ДЕНАТУРАЦИЯ БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛ

Белковые молекулы крайне неустойчивы и легко изменяют свою структуру и свойства под действием целого ряда агентов: высокая температура, высокое давление, различные виды радиации, изменение рН среды как в кислую, так и в щелочную сторону, воздействие органических аполярных растворителей, воздействие солей тяжелых металлов и целого ряда других соединений, даже под воздействием простого встряхивания белкового раствора.

Подобного рода явление получило собирательное название - денатурация белка. С химической точки зрения денатурация представляет собой сложный процесс, а точное описание характера взаимодействия белка и денатурирующего агента, приводящего к изменению конформации белковых молекул, не всегда возможно.

Под денатурацией следует понимать разрушение нативной конформации белков, вызванное разрывом слабых связей, стабилизирующих пространственные структуры, при действии денатурирующих агентов.

При денатурации белков не происходит разрушения их первичной структуры, т.е. никогда не затрагиваются пептидные связи между остатками аминокислот в остове полипептидной цепи.

Развертывание глобулярных структур приводит образованию случайных и беспорядочных структур, к появлению на поверхности белковых молекул гидрофобных радикалов аминокислот, за счет чего снижается растворимость белка в воде, происходит агрегация молекул белка и выпадение его в осадок.

Но все же наиболее характерным и, наиболее важным признаком денатурации является резкое снижение или полная потеря биологический активности: ферментативной, антигенной, гормональной и др. Причина этого понятна - при нарушении нативной конформации белковых молекул разрушаются расположенные на их поверхности функциональные центры, обуславливающие биологические свойства белков.

В связи с выраженной склонностью белков к денатурации довольно остро встает вопрос о способах хранения белковых препаратов, например, лекарственных веществ, с сохранением их биологической активности.

Наиболее часто используется хранение белковых препаратов при пониженных температурах, от +4 -5° до замораживания при температуре жидкого азота. Используется также хранение белковых препаратов в концентрированных солевых растворах при пониженных температурах. Иногда используют также лиофилизацию, т.е. обезвоживание белковых препаратов из предварительно замороженного состояния. В качестве примера можно привести использование в медицине лиофилизированных препаратов плазмы крови. Тем не менее, проблема хранения белковых препаратов без потери их биологической активности ни в коей мере не может считаться решенной.

В медицине денатурирующие агенты часто применяют для стерилизации медицинского инструмента и материала в автоклавах (денатурирующий агент - высокая температура) и в качестве антисептиков (спирт, фенол, хлорамин) для обработки загрязненных поверхностей, содержащих патогенную микрофлору.

В клетках имеются белки -молекулярные шапероны,которые обладают способностью связываться с частично денатурированными, находящимися в неустойчивом, склонном к агрегации состоянии белками и восстанавливать их конформацию. Вначале эти белки были обнаружены как белки теплового шока, так как их синтез усиливался при стрессовых воздействиях на клетку, например, при повышении температуры.

В некоторых случаях, особенно при непродолжительном действии денатурирующих агентов, возможна ренатл рация(или ренативация)белка с полным восстановлением исходной структуры и нативных свойств. Типичным приемом ренатурации является медленное устранение действия денатурирующего агента, например, медленное снижение температуры или медленное удаление химического денатурирующего агента путем диализа.

К сожалению, подобного рода эффекты ренатурации пока еще не вышли из стен исследовательских лабораторий.

Среди химических свойств белков следует выделить: амфотерность, цветные реакции с различными веществами, гидролиз. Белковые молекулы за счет большого разнообразия радикалов подвергаются окислительно-восстановительным реакция, фосфорилированию, карбоксилированию, метилированию, гликозилироранию.

Биологические функции белков. Избирательное взаимодействие белков с лигандами как основа выполнения белками своих функций. Типы природных лигандов, особенности их взаимодействия с белками. Лекарственные препараты как лиганды.

. БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕЛКОВ. РОЛЬ БЕЛОК-ЛИГ АНДНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В РЕАЛИЗАЦИИ ФУНКЦИЙ БЕЛКОВВ основе функционирования белков лежит их специфическое взаимодействие с лигандами: низкомолекулярными компонентами - например, ионами металлов, промежуточными продуктами обмена веществ и макромалекулами - ДНК, РНК, полисахаридами, белками.

Целый ряд процессов, идущих в клетке, и лежащих в основе той или иной клеточной функции, базируется на избирательных и высокоспецифичных белок-белковых взаимодействиях. К их числу относятся: взаимодействие белка-антитела с антигеном, как один из механизмов защиты организма от проникновения в его внутреннюю среду чужеродных агентов; взаимодействие белка-гормона со своим белком-рецептором - один из этапов регуляции обмена веществ; взаимодействие белков актина и миозина, лежащие в основе мышечного сокращения; взаимодействие белковых молекул между собой при самосборке таких составных элементов клетки, как нитей, микротрубочек, мембран и пр.

Избирательное взаимодействие белков с низкомолекулярными компонентами клеток лежит в основе осуществления ряда жизненно важных функций, таких как ферментативный катализ, некоторые механизмы регуляции, трансмембранный перенос веществ и др.

50 000 индивидульных белков, содержащих уникальные первичные структуры, формируют активные центры, способные связываться только со специфическими лигандами и благодаря особенностям строения активного центра проявлять свойственные им функции.

Центр связывания с лигандом, или активный центр, формируется из радикалов аминокислотных остатков, сближенных на уровне третичной структуры. В линейной пептидной цепи они могут находиться на расстоянии, значительно удаленном друг от друга.

Белки проявляют высокую специфичность (избирательность) при взаимодействии с лигандом. Специфическое связывание или специфическое взаимодействие является индивидуальным свойством белков, а наиболее общим результатом организации белковых структур оказалась тенденция к специфическому связыванию при относительной индифферентности к прочим окружающим белок молекул.

В основе специфического взаимодействия молекул белка с другими молекулами лежит принцип комплементарности или структурно-функционального соответствия реагирующих молекул.

В качестве примера, рассмотрим взаимодействие \ какого-либо лиганда - метаболита с катализатором - ферментом. Ферменты, обладают чрезвычайно высокой специфичность^: обычно они катализируют только одну реакцию одного соединения. Но йля этого необходимо, чтобы с ферментом - катализатором связывался лишь определенное соединение - метаболит, а выбор этого метаболита осуществляется из сотен других низкомолекулярных соединений, окружающих фермент. Подобного рода отбор оказывается возможен только в том случае, если на поверхности белка - фермента есть участок, комплементарный поверхности субстрата - метаболита. После химического превращения метаболита его структура изменяется, что приводит к частичному или полному нарушению комплементарности и продукт реакции покидает фермент. Таким образом, осуществление белками -ферментами своих каталитических функций на одном из этапов связано с «узнаванием» и связыванием своего субстрата и это специфическое связывание осуществляется на основе комплементарности их структур.

Следует иметь в виду, что связывание лигандов с белками обратимо, ибо осуществляется оно за счет слабых взаимодействий. Следствием обратимости процесса связывания является то обстоятельство, что в растворе одновременно находятся и свободные белок и лиганд, и белок-лигандный твмшщмс. Концентрация белок-лигандного комплекса в определенной степени зависит от концентрации лиганда, это обстоятеяйсШщо широко используется в биологических системах для регуляции обменных процессов.

Некоторые белки могут взаимодействовать не с одним, а с несколькими лнгапдами. Естественно, что в этих случаях молекула белка имеет и несколько центров связывания, комплементарных каждому щ лигандов. Эти центры связывания могут быть расположены в пределах одной полипептидной цепи, но чаще подобная ситуация встречается у белков с четвертичной структурой и тогда центры связывания различных иигандов расположены обычно на разных субъединицах. Связывание с белком одного из лигандов сопровождается изменением конформации белка, а изменение конформации белка приводит к тому, что пространственная структура второго центра связывания для следующего лиганда также меняется, облегчая или затрудняя взаимодействие белка со вторым лигандом. Подобного рода эффекты взаимного влияния лигандов на эффективность их взаимодействия с белковой молекулой получили название " кооперативных эффектов связывания лигандов". Если связывание с белком одного лиганда увеличивает эффективность связывания второго лиганда , то мы имеем дело с положительным кооперативным эффектом, й, наоборот, при отрицательном кооперативном эффекте связывание одного лиганда затрудняет связывание другого лиганда.

Например, гемоглобин представляет собой белок с четвертичной структурой и состоит из четырех полипептидных цепей -протомеров, в каждую из которых включен гем, представляющий собой центр связывания кислорода. Несмотря на то, что непосредственно в связывании кислорода участвует атом железа гема, на скорость связывания О2 существенной влияние оказывает конформация полипептидных цепей. К настоящему времени установлено, что связывание первой молекулы О2 гемом одного из протомеров приводит к изменению конформации других протомеров и сродство гемоглобина к кислороду возрастает, оно продолжает увеличиваться по мере нарастания числа связанных молаву*кислорода. Сродство полностью оксигенированного гемоглобина к кислороду в 500 раз больше, чем сродство к кислороду свободного гемоглобина. Таким образом, в данном случае мы имеем дело с типичным примером положительного кооперативного эффекта.