Что такое жизнь с точки зрения химика Вода. Биологические мембраны Структура и функция белка Обмен веществом. Преобразование энергии Контрольная Разбор контрольной Структура нуклеиновых кислот Биосинтез нуклеиновых кислот Биосинтез белка Контрольная Разбор контрольной Регуляция экспрессии генов. Система передачи сигнала Геном, плазмиды, вирусы Генетическая инженерия Контрольная Разбор контрольной 3 (отличается от программы на сайте Химфака) Структура курса ХОБП – часть 1 – Химическая биология

Структура и функция белка Цикл I «Химия живого»

Макромолекулы (полимеры) (25) Белки15 Нуклеиновые кислоты7 Полисахариды3 Почему полимеры? Какие молекулы? Молекулы(75) Вода 70 липиды 2 органические и неорганические 3

Протеом – белковый портрет клетки

Неисчерпаимое множество функций белков 1.катализ (ферменты) 2.строительные модули (структурная) 3.иммунитет (антитела) 4.передача + рецепция сигналов ( гормоны, цитокины, факторы роста + рецепторы) 5.транспорт 6.регуляция процессов, в том числе экспрессии генов 7. Моторная (двигательная) функция (кинезин) 8. Запасная (резервная) функция (казеин молока (caseus –сыр), овальбумин яйца (ovo - яйцо)

Конформация белка – результат большого числа слабых взаимодействий Сложная поверхность белка Сложный рельеф Распределение заряда Распределение функциональных групп

1 мутация гемоглобина – изменение эритроцитов: серповидно-клеточная анемия Мутация одного нуклеотида (замена аденина (А) на тимин (Т)) в гене β-глобина: глутамат 6 заменяется валином.аденина (А)тимин (Т)

Природные полимеры или биополимеры – белки, нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК), полисахариды - линейные, неразветвленные - получаются поликонденсацией - асимметричные (векторные) Белки и нуклеиновые кислоты: - информационные (текст из 20 ак или 4 н) - самоорганизующиеся в пространстве Жизнь использует именно биополимеры как предельный случай упорядоченной химической организации вещества и информации в пространственно – временном континууме

Уровни организации структуры белка Пространственная структура Первичная структура – это информация, а не химическая структура

Белок как линейный полимер Повторяющееся звено – аминокислотный остаток Тип связи – пептидная (амидная) Полярность цепи полимера: N-конец и С-конец

Аминокислоты 20 α-L-аминокислот – повторяющиеся единицы белков

Пространственные модели аминокислоты аланин (Ala, А) графическаяшаро-стержневая объемная формуладлина и угол связиВан дер Ваальсов R

Структура бокового радикала НЕПОЛЯРНЫЙ ПОЛЯРНЫЙ алифатический заряженный положительно ароматический отрицательно незаряженный

Боковые радикалы аминокислот Глицин Аланин Gly Ala G A Лейцин Leu L Фенилаланин Phe F Серин Ser S Пролин Pro P Лизин Lys K Аспарагиновая кислота Asp D

Пептидная связь Аминокислотные остатки в белке соединены между собой пептидными связями

Белок как информационная макромолекула Первичная структура белка – последовательность аминокислот Это информация Разнообразие – 20 L где L – длина белка в аминокислотах средний белок – 300 Ак метод идентификации концевых аминогрупп, расшифровал структуру инсулина, 50 ак ( ) Нобелевская премия 1958 г. mprrrvigqrkilpdpkfgsellakfvnilmvdgkkstaesivysaletlaqrsgksele

Определение первичной структуры масс - спектрометрией - Случайная фрагментация - Разделение и идентификация - Компьютерная реконструкция перекрывающихся последовательностей

Вторичная структура белка водородная связь в полипептидной цепи α-спираль β-структура

Водородные связи Водородная связь - водород химически связан с одним электроотрицательным атомом и близок к другому электроотрицательному атому. OH : : : O, NH : : : O, NH : : : N. У каждой Н-связи 1 донор и 1 акцептор. При этом Н почти всегда выступает донором только одной Н-связи, а О может быть акцептором двух Н-связей. Энергия водородной связи около кДж/моль

Правая альфа-спираль и водородная связь (а) R боковые группы. Голубые линии водородные связи. C=O группа i-го остатка соединяется H- связью с NH-группой i+4-го остатка (б) Схема одного витка a-спирали, вид с торца. Стрелка - поворот спирали на один остаток

β-структура и водородная связь в полипептидной цепи

Третичная структура белка (конформация) Уникальная укладка полипептидной цепи в трехмерную структуру определяется структурой бокового радикала, т.е. первичной структурой белка

Общий принцип формирования структуры белковой глобулы Гидрофобные боковые радикалы благодаря гидрофобному эффекту формируют ядро белка, поверхность которого формируется гидрофильными боковыми радикалами, которые контактируют с водой

Примеры типичной структуры белков альфаальфа/бетабета

Способы изображения структуры белка в пространстве

Третичная структура белка (конформация) Рентгеноструктурный анализ кристаллов белка ЯМР белка в растворе Фабрики определения структуры База данных структур белков (PDB, несколько десятков тысяч белков)

Третичная структура белка Нобелевская премия 1962 г.

Уровни структурной организации белков

Природа создает новые белки комбинированием готовых доменов

КОНСЕРВАТИВНОСТЬ СТРУКТУРЫ. Малые структурные различия ключевых белков из организмов, разделенных 2 млн лет эволюции

Моделирование по подобию для белков из разных организмов TthS7 с рибосоме EcoS7 модель TthS7 BstS7

Конформация белка – результат большого числа слабых взаимодействий Сложная поверхность белка Сложный рельеф Распределение заряда Распределение функциональных групп

Поверхность белка и распределение заряда

Сложная поверхность белка обеспечивает специфичность его взаимодействия с другими молекулами Гипотеза «ключ – замок»

Взаимодействие с другим белком – четвертичная структура белка

Антитело и комплекс антитело - антиген Природный узнающий элемент. ΔG = 57,1 кДж/моль Антиген – < связывающий участок ^

Белковые микрочипы для детекции антигенов

Ферменты, например, управляют каскадом коагуляции

Образование тромба: протеаза тромбин гидролизует фибриноген фермент субстрат ингибитор (пиявки, вампиры)

Вирус – это не живой супрамолекулярный комплекс Супрамолекулярный комплекс ЭДТА – Mg 2+

Компьютерная симуляция динамики белка Белок как динамическая структура

Третичная структура белка (конформация) Уникальная укладка полипептидной цепи в трехмерную структуру определяется структурой бокового радикала, т.е. первичной структурой белка Способность к самоорганизации

третичной структуры белка D N

Энергетика самоорганизации третичной структуры белка D (денатурированное состояние) N (нативное состояние)

Третичная структура белка (конформация) Уникальная укладка полипептидной цепи в трехмерную структуру определяется структурой бокового радикала, т.е. первичной структурой белка конформационный переход происходит без разрыва пептидной связи

Стабильная конформация белка поддерживается балансом слабых сил между боковыми радикалами аминокислот

Связывании лиганда меняет баланс слабых сил и белок меняет конформацию

При связывании лиганда белок меняет конформацию

Флуоресцентные белки из медузы Нобелевская премия 2008 г.

Гены флуоресцентных белков медузы работают в бактериях

Гены флуоресцентных белков медузы работают в животных Химера из белка клетки (раковый белок) и флуоресцентного белка

Визуализация индивидуальных молекул белка в клетке

Визуализация изменения конформации индивидуальных молекул белка Белок как наномотор