaan analog peptida alami memungkinkan untuk mengidentifikasi konfigurasi molekul yang lebih “efektif” yang meningkatkan efek biologis atau membuatnya bertahan lebih lama.

Keempat, sintesis kimia peptida bermanfaat secara ekonomi. Kebanyakan obat terapeutik akan berharga puluhan kali lipat jika dibuat dari produk alami.

Seringkali, peptida aktif ditemukan di alam hanya dalam jumlah nanogram. Ditambah lagi, metode pemurnian dan isolasi peptida dari sumber alami tidak dapat sepenuhnya memisahkan rangkaian asam amino yang diinginkan dari peptida dengan efek berlawanan atau berbeda. Dan dalam kasus peptida spesifik yang disintesis oleh tubuh manusia, peptida tersebut hanya dapat diperoleh melalui sintesis di kondisi laboratorium.

57. Klasifikasi protein: sederhana dan kompleks, globular dan fibrillar, monomer dan oligomer. Fungsi protein dalam tubuh.

Klasifikasi berdasarkan jenis struktur

Berdasarkan tipe umum strukturnya, protein dapat dibagi menjadi tiga kelompok:

1. Protein fibrilar - membentuk polimer, strukturnya biasanya sangat teratur dan dipertahankan terutama melalui interaksi antara rantai yang berbeda. Mereka membentuk mikrofilamen, mikrotubulus, fibril, dan mendukung struktur sel dan jaringan. Protein fibrilar termasuk keratin dan kolagen.

2. Protein globular larut dalam air, bentuk umum molekulnya kurang lebih bulat.

3. Protein membran - memiliki domain yang melintasi membran sel, tetapi sebagiannya menonjol dari membran ke lingkungan antar sel dan sitoplasma sel. Protein membran berfungsi sebagai reseptor, yaitu mengirimkan sinyal dan juga menyediakan transportasi transmembran berbagai zat. Protein pengangkut bersifat spesifik; masing-masing hanya mengizinkan molekul tertentu atau jenis sinyal tertentu untuk melewati membran.

Protein sederhana , Protein kompleks

Selain rantai peptida, banyak protein juga mengandung gugus non-asam amino, dan menurut kriteria ini, protein dibagi menjadi dua kelompok besar - protein sederhana dan kompleks(proteid). Protein sederhana hanya terdiri dari rantai polipeptida; protein kompleks juga mengandung gugus non-asam amino, atau prostetik.

Sederhana.

Di antara protein globular kita dapat membedakan:

1. albumin - larut dalam air pada rentang pH yang luas (dari 4 hingga 8,5), diendapkan dengan larutan amonium sulfat 70-100%;

2. globulin polifungsional dengan berat molekul lebih tinggi, kurang larut dalam air, larut dalam larutan garam, sering mengandung bagian karbohidrat;

3. histon adalah protein dengan berat molekul rendah dengan kandungan residu arginin dan lisin yang tinggi dalam molekulnya, yang menentukan sifat dasarnya;

4. protamin dibedakan oleh kandungan arginin yang lebih tinggi (hingga 85%), seperti histon, mereka membentuk ikatan yang stabil dengan asam nukleat, bertindak sebagai protein pengatur dan penekan - bagian integral dari nukleoprotein;

5. prolamin dicirikan oleh kandungan asam glutamat yang tinggi (30-45%) dan prolin (hingga 15%), tidak larut dalam air, larut dalam etanol 50-90%;

6. Glutelin mengandung sekitar 45% asam glutamat, seperti prolamin, dan sering ditemukan dalam protein sereal.

Protein fibrilar dicirikan oleh struktur berserat dan praktis tidak larut dalam air dan larutan garam. Rantai polipeptida dalam molekul letaknya sejajar satu sama lain. Berpartisipasi dalam pembentukan elemen struktural jaringan ikat (kolagen, keratin, elastin).

Protein kompleks

(protein, holoprotein) adalah protein dua komponen yang, selain rantai peptida (protein sederhana), mengandung komponen non-asam amino - gugus prostetik. Ketika protein kompleks dihidrolisis, selain asam amino, bagian non-protein atau produk pemecahannya juga dilepaskan.

Berbagai zat organik (lipid, karbohidrat) dan anorganik (logam) dapat berperan sebagai gugus prostetik.

Tergantung pada sifat kimia dari kelompok prostetik, kelas-kelas berikut dibedakan di antara protein kompleks:

· Glikoprotein yang mengandung residu karbohidrat yang terikat secara kovalen sebagai gugus prostetik dan subkelasnya - proteoglikan, dengan gugus prostetik mukopolisakarida. Gugus hidroksil serin atau treonin biasanya ikut serta dalam pembentukan ikatan dengan residu karbohidrat. Kebanyakan protein ekstraseluler, khususnya imunoglobulin, adalah glikoprotein. Bagian karbohidrat dari proteoglikan adalah ~95%; mereka adalah komponen utama matriks antar sel.

· Lipoprotein mengandung lipid yang terikat non-kovalen sebagai bagian prostetik. Lipoprotein dibentuk oleh protein apolipoprotein yang mengikat lipid dan melakukan fungsi transportasi lipid.

· Metalloprotein mengandung ion logam terkoordinasi non-heme. Di antara metaloprotein terdapat protein yang melakukan fungsi penyimpanan dan transportasi (misalnya feritin dan transferin yang mengandung besi) dan enzim (misalnya karbonat anhidrase yang mengandung seng dan berbagai superoksida dismutase yang mengandung tembaga, mangan, besi dan ion logam lainnya sebagai pusat aktif. )

· Nukleoprotein yang mengandung DNA atau RNA yang tidak terikat secara kovalen, khususnya kromatin yang menyusun kromosom, merupakan nukleoprotein.

· Fosfoprotein mengandung residu asam fosfat yang terikat secara kovalen sebagai gugus prostetik. Gugus hidroksil serin atau treonin terlibat dalam pembentukan ikatan ester dengan fosfat; kasein susu, khususnya, adalah fosfoprotein:

· Kromoprotein adalah nama kolektif untuk protein kompleks dengan kelompok prostetik berwarna dari berbagai sifat kimia. Ini termasuk banyak protein dengan gugus prostetik yang mengandung logam yang melakukan berbagai fungsi - hemoprotein (protein yang mengandung heme sebagai gugus prostetik - hemoglobin, sitokrom, dll.), klorofil dengan gugus flavin, dll.

1. Fungsi struktural

2. Fungsi pelindung

3. Fungsi regulasi

4. Fungsi alarm

5. Fungsi transportasi

6. Fungsi cadangan (cadangan).

7. Fungsi reseptor

8. Fungsi motorik (motorik).