n     STRUCTURA PROTEINELOR
Biochimia:

- ca termen a fost introdus pentru prima data in 1903 de catre Carl Neiberg.

Bios (din greaca inseamna 'viata').

este stiinta care studiaza bazele moleculare ale vietii.

este Stiinta despre structura si transformarea substantelor chimice, care intra in componenta materiei vii, procesele fizico-chimice, care stau la baza activitatii vitale.

este inrudita cu fiziologia, chimia organica dar nu este o simpla sinteza a acestor stiinte.

Deosebim biohimie:

- statica - studiaza componenta materiei vii si proprietatile compusilor biologici separati.

- dinamica - studiaza complexitatea modificarilor de substante in organism.

- functionala - cerceteaza procesele chimice ce stau la baza diferitelor manifestari ale vitalitatii.

Rolul biochimiei in practica medicala:

Pe plan teoretic descoperirile biochimiei - imbogatesc si adancesc cunostintele despre manifestarile vitale.

In domeniul practicii promoveaza progresul :

cercetarilor medicale;

diagnosticului clinic de laborator;

al farmacologiei si farmaceuticii;

al microbiologiei, virusologiei si imunologiei.

Studiaza:

-compozitia chimica a tesuturilor si lichidelor biologice in conditii fiziologice si patologice,

-corelatiile dintre modificarile metabolice ale diferitor organe, tesuturi si lichide biologice;

-dinamica indicilor metabolici in diverse stari fiziologice (Imbatranire, efort fizic) si in patologii

2. Particularitatile materiei vii:

n            gradul superior de organizare structurala (caracterizat prin structura compusa si diversitatea de molecule)

n            Functia strict determinata si sensul sau specific pentru fiecare parte componenta.

n            Capacitatea de a transforma si a utiliza energia

n            Schimbul de substante cu mediul inconjurator si autoreglarea transformarilor chimice.

n            Capacitatea de autoreplicare sau transmitere a informatiei genetice.

Metodele de studii biochimice

Biochimia are de-a face cu obiectele vii, folosind metode extrem de fine de separare a anumitor substante.

Obiect de studiu poate fi organismul integru pe care se fac concluzii (administrarea unor substante si determinarea produselor finale, care se elimina),

organ, tesut, celula care mai intii se supun omogenizarii (farimitarii) folosind omogenizatoare speciale care le dezintegreaza pina la structuri subcelulare (nuclee, mitocondrii, lizozomi, peroxisomi, citomembrane), care se separa prin ultracentrifugare, apoi se extrag structuri biomoleculare, care se reextrag,se purifica prin distilare, evaporare, dializa, evaporare, electroforeza, cromatografie, si multe alte metode.

Cele mai importante descoperiri ale secolului XX

1902 - A Fiser - a efectuat sinteza artificiala a proteinei, a elaborat teoria polipeptidica a structurii proteinei

Knoop si Linen, Lipman, Kennedy, Leninjer au elucidat procesele de oxidare si sinteza a acizilor grasi si altor lipide.

Emben, Meierhof Krebs, M.Dikkens, Varburg cit si Engelhardt, Parnas, Ivanov, au creat schemele diferitor cai de transformare a glucidelor si formare in cursul acestor transformari a ATP- ca purtator chimic de energie.

Braustein, Severin, Orehovschi, Cosland, Linen au separat multe enzime in stare cristalina, au stabilit structura lor, mecanismele reactiilor chimice si reglarea activitatii acestora.

In ultimii 30-40 de ani in studiile biochimice au aparut modificari radicale datorita utilizarii metodelor moderne de cercetare. A crescut considerabil sensibilitatea si exacticitatea aprecierilor cantitative a diferitor metaboliti in structurile biologice.

Proteinele:

sunt substantele organice azotate, alcatuite din AA, legati in lanturi prin legaturi peptidice, care poseda cel mai innalt grad de complexitate, varietate moleculara, si care prezinta specificitate de specie, de organ.

'proteios', din greaca inseamna 'de prim rang', pentru viata.

ca termen folosit pentru prima data in 1838 de catre savantul german Mulder.

'Majoritatea modificarilor biochimice in organismele vii   sint determinate de proteine

Rolul biologic al proteinelor

n            Structural (colagenul, elastina, keratina);

n            Catalitic (amilaza, pepsina, LDH);

n            De receptie (receptorii hormonali);

n            contractil si locomotor (dinamic) -actina, miozina

n            transport si depozitare (Hb transporta oxigenul, iar Mb il depoziteaza in muschi; transferina si feritina transporta si depoziteaza fierul in sange, ficat);

n            reglator si hormonal - reglarea cresterii si diferentierii celulelor (insulina, proteinele- represor);

n            de protectie fata de corpi straini, virusuri, bacterii (imunoglobuline);

n            homeostatic - mentinerea constantelor sangelui (albuminele determina presiunea oncotica - cantitatea, volumul lichidului in vasele sanguine);

n            de rezerva, trofica - proteinele alimentare.

Teoria polipeptidica a structurii proteinei

- innaintata in 1902 de Emil Fiser

Este: Proteinele sunt substantele organice azotate, alcatuite din AA, legati in lanturi prin legaturi peptidice, care poseda cel mai innalt grad de complexitate, varietate moleculara, si care prezinta specificitate de specie, de organ. Putem deduce principalele caracteristici ale proteinelor

n     continutul de Azot este destul de constant (in medie 16% din masa uscata).

n     Prezenta permanenta a componentilor structurali - AA

n     Prezenta legaturilor peptidice intre AA cu ajutorul carora se leaga in LP

n     Masa moleculara mare (de la 4-5 pina la citeva milioane de Daltoni).

n     Organizarea structurala complicata.

Argumente experimentale ale teoriei polipeptidice :

n     Eliberarea la hidroliza a unui numar esential de grupari functionale carboxilice si aminice, care erau ocupate in formarea legaturii peptidice.

n     Reactia pozitiva cu biuretul - dovedeste prezenta legaturii peptidice, alte reactii de culoare ca Ninhidrinica-dovedeste prezenta alfa AA.

n     Analiza Rentgenostructurala a permis de a vedea repartitia resturilor de AA din catena polipeptidica cit si organizarea lor.

n     Argumentarea de baza este posibilitatea de a sintetiza proteina, care poseda activitate biologica.

Gradele de organizare ale moleculei proteice

Structura

primara, secundara tertiara cuaternara

Aminoacizii

n    sunt derivatii acizilor carboxilici la care un atom de H a fost substituit de grupa aminica.

In functie de pozitia in care a avut loc substitutia destingem alfa, beta, gama si etc. AA.

20 de aminoacizi fundamentali proteinogeni sunt Alfa AA si sunt de linia L.

AA pot fi clasificati dupa urmatoarele principii:

n    Dupa structura R lateral (in alifatici - aromatici; substituiti-nesubstituiti; dupa acidul carboxilic, in care a fost substituit atomul de H)

n    In functie de proprietatile fizico- chimice (acizi, bazici si neutri)

n    Si clasificarea biologica dupa gradul de indespensibilitate al AA pentru organism

Structura primara

n    prezinta componenta si succesiunea aminoacizilor din lantul polipeptidic, determinata genetic.

n    Este stabilizata de legaturile peptidice covalente, care se formeaza la interactiunea grupei a-carboxilice a unui aminoacid cu a-aminogrupa urmatorului aminoacid.

Structura primara

Proprietatile legaturii peptidice:

n     este o legatura covalenta

n     coplanarea - toti atomii grupelor peptidice se afla intr-un singur plan

n     2 forme de rezonanta(ceto sau enol)

n     pozitia trans a substituientilor in raport cu leg C-N

n     capacitatea de a forma legaturi de hidrogen (fiecare gr. peptidica poate forma 2 legaturi de hidrogen)

Principiile de descifrare a succesiunii AA-etapele:

n            hidroliza acida a proteinelor cu determinarea calitativa si cantitativa a AA

n            determinarea AAr N si C terminali.

La determinarea AA N-terminal se utilizeaza:

n            -metoda Sandger (cu fluordinitrobenzol)

n            - Edman (cu fenilizotiocianat)

n            - enzimatica (cu aminopeptidaza)

n            -metoda cu dansil

Determinarea AA C-terminal se efectueaza prin:

n            Metoda chimica cu hidrazina (metoda Acabori)

n            enzimatica (carboxipeptidaza)

n            reducatori: NaBH4 sau LiBH4

Principiile de descifrare a succesiunii AA-etapele:

n      hidroliza selectiva a proteinei prin doua metodele diferite (tripsina, chimotripsina, pepsina) sau chimice (cu bromura cianidica)

n      identificarea succesiunii AA in fragmentele obtinute prin metoda Edman.

n      deducerea structurii primare prin suprapunerea segmentelor obtinute.

Metoda lui Sandger

Metoda lui Edman

Metoda lui Acabori

Orice dereglare a structurii primare a proteinelor duce afectarea proprietatii biologice.

BUFET -BUKET

In anii 50 a fost descrisa structura primara a hemoglobinei, ce consta din 600 resturi de AA si daca in loc de acidul glutamic se include valina Hb devine mai nestabila, mai rau fixeaza O2 , este insolubila si duce la aparitia anemiei cu celule falciforme.

Structura secundara

n    reprezinta modul impachetarii catenei polipeptidice intr-o structura ordonata, datorita formarii legaturii de H intre grupele peptidice ale unei catene sau a catenelor invecinate.

n    Dupa configuratie structura secundara poate fi sub forma de a-elice, sau s b structura

n    In spatiu molecula proteica tinde sa ocupe o forma cu cea mai mica energie libera.

Particularitatile de baza ale a-spiralei:

n     orientata spre dreapta

n     poseda simetrie elicoidala;

n     legaturile de hidrogen se formeaza intre grupele peptidice ale primului si ale celui de al patrulea rest de aminoacid;

n     radicalii laterali ai aminoacizilor nu participa la formarea a-spiralei si sint dispusi in exterior.

n     regularitatea si identitatea spirelor: inaltimea unei spire constituie 0,54 nm (5,4 A) si cuprinde 3,6 resturi de aminoacizi (inaltimea unui aminoacid este de 0,15 nm sau 1,5 A)

n     Periodicitatea regularitatii a-spiralei este egala cu 5 spire sau cu 18 aminoacizi. Lungimea unei perioade este de 2,7 nm.

Aminoacizii ce diminuieaza (impedica) formarea elicei:

Prezenta:

n    prolinei (atomul de N nu are H si nu e capabil sa formeze legaturi de hidrogen intracatenar - se formeaza o indoire, o incovoiere in lant.

n    radicalilor voluminosi ((Val, Asp) confera o strangere sterica a elicei)

n    Ser, Tre - gr. OH pot forma punti de H - pot servi ca factori destabilizatori

n    Glu, Liz, His, Arg - apar forte electrostatice de respingere sau atragere

b-structura

n      are configuratia curbata, care se formeaza cu ajutorul legaturilor de hidrogen intercatenare in limita unor sectoare a aceluias lant polipeptidic sau a lanturilor alaturate.

n      Aceasta structura se mai numeste structura in straturi pliante.

n      b-structura poate fi de 2 tipuri:

n      "cross forma" - participa un singur lant

n      b-structura completa - participa 2 sau mai multe catene, care pot fi:

- paralele (N-terminatiile catenelor polipeptidice sint indreptate in aceeasi directie)

- antiparalele (N-terminatiile sint indreptate in diferite directii).

n      distanta intre 2 resturi de aminoacizi este de 3,5 A

Structura tertiara

n      reprezinta modul de impachetare a LP in spatiu tridimensional.

n      proteinele se impart in globulare si fibrilare.

n      se formeaza datorita interactiunii dintre radicalii AA situati la distanta

n      Legaturile ce stabilizeaza structura tertiara:

n      Legaturile covalente:

- disulfidice,

- pseudopeptidice

- esterice

n      Legaturile polare

- de hidrogen,

- ionice,

- electrostatice

n      interactiuni hidrofobe -

fortele Van der Waals

Domeniile:

- reprezinta regiuni compacte cu organizarea tertiara specifica, relativ rigide, separate intre ele de segmente mai putin organizate care permit miscarea unui domeniu in raport cu altul

- sunt responsabile de anumite functii

- cu structuri si proprietati similare sunt prezente in diferite proteine

Structura cuaternara a proteinelor

este caracteristica pentru proteinele alcatuite din mai multe LP protomeri sau subunitati

reprezinta asamblarea protomerilor in spatiu (oligomer)

Functia specifica a unei proteine oligomere se manifesta numai la nivelul structurii cuaternare, protomeri separati sunt inactivi.

n     Legaturi care stabilizeaza structura cuaternara sunt legaturile slabe (de hidrogen, saline, forte hidrofobe etc.).

n     Interactiunile prin suprafete

complementare prezinta fenomenul

de cooperare- primele interactiuni

favorizeaza formarea celorlalte.

Ex. molecula hemoglobinei consta

din 4 protomeri.

Proteinele fixatoare de Ca

n      sunt proteine ce poseda afinitate majora de legare a ionilor de Ca. Toate aceste proteine contin resturi de γ carboxiglutamat de care se fixeaza ionii de Ca. γ carboxiglutamatul se formeaza din Glu sub actiunea enzimei (carboxilaza), care ca coenzima are vitamina K.

n      Exemple:

- colagenul

- calmodulina - o proteina mica ce poseda patru locusuri de fixare pentru ionii de Ca

- factorii coagularii sangelui(II,VII,IX, X)

- fosfolipaza C

Colagenul:

n     cea mai raspindita proteina din organism.

n     Este o proteina extracelulara, fibrilara, componenta majora a tesutului conjuctiv si osos. In tesutul conjuctiv ea ofera rezistenta, iar in cel osos constituie carcasa organica a mineralizarii.

n     Particularitatile structurale:

1. Fiecare al treilea aminoacid din catena este prezentat prin glicina (30%)

2. Fiecare al patrulea - prin prolina si hidroxiprolina (25%)

3. Contine 10% alanina

4. Contine hidroxilizina

5. Continutul tioaminoacizilor si tirozinei este redus

n     Se deosebesc cinci feluri de lanturi primare: a1I, a1II, a1III, a1IV, a2. Prin combinarea lor se formeaza 4 tipuri principale de colagen.

Colagenul:

n       Structura primara prezinta o catena polipeptidica curbata alcatuita din circa 1000 resturi de aminoacizi.

n       Structura secundara reprezinta alfa catene spiralate rasucite spre stanga

n       3 alfa catene spiralate, rasucite spre stanga formeaza tropocolagenul. Tropocolagenul este subunitatea structurala a colagenului.

n       Structura cuaternara: asezarea subunitatilor de tropocolagen sub forma de trepte, fiecare molecula fiind deplasata cu ¼ din lungime fata de moleculele vecine. Monomerii sunt legati stabil prin legaturi covalente incrucisate inter si intramoleculare, care le confera microfibrilelor rezistenta mecanica. Prin asocierea microfibrilelor se formeaza fibrilele, iar din ele - fibra de colagen.

n       Colagenul este proteina care activ fixeaza ionii de Ca2+.

Clasificarea contemporana a proteinelor.

Savantii M.Levitt si C.Chiothia (1970) examinind structura proteinelor le-au devizat in 5 clase (fiecare clasa difera dupa prezenta si pozitia α-spiralei si β-structurii).

n     Proteine ce contin 100% α-elice, formind o structura globulara;

n     Proteine ce contin β-structura si, de regula, sunt alcatuite din doua straturi antiparalele sau situate in forme "butoiase";

n     Proteine ce contin atit α cit si β componente;

n     Proteine ce inglobeaza α/ β segmente alternate in structura secundara, formind structura tertiara cu centrul β si incercuite de α-spirale;

n     Proteine neorganizate cu structura secundara evidentiata nesemnificativ.

Dupa dinamica domeniilor structurale

n           Proteine cu domenii rigide, imobile, dure, unite prin segmente mari, flexibile, ce le permit fluctuatii in diapazon larg;

n           Proteine cu domenii rigide, dure, unite prin portiuni mici, denumite "balama" cu o circulatie mai redusa;

n           Proteine unde domeniile au roluri diverse - folosesc flexibilitatea pentru asigurarea unor functii.

Proteinele simple (holoproteine)

Histonele -localizate in nucleu, contin aminoacizi bazici pina la 30% (Arg, Liz). Au sarcina pozitiva, sunt legate electrostatic cu acizii nucleici. Functia: iau parte la reglarea metabolica a activitatii genomului, functie structurala

Albuminele si globulinele prezinta masa principala a proteinelor sanguine, a lactatelor, masei musculare. Raportul albumine-globuline ramine constant: 1,5 - 2,3.  

Albuminele - masa moleculara mica, PI 4,7, sarcina negativa, sunt solubile in apa. Rolul: determina presiunea oncotica, participa la transportul substantelor.

- Globulinele - masa moleculara mai mare ca albuminele, au caracter acid (PI - 6 -7,3), contin in cantitate mare Glu, se dizolva in solutii saline slabe, dar nu in apa.

Rolul imunologic: sintetizeaza anticorpi.

n     Protaminele, prolaminele, glutelinele

Proteinele conjugate (Proteide):

n           Nucleoproteine

n           Cromoproteine

n           Fosfoproteine

n           Lipoproteine

n           Metaloproteine

n           Glicoproteine

Nucleoproteinele

n    compuse din:

1- proteine (histonele, bogate in Arg si Liz.)

2 - acizi nucleici.

Rol: constituie baza moleculara a unor procese biochimice fundamentale ca: stocarea, transmiterea si exprimarea informatiei genetice, biosinteza proteinelor, diviziunea celulara.

Cromoproteinele:

- compuse din proteina si partea neproteica colorata.

- Sunt porfirinice si neporfirinice

n     Reprezentantii: clorofila, hemoproteidele (Hb), sistemul de citocromi, catalaza, peroxidaza.

n     Rolul:

1. participa in fotosinteza

2. transportul oxigenului si CO2

3. reactiile de oxido-reducere

4. senzatiile de lumina si culoare

Fosfoproteinele: proteine + acidul fosforic (legate prin legaturi esterice- de hidroxiaminoacizi Ser, Tre )

n    Reprezentanti: cazeinogenul (proteina laptelui), vitelina, vitelenina (din galbenusul de ou), ihtulina (din icre de peste).

n    Rolul:

- servesc ca material energetic, plastic in porocesul de embriogeneza si crestere postnatala

- alimentar

Lipoproteine proteine + lipide (fosfolipide, TAG, colesterol)

n      Rolul:

n      Reprezinta constituienti structurali ai celulelor

n      intervin in permeabilitatea biomembranelor

n      furnizeaza energia

n      participa la transportul prin sange si limfa a unor substante liposolubile (vitaminele liposolubile A, D, E, K, unii hormoni, unele medicamente)

n      in plasma sanguina lipoproteinele(LP) se diferentiaza in 4 fractiuni pe baza densitatii lor:

- chilomicronii (d mai mica ca 0,95)

- LP cu densitate foarte mica (VLDL) (d mai mica ca 1,006)

- cu densitate mica (LDL) (d mai mica ca 1,065)

- cu densitate mare (HDL) (d mai mica ca 1,2)

Glicoproteinele - proteine + glucidica (glucozamina, galactozamina, a. hialuronic, glucozaminglicani)

n     Rolul:

n     sunt constituienti plastici ai celulei, intra in componenta membranelor biologice

n     au rol de protectie a mucoaselor gastrointestinale, ale aparatului respirator si urogenital fata de actiunea enzimelor proteolitice, a unor compusi chimici sau agenti mecanici

n     sunt inhibitori ai aglutinarii hematiilor

n     sunt componente specifice de grup sanguin

n     participa in reactiile imunologice

Metaloproteine: proteina +metal (Fe, Cu, Zn, Mg)

n     Exemple: Hb- contine Fe: transportul gazelor

n     Feritina - contine Fe, localizata in ficat, constituie rezerva, depozitul de Fe din organism

n     Transferina - contine Fe, Cu si Zn, se afla in plasma sanguina, transporta Fe in oprganism

n     Mioglobina - contine Fe, se afla in muschi, rol de transportor si rezervor al oxigenului in muschi

n     Ceruloplasmina - contine Cu, se afla in plasma sanguina, transportor al Cu in organism si actiune oxidazica asupra vitaminei C.

Peptidele active:

n     Endotelinele - o familie de peptide noi cu activitate biologica activa deosebita. In anul 1988 Yangisana au obtinut din cultura endoteliului vascular un peptid cu efect biologic pronuntat numit endotelina (ET).

n     ET- sunt cei mai efectivi factori vasoactivi.

n     Clasificare: deosebim ET1, ET2, ET3 (izoforme). Deosebirile intre ele:

n     sunt codificate de gene diferite

n     sunt expresate in mod diferit in tesut vascular.

n     Et-1 si ET2 - sunt vasoconstrictori puternici

n     Structura: ET1 un peptid biciclic format din 21 aminoacizi.

Sinteza si degradarea:

n     Sinteza: trei etape:

n     hidroliza proteolitica a preproendotelinei (92 a/a) sub actiunea convertazei 1 - cu formare de endotelina (40 a/a).

n     hidroliza capatului C terminal (- 2 a/a) sub actiunea carboxipeptidazei

n     sub actiunea convertazei 2 proendotelina trece in endotelina (21 a/a).

n     Degradarea: 2 enzime

n     metaloendopeptidaza cu PH optim de 5,5

n     endotelinaza (serinproteinaza)

Endotelinele

n      Actiune: 2 tipuri de receptori: ET-A si ET-B - situati nu numai in endoteliul vaselor ci si in rinichi, plamini, suprarenale, tesut nervos.

n      ET-A -receptorii + structurile fixatoare de G proteina - mediaza constrictia vaselor. Functia ET-B receptorilor e cuplata cu activarea fosfolipazei C si A2, majorarea nivelului de Ca intracelular - cu majorarea intensiva a prostaciclinei si/sau tromboxanului A2 - ceea ce conduce atat la constrictia cat si dilatarea vaselor.

n      Rolul:

n      regleaza tonusul vaselor si in general cardiohemodinamica

n      participa in patogenia HTA esentiale

n      ET-1 si ET-3 - poseda efecte neurologice (in tesutul nervos intensifica sinteza fosfoinozitolfosfatului), provoaca modificari in reactiile de comportare, efect central cardiorespirator.

n      regleaza starea functionala a endoteliului, stratului intim arterial si venos din diferite vase