STRUCTURA PROTEINELOR

BIOCHIMIA

Obiectivele:

1.Rolul biochimiei n sistemul de instruire a medicului2.Particularitile materiei vii3. Metodele de studii biochimice4. Cele mai importante descoperiri ale secolului XX5. Proteinele, rolul lor biologic 6. Teoria polipeptidic a structurii proteinei7. Gradele de organizare ale moleculei proteice a)AA, structura, principiile de clasificare b)structura primar i principiul descifrrii eic)Structura secundar d)Structura teriar. Domenile.e)Structura cuaternar8)Proteinele fixatoare de Ca 9) Colagenul10) Clasificarea proteinelor 11) Endotelinele

Biochimia:pentru prima dat ca termen a fost ntrodus in 1903 de ctre Carl Neiberg. bios - din greac nseamn viaEste tiina despre structura i transformarea substanelor chimice n organism, proceselor fizico-chimice care stau la baza activitii vitale

Biochimiaca disciplin este nrudit cu:- chimia organic ce studiaz structura i proprietile substanelor componente ale materiei vii;- fiziologia ce studiaz funciile organismelor vii;-fizica n ce privete metodele de studiu ale substanelor organice.

Scopul biochimiei

studiul legturii reciproce a substanelor i funciilor acestora;modificrile compuilor chimici din organismul viu; modul de transformare a energiei n sistemele vii; mecanismele de reglare ale transformrilor chimice i ale proceselor fizico-chimice n celule, esuturi i organe; mecanismele moleculare de transmitere a informaiei genetice n organism.

Deosebim:Biochimia static - studiaz structura chimic a materiei vii (P, G; L; AN) i proprietile lor.Biochimia dinamic studiaz metabolismul P; G, L; AN i reglarea hormonal sau enzimatic ale proceselor metabolice n organism.Biochimia funcional cerceteaz procesele chimice ce stau la baza diferitelor manifestri ale vitalitii.

Rolul biochimiei n practica medical:ofer cunotinele necesare nelegerii strii de sntate i a mecanismelor patogenetice n orice boal;stabilirea diagnosticului clinic de laborator;explic modul de aciune al medicamentelor, ca modulatori ai activitii enzimatice, oferind datele necesare pentru sinteza de substane cu aciune farmacologic dorit;permite tratarea cu succes a avitaminozelor; a insuficienei sau hiperfunciei endocrine;

Rolul biochimiei n practica medical:progresele biochimiei au evideniat cauza unor boli numite erori nscute de metabolism (oligofrenia fenilpiruvic)este tiina care explic bolile moleculare (anemia falciform sinteza unei Hb anormale Hb-S (Hb-secer) care cristalizeaz n eritrocite ducnd la hemoliz i n final la moarte;analizele biochimice permit evidenierea precoce a numeroase boli, evoluia lor i eficacitatea tratamentului.

Cele mai importante descoperiri n Biochimie n sec. XX1.Emil Fischer (1902) a efectuat sinteza artificial a peptidelor i a elaborat teoria polipeptidic a structurii proteinelor. a fost descifrat structura primar a insulinei (Sanger,1953); vasopresinei i oxitocinei (Viniu, 1953); structura Hb (Perutz), lizozimei (Filips).2. Au fost separate enzimele n stare cristalin, stabilindu-se structura lor, mecanismele reaciilor enzimatice i reglarea activitii acestora (Sumner; Severin, Orehovici, Michaelis- Menten, Koshland).

3. 1953 Crick i Watson au descoperit structura secundar a DNA 1961 Nirenberg i Matei au descoperit codul genetic, iar Jacob i Monod mecanismul de reglare a sintezei proteinelor (teoria lac-operonului).1970 s-a pus bazele ingineriei genetice, care studiaz compoziia chimic a genelor, inserarea lor n celul i repararea defectelor genetice

Cele mai importante descoperiri n Biochimie n sec. XX4. Bioenergetica -Bah, Krebs, Lipman, Leninger, etc n 1931 Enghelhard a descoperit fenomenul de fosforilare oxidativ n 1961 Mitchell a formulat ipoteza chimioosmotic.

5. Au fost studiate principalele ci metabolice ale metabolismului :a. glucidic (Embden, Krebs, Dikens, Engelhardt, Parnas);b. lipidic (Knoop, Lynen, Lipman);c. proteic (Krebs; Henseleit, Mardaev. Beriozov, Nicolaev).6. Bayliss a utilizat termenul de hormon

Particularitile materiei vii: Gradul superior de organizare structural (caracterizat prin structura compus i diversitatea de molecule)Fiecare parte component are sensul su specific i o funcie strict determinatCapacitatea de a extrage, a transforma i a utiliza energia mediului ambiantSchimbul de substane cu mediul ncongurtor i autoreglarea transformrilor chimice.Capacitatea de autoreplicare sau transmitere a informaiei genetice.

Metode de studii biochimice

Obiect de studiu poate fi:organismul integru - administrarea unor substane i determinarea produselor finale, care se elimin,organ, esut, celul (mai nti se supun omogenizrii (frmirii) pn la structuri subcelulare (nuclee, mitocondrii, lizozomi, peroxisomi, citomembrane), Ultimele se separ prin ultracentrifugare, apoi se extrag structuri biomoleculare, care se reextrag, se purific prin: distilare, evaporare, dializ, electroforez, cromatografie.

Metode moderne de cercetare:Spectroscopia infraroie se studiaz caracterul structural al moleculei, determinarea n microcantiti a compuilor strini;Metoda cromotografic n straturi subiri permite extragerea metaboliilor din esut (cantiti minimale)Metode imunochimice identificarea proteinelor individuale; secvena AA n lanScintigrafia examinarea proceselor metabolice la toate nivelurile sistemului viu.

Proteineleprotos - primul, de prima importansunt substane organice azotate, alctuite din AA, legai n catene prin legturi peptidice i care posed organizare structural complicat.Principalele caracteristici:coninutul de azot destul de constant (16% din masa uscat);prezena permanent a AA;legturile peptidice ntre AA;masa molecular mare (4-5000 pn la milioane de Da);organizarea structural complicat, care determin proprietile fizico-chimice, biologice ale proteinelor.

Rolul biologic al proteinelor:structural (colagenul, elastina, keratina);catalitic (amilaza, pepsina, LDH);de recepie (receptorii hormonali);contractil i locomotor (dinamic) actina, miozina;transport i depozitare (Hb transport oxigenul, iar Mb l depoziteaz n muchi; transferina i feritina transport i depoziteaz fierul n snge, ficat);reglator i hormonal - reglarea creterii i diferenierii celulelor (insulina, proteinele- represor);de protejare fa de corpi strini, virui, bacterii (imunoglobuline);homeostatic meninerea constantelor sngelui (albuminele determin presiunea oncotic cantitatea, volumul lichidului n vasele sanguine);de rezerv, trofic proteinele alimentare.

Aminoacizii (AA)sunt derivaii acizilor carboxilici la care un atom de H a fost substituit de grupa aminic. n funcie de poziia n care a avut loc substituia destingem alfa, beta, gama i etc. 20 de aminoacizi fundamentali proteinogeni sunt AA i sunt de linia L.

Clasificarea AA:

Dup structura R lateral (n alifatici aromatici; tio-; hidroxi; mono- sau di carboxilici)n funcie de proprietile fizico- chimice (acizi, bazici i neutri) dup rolul biologic: indespensabili, semi i dispensabili

Gradele de organizare ale moleculei proteice Structura: primar secundar teriar cuaternara

Structura primar succesiunea AA din lanul polipeptidic, determinat genetic. este stabilizat de legturile peptidice covalente, care se formeaz la interaciunea grupei -carboxilice a unui AA cu -aminogrupa urmtorului AA.

Proprietile legturii peptidice: este o legtur covalent coplanarea toi atomii grupelor peptidice se afl ntr-un singur plan2 forme de rezonan (ceto sau enol)poziia trans a substituienilor n raport cu leg C-Ncapacitatea de a forma legturi de hidrogen (fiecare gr. peptidic poate forma 2 legturi de hidrogen)

Principiile de descifrare a succesiunii AA-etapele:hidroliza selectiv a proteinei (prin metodele enzimatice (tripsina, chimotripsina, pepsina) sau chimice (cu bromura cianidic)) identificarea succesiunii AA n fragmentele obinute prin metoda Edman.hidroliza selectiv a P printr-o metod deosebit de prima pentru a primi alte fragmente i determinarea succesiunii AA n aceste fragmente.restabilirea structurii primare a proteinelor prin suprapunerea diferitor segmente de peptide stablindu-se astfel segmentele de coinciden (metoda amprentelor digitale sau metoda hrilor de peptid P cu structura teriar i cuaternar urea, hidroclorura de guanidin care scindeaz leg necovalente

Principiile de descifrare a AA N i C terminal:La determinarea AA N-terminal se utilizeaz: -metoda Sandger (cu fluordinitrobenzol)- metoda Edman (cu fenilizotiocianat)-metoda cu dansil- metoda enzimatic (cu aminopeptidaza)Determinarea AA C-terminal se efectueaz prin:metoda chimic cu hidrazina (metoda Acabori)metoda enzimatic (carboxipeptidaz)folosind reductori: NaBH4 sau LiBH4

Metoda lui Sandger

Metoda lui Edman

Metoda lui Acabori

Orice dereglare a structurii primare a proteinelor duce la afectarea proprietii biologice.

Ex: - dac n poziia 6 a lanului al Hb n loc de Glu se include Val Hb S care devine mai nestabil, mai ru fixeaz O2 , este insolubil i duce la apariia anemiei cu celule falciforme.

Structura secundar reprezint modul npachetarii catenei polipeptidice ntr-o structur ordonat, datorit formrii legturilor de hidrogen ntre grupele peptidice ale unei catene sau a catenelor nvecinate.Dup configuraie structura secundar se mparte n:-spiral-structur

Particularitile de baza ale -spiralei:orientat spre dreaptaposed simetrie elicoidal;legturile de hidrogen se formeaz ntre grupele peptidice ale 1i ale celui de al 4 rest de AA;radicalii laterali ai AA nu particip la formarea -spiralei i snt dispui n exterior.

Particularitile de baza ale -spiralei:5. regularitatea i identitatea spirelor: nalimea unei spire constituie 0,54 nm (5,4 A) i cuprinde 3,6 resturi de AA (nlimea unui AA este de 0,15 nm sau 1,5 A). 6. Periodicitatea regularitii -spiralei este egal cu 5 spire sau cu 18 AA. Lungimea unei perioade este de 2,7 nm.

Aminoacizii ce diminuieaz formarea elicei: Prezena: prolinei (atomul de N nu are H i nu e capabil s formeze legturi de hidrogen intracatenar se formeaz o ndoire, o ncovoiere n lan)radicalilor voluminoi (Val, Ile; Asn confer o strngere steric a elicei)Ser, Tre gr. OH pot forma puni de H pot servi ca factori destabilizatoriGlu, Liz, His, Arg apar fore electrostatice de respingere sau atragere

-structur are configuraia curbat, care se formeaz cu ajutorul legturilor de hidrogen intercatenare n limit unor sectoare a aceluiai lan polipeptidic sau a lanurilor alturate. Aceast structur se mai numete structur n straturi pliante.

-structur poate fi de 2 tipuri:cross form particip un singur lan-structur complet particip 2 sau mai multe catene, care poate fi:paralel (N-terminaiile catenelor polipeptidice sunt ndreptate n aceeai direcie)antiparalel (N-terminaiile snt ndreptate n diferite direcii).

Deosebirile de alfa spiral : are form plat distana ntre 2 resturi de AA este de 3,5 A punile de H sunt intercatenare dar nu intracatenare ca la spiralradicalii AA se orienteaz n ambele pri ale structurii betaMet, Val, Ile favorizeaz formarea structurii plisate, Lys, Ser, Asp - o destabilizeaz

Structura teriar reprezint modul de mpachetare a lanului polipeptidic n spaiu tridimensional. proteinele se mpart n globulare (Mb) i fibrilare (ceratina, fibrina, miozina,elastina)se formeaz datorit interaciunii dintre radicalii AA situai la distanta.

Legturile ce stabilizeaz structura teriar:Legturile covalente: - disulfidice, - pseudopeptidice

Legturile polare - de hidrogen, - ionice, - electrostaticeinteraciuni hidrofobe -forele Van der Waals

Anume organizarea n structur tridimensional confer proteinelor activitate biologic.Radicalii AA, care posed rotaie liber interacioneaz, catena ciudat se curbeaz n diferite locuri. Radicalii hidrofobi evitnd apa se concentreaz n interior pe cnd grupele hidrofile se situiaz la suprafaa moleculei i interacioneaz cu apa, deaceia molecula gigant de protein se dizolv bine n ap.

n procesul stabilirii structurii teriare se formeaz centrele de legtur (active) unde se leag o anumit substan numit la general ligand. Ligandul este steric i electrostatic complementar CA (de ex. substratul cu centrul activ al enzimei respective). n componena CA ntr radicalii AA (Tir; Glu; His, etc.) situai de regul departe unul de altul n lan, dar care se pomenesc nvecinai n acest centru n procesul formrii conformaiei moleculei la interaciunea cu ligandul.

Domenii: reprezint regiuni compacte, rigide cu organizarea teriar , separate ntre ele de segmente mai puin rigide care permit micarea unui domeniu n raport cu altul. - sunt responsabili de anumite funciicu structuri i proprieti similare sunt prezente n diferite proteine cu roluri asemntoare.Ex:domeniul de legare a hemului n molecula Mb, Hb,citocromilor

Structura cuaternar a proteinelor Unele proteine sunt alctuite din mai multe lanuri polipeptidice. Fiecare lan n parte e numit protomer sau subunitate. Proteina integr reprezint oligomerul i posed structur cuaternar.Funcia specific a unei proteine oligomere se manifest numai la nivelul structurii cuaternare, protomerii separai sunt inactivi.

molecula hemoglobinei const din 4 protomeri

Legturile ce determin i stabilizeaz structura cuaternar:legturile necovalente (de hidrogen, forele Van der Waals, electrostatice, fore hidrofobe etc.). Ct privete legturile covalente (disulfidice, pseudopeptidice), ele deasemenea stabilizeaz aceste structurii, ns nu determin formarea lor.Asamblarea protomerilor n structura cuaternar se realizeaz ntre suprafeele de contact complementare. Interaciunile prin suprafee complementare prezint fenomenul de cooperare- primele interaciuni favorizeaz formarea celorlalte

Colagenul cea mai rspndita protein din organism (30-35% din cantitatea total de proteine). este o protein extracelular, fibrilar, componenta major a esutului conjuctiv i osos. Rolul:n esutul conjuctiv ea ofer rezisten, n cel osos constituie carcasa organic a mineralizrii.

Particulariti structurale:1. Fiecare al treilea AA din caten este prezentat prin glicin (30%)2. Fiecare al patrulea - prin Pro i hidroxiPro (25%)3. Conine 10% Ala4. Conine hidroxilizin5. Coninut redus de Tyr, absena Trp i CysSe deosebesc 3 tipuri de lanuri peptidice: 1, 2, 3. 1 prezint 5 subtipuri:: 1I, 1II, 1III, 1IV, V. Prin combinarea lor se formeaz diverse tipuri de colagen.

Colagenul: Structura primar prezint o caten polipeptidic curbat alctuit din circa 1000 AA. Structura secundar reprezint alfa catene spiralate rsucite spre stnga (conine 3,28 AA per spir)alfa spiral cu simetrie elicoidal nu se poate forma din cauza Pro, OH-Pro i Gly3 alfa catene spiralate, rsucite mpreun sub forma unei spirale comune formeaz tropocolagenul, ce e stabilizat de interaciunea resturilor de Pro. Tropocolagenul este subunitatea structural a colagenului.

Colagenul: Structura cuaternar: aezarea subunitilor de tropocolagen sub form de trepte, fiecare molecul fiind deplasat cu din lungime fa de moleculele vecine. Monomerii sunt legai stabil prin legturi covalente ncruciate inter i intramoleculare, care le confer microfibrilelor rezisten mecanic. Prin asocierea microfibrilelor se formeaz fibrilele, iar din ele - fibra de colagen. Colagenul este proteina care activ fixeaz ionii de Ca2+.

Clasificarea contemporan a proteinelor Savanii M.Levitt i C.Chiothia (1970) examinnd structura proteinelor le-au devizat n 5 clase (fiecare clas difer dup prezena i poziia -spiralei i -structurii)Proteine ce conin 100% -elice, formnd o structur globular;Proteine ce conin -structur i, de regul, sunt alctuite din dou straturi antiparalele sau situate n forme butoiae;Proteine ce conin att ct i componente;Proteine ce nglobeaz / segmente alternate n structura secundar, formnd structura teriar cu centrul i ncercuite de -spirale;Proteine neorganizate cu structura secundar evideniat nesemnificativ.

Dup dinamica domeniilor structurale Proteine cu domenii rigide, imobile, dure, unite prin segmente mari, flexibile, ce le permit fluctuaii n diapazon larg;Proteine cu domenii rigide, dure, unite prin poriuni mici, denumite balama cu o circulaie mai redus;Proteine unde domeniile au roluri diverse folosesc flexibilitatea pentru asigurarea unor funcii.

Proteinele simple (holoproteine)

Histonele -localizate n nucleu, conin AA bazici pn la 30% (Arg, Liz). Au sarcina pozitiv, sunt legate electrostatic cu AN. Rolul: reglarea metabolic a activitii genomului, funcie structural Albuminele i globulinele principalele P plasmatice. Raportul albumine/globuline e constant: 1,5/ 2,3. Albuminele mas molecular mic, PI 4,7, sarcin negativ, solubile n ap. Rolul: determin presiunea oncotic, particip la transportul substanelor. Globulinele - mas molecular mai mare ca albuminele, au caracter acid (PI 6 -7,3), conin n cantitate mare Glu, se dizolv n soluii saline slabe, dar nu n ap. Rolul imunologic: sintetizeaz anticorpi.

Proteinele simple (holoproteine)

Protaminele au mas molecular mic, caracter alcalin (Arg i Liz) dar nu conin Trh, Tir i Fen, sunt solubile n ap, se dizolv n soluii diluate de acizi i baze. Se gsesc n cantiti mari n celule germinale naturale ale petilor: salmina (lapii somnului), scumbrina (scumbrie). Prolaminele (gliadine), se gsesc n boabele cerealelor, au un coninut mare de Glu(20-25%) i Pro (10-15%), dar mic de AA diaminomonocarboxilici: zeina (porumb); gliadina (gru), hordeina (orz). Glutelinele sunt de natur vegetal (se gsesc n bobul cerealelor), sunt insolubile n ap, dar solubile n soluii acide i alcaline diluate, sunt bogate n Glu i Liz.

Proteinele conjugate (Proteide):NucleoproteineCromoproteineFosfoproteineLipoproteineMetaloproteineGlicoproteine

Nucleoproteinele compuse din proteine i acizi nucleici. Componena proteic o alctuiesc histonele, bogate n Arg i Liz.Rol: stocarea, transmiterea i exprimarea informaiei genetice, biosinteza proteinelor, diviziunea celular.

Cromoproteinele compuse din protein i partea neproteic colorat. - cromoproteide porfirinice- cromoproteide neporfiriniceReprezentanii: clorofila, hemoproteidele (Hb), sistemul de citocromi, catalaza, peroxidaza.Rolul:particip n fotosinteztransportul oxigenului i CO2reaciile de oxido-reduceresenzaiile de lumin i culoare

Fosfoproteinele: proteine + acidul fosforic (legate prin legturi esterice- de hidroxiaminoacizi Ser, Tre )Reprezentani: cazeinogenul (proteina laptelui), vitelina, vitelenina (din glbenuul de ou), ihtulina (din icre de pete).Rolul:- servesc ca material energetic, plastic n porocesul de embriogenez i cretere postnatal- alimentar

Lipoproteine - proteine + lipide (fosfolipide, acizi grai liberi, colesterol)Rolul: Reprezint constituieni structurali ai celulelorintervin n permeabilitatea biomembranelorparticip la transportul prin snge i limf a unor substane liposolubile (vitaminelor liposolubile A, D, E, K, unor hormoni, medicamente)furnizeaz energian plasma sanguin lipoproteinele se difereniaz n 4 fraciuni pe baza densitii lor:- chilomicronii (d mai mic ca 0,95)- cu densitate foarte mic (VLDL) (d mai mic ca 1,006)- cu densitate mic (LDL) (d mai mic ca 1,065)- cu densitate mare (HDL) (d mai mic ca 1,2)

Glicoproteinele proteine + glucidic (glucozamin, galactozamin, a. hialuronic, glucozaminglicani)Rolul:sunt constituieni plastici ai celulei, intr n componena membranelor biologiceau rol de protecie a mucoaselor gastrointestinale, ale aparatului respirator i urogenital fa de aciunea enzimelor proteolitice, a unor compui chimici sau ageni mecanicisunt inhibitori ai aglutinrii hematiilorsunt componente specifice de grup sanguinparticip n reaciile imunologice

Metaloproteine: protein +metal (Fe, Cu, Zn, Mg)Exemple: Hb- conine Fe: transportul gazelorFeritina conine Fe, localizat n ficat, constituie rezerva, depozitul de Fe din organismTransferina conine Fe, Cu i Zn, se afl n plasma sanguin, transport Fe n oprganismMioglobina conine Fe, se afl n muchi, rol de transportor i rezervor al oxigenului n muchiCeruloplasmina conine Cu, se afl n plasma sanguin, transportor al Cu n organism i aciune oxidazic asupra vitaminei C.

Proteinele fixatoare de Ca sunt proteine ce posed afinitate magor de legare a ionilor de Ca. Toate conin resturi de carboxiglutamat de care se fixeaz ionii de Ca. carboxiglutamatul se formeaz din Glu sub aciunea enzimei, care ca coenzim are vitamina K.Exemple:colagenulcalmodulina o protein mic ce posed patru locusuri de fixare pentru ionii de Cafactorii coagulrii sngelui(II,VII,IX, X)fosfolipaza C

Peptidele active:Endotelinele o familie de peptide noi cu activitate biologic activ deosebit. n anul 1988 Yangisana au obinut din cultura endoteliului vascular un peptid cu efect biologic pronunat numit endotelina (ET).ET- sunt cei mai efectivi factori vasoactivi.Clasificare: deosebim ET1, ET2, ET3 (izoforme). Deosebirile ntre ele:sunt codificate de gene diferitesunt expresate n mod diferit n esut vascular.ET-1 i ET2 sunt vasoconstrictori puterniciStructur: ET1 un peptid biciclic format din 21 aminoacizi.

Sinteza i degradarea:Sintez: trei etape:hidroliza proteolitic a preproendotelinei (92 a/a) sub aciunea convertazei 1 cu formare de proendotelin (40 a/a).hidroliza captului C terminal ( 2 a/a) sub aciunea carboxipeptidazeisub aciunea convertazei 2 proendotelina trece n endotelin (21 a/a).Degradarea: 2 enzimemetaloendopeptidaz cu PH optim de 5,5endotelinaz (serinproteinaza)

EndotelineleAciune: 2 tipuri de receptori: ET-A i ET-B situai nu numai n endoteliul vaselor ci i n rinichi, plmni, suprarenale, esut nervos.ET-A receptorii + structurile fixatoare de G protein - mediaz constricia vaselor. Funcia ET-B receptorilor e cuplat cu activarea fosfolipazei C i A2, majorarea nivelului de Ca intracelular cu majorarea intensiv a prostaciclinei i/sau tromboxanului A2 ceea ce conduce att la constricia ct i dilatarea vaselor. Rolul:regleaz tonusul vaselor i n general cardiohemodinamicaparticip n patogenia HTA esenialeET-1 i ET-3 posed efecte neurologice (n esutul nervos intensific sinteza fosfoinozitolfosfatului), provoac modificri n reaciile de comportare, efect central cardiorespirator.regleaz starea funcional a endoteliului, stratului intim arterial i venos din diferite vase