Вторичная структура − это пространственное расположение полипептидной цепочки в виде α-спирали или β-складчатости безотносительно к типам боковых радикалов и их конформации.

Л. Полинг и Р. Кори предложили модель вторичной структуры белка в виде α-спирали, в которой водородные связи замыкаются между каждой первой и четвертой аминокислотой, что позволяет сохранять нативную структуру белка, осуществлять простейшие функции, защищать от разрушения. В образовании водородных связей принимают участие все пептидные группы, что обеспечивает максимальную стабильность, снижает гидрофильность и увеличивает гидрофобность белковой молекулы. α-спираль образуется самопроизвольно и является наиболее устойчивой конформацией, отвечающей минимуму свободной энергии.

Наиболее распространенным элементом вторичной структуры является правая α-спираль (α R). Пептидная цепь здесь изгибается винтообразно. Ha каждый виток приходится 3,6 аминокислотного остатка, шаг винта, т.е. минимальное расстояние между двумя эквивалентными точками, составляет 0,54 нм; α-спираль стабилизирована почти линейными водородными связями между NH-группой и СО-группой четвертого по счету аминокислотного остатка. Таким образом, в протяженных спиральных участках каждый аминокислотный остаток принимает участие в формировании двух водородных связей. Неполярные или амфифильные α-спирали с 5-6 витками часто обеспечивают заякоривание белков в биологических мембранах (трансмембранные спирали). Зеркально-симметричная относительно α R -спирали левая α-спираль (α L) встречается в природе крайне редко, хотя энергетически возможна. Закручивание полипептидной цепи белка в спиралеобразную структуру происходит вследствие взаимодействия между кислородом карбонильной группы i-того аминокислотного остатка и водородом амидогруппы (i+4)- аминокислотного остатка посредством образования водородных связей (рис.6.1).

Рис. 6.1. Вторичная структура белка: α-спираль

Другая форма спирали присутствует в коллагене, важнейшем компоненте соединительных тканей. Это левая спираль коллагена с шагом 0,96 нм и при остатке в 3,3 в каждом витке более пологая по сравнению с α-спиралью. В отличие от α-спирали образование водородных мостиков здесь невозможно. Структура стабилизирована за счет скручивания трех пептидных цепей в правую тройную спираль.

Наряду с α-спиралями в образовании вторичной структуры белка принимают также участие β-структуры, β-изгиб.

В отличие от конденсированной α-спирали β-слои почти полностью вытянуты и могут располагаться как параллельно, так и антипараллельно (рис.6.2).

Рис.6.2. Параллельное (а) и антипараллельное (б) расположение β-слоев

B складчатых структурах также образуются поперечные межцепочечные водородные связи (рис.6.3). Если цепи ориентированы в противоположных направлениях, структура называется антипараллельным складчатым листом (β α); если цепи ориентированы в одном направлении, структура называется параллельным складчатым листом (β n). В складчатых структурах α-С-атомы располагаются на перегибах, а боковые цепи ориентированы почти перпендикулярно средней плоскости листа, попеременно вверх и вниз. Энергетически предпочтительной оказывается β α -складчатая структура с почти линейными H-мостиками. В растянутых складчатых листах отдельные цепи чаще всего не параллельны, а несколько изогнуты относительно друг друга.

Рис.6.3. β-складчатая структура

Кроме регулярных в полипептидных цепях есть еще и нерегулярные вторичные структуры, т.е. стандартные структуры, не образующие длинных периодических систем. Это – β-изгибы они называются так потому, что часто стягивают верхушки соседних β-тяжей в антипараллельных β-шпильках). В изгибы обычно входит около половины остатков, не опавших в регулярные структуры белков.

Супервторичная структура − это более высокий уровень организации белковой молекулы, представленный ансамблем взаимодействующих между собой вторичных структур:

1. α-спираль − два антипараллельных участка, которые взаимодействуют гидрофобными комплементарными поверхностями (по принципу «впадина-выступ»);

2. сверхспирализация α-спирали;

3. βхβ − два параллельных участка β-цепи;

4. β-зигзаг.

Встречаются разнообразные способы укладки белковой цепи (рис. 6.5). Рисунок 6.5 взят с обложки журнала Nature 1977 г. (v.268, №.5620), где была напечатана статья Дж. Ричардсона о мотивах укладки белковых цепей.

Домен – компактная глобулярная структурная единица внутри полипептидной цепи. Домены могут выполнять разные функции и подвергаться свертыванию в независимые компактные глобулярные структурные единицы, соединенные между собой гибкими участками внутри белковой молекулы.

Выделяют четыре уровня структурной организации белков: первичный, вторичный, третичный и четвертичный. Каждый уровень имеет свои особенности.

Первичной структурой белков называется линейная полипептидная цепь из аминокислот, соединенных между собой пептидными связями. Первичная структура - простейший уровень структурной организации белковой молекулы. Высокую стабильность ей придают ковалентные пептидные связи между α-аминогруппой одной аминокислоты и α-карбоксильной группой другой аминокислоты [показать] .

Если в образовании пептидной связи участвует иминогруппа пролина или гидроксипролина, то она имеет другой вид [показать] .

При образовании пептидных связей в клетках сначала активируется карбоксильная группа одной аминокислоты, а затем она соединяется с аминогруппой другой. Примерно так же проводят лабораторный синтез полипептидов.

Пептидная связь является повторяющимся фрагментом полипептидной цепи. Она имеет ряд особенностей, которые влияют не только на форму первичной структуры, но и на высшие уровни организации полипептидной цепи:

• копланарность - все атомы, входящие в пептидную группу, находятся в одной плоскости;
• способность существовать в двух резонансных формах (кето- или енольной форме);
• транс-положение заместителей по отношению к С-N-связи;
• способность к образованию водородных связей, причем каждая из пептидных групп может образовывать две водородные связи с другими группами, в том числе и пептидными.

Исключение составляют пептидные группы с участием аминогруппы пролина или гидроксипролина. Они способны образовывать только одну водородную связь (см. выше). Это сказывается на формировании вторичной структуры белка. Полипептидная цепь на участке, где находится пролин или гидроксипролин, легко изгибается, так как не удерживается, как обычно, второй водородной связью.

Номенклатура пептидов и полипептидов . Название пептидов складывается из названий входящих в них аминокислот. Две аминокислоты дают дипептид, три - трипептид, четыре - тетрапептид и т. д. Каждый пептид или полипептидная цепь любой длины имеет N-концевую аминокислоту, содержащую свободную аминогруппу, и С-концевую аминокислоту, содержащую свободную карбоксильную группу. Называя полипептиды, перечисляют последовательно все аминокислоты, начиная с N-концевой, заменяя в их названиях, кроме С-концевой, суффикс -ин на -ил (так как аминокислоты в пептидах имеют уже не карбоксильную группу, а карбонильную). Например, название изображенного на рис. 1 трипептида - лейцил фенилаланил треонин .

Особенности первичной структуры белка . В остове полипептидной цепи чередуются жесткие структуры (плоские пептидные группы) с относительно подвижными участками (-СНR), которые способны вращаться вокруг связей. Такие особенности строения полипептидной цепи влияют на укладку ее в пространстве.

Вторичная структура представляет собой способ укладки полипептидной цепи в упорядоченную структуру благодаря образованию водородных связей между пептидными группами одной цепи или смежными полипептидными цепями. По конфигурации вторичные структуры делятся на спиральные (α-спираль) и слоисто-складчатые (β-структура и кросс-β-форма).

α-Спираль . Это разновидность вторичной структуры белка, имеющая вид регулярной спирали, образующейся благодаря межпептидным водородным связям в пределах одной полипептидной цепи. Модель строения α-спирали (рис. 2), учитывающая все свойства пептидной связи, была предложена Полингом и Кори. Основные особенности α-спирали:

• спиральная конфигурация полипептидной цепи, имеющая винтовую симметрию;
• образование водородных связей между пептидными группами каждого первого и четвертого аминокислотных остатков;
• регулярность витков спирали;
• равнозначность всех аминокислотных остатков в α-спирали независимо от строения их боковых радикалов;
• боковые радикалы аминокислот не участвуют в образовании α-спирали.

Внешне α-спираль похожа на слегка растянутую спираль электрической плитки. Регулярность водородных связей между первой и четвертой пептидными группами определяет и регулярность витков полипептидной цепи. Высота одного витка, или шаг α-спирали, равна 0,54 нм; в него входит 3,6 аминокислотных остатка, т. е. каждый аминокислотный остаток перемещается вдоль оси (высота одного аминокислотного остатка) на 0,15 нм (0,54:3,6 = 0,15 нм), что и позволяет говорить о равнозначности всех аминокислотных остатков в α-спирали. Период регулярности α-спирали равен 5 виткам или 18 аминокислотным остаткам; длина одного периода составляет 2,7 нм. Рис. 3. Модель а-спирали Полинга-Кори

β-Структура . Это разновидность вторичной структуры, которая имеет слабо изогнутую конфигурацию полипептидной цепи и формируется с помощью межпептидных водородных связей в пределах отдельных участков одной полипептидной цепи или смежных полипептидных цепей. Ее называют также слоисто-складчатой структурой. Имеются разновидности β-структур. Ограниченные слоистые участки, образуемые одной полипептидной цепью белка, называют кросс-β-формой (короткая β-структура). Водородные связи в кросс-β-форме образуются между пептидными группами петель полипептидной цепи. Другой тип - полная β-структура - характерен для всей полипептидной цепочки, которая имеет вытянутую форму и удерживается межпептидными водородными связями между смежными параллельными полипептидными цепями (рис. 3). Эта структура напоминает меха аккордеона. Причем возможны варианты β-структур: они могут быть образованы параллельными цепями (N-концы полипептидных цепей направлены в одну и ту же сторону) и антипараллельными (N-концы направлены в разные стороны). Боковые радикалы одного слоя помещаются между боковыми радикалами другого слоя.

В белках возможны переходы от α-структур к β-структурам и обратно вследствие перестройки водородных связей. Вместо регулярных межпептидных водородных связей вдоль цепи (благодаря им полипептидная цепь скручивается в спираль) происходит раскручивание спирализованных участков и замыкание водородных связей между вытянутыми фрагментами полипептидных цепей. Такой переход обнаружен в кератине - белке волос. При мытье волос щелочными моющими средствами легко разрушается спиральная структура β-кератина и он переходит в α-кератин (вьющиеся волосы распрямляются).

Разрушение регулярных вторичных структур белков (α-спирали и β-структур) по аналогии с плавлением кристалла называют "плавлением" полипептидов. При этом водородные связи рвутся, и полипептидные цепи принимают форму беспорядочного клубка. Следовательно, стабильность вторичных структур определяется межпептидными водородными связями. Остальные типы связей почти не принимают в этом участия, за исключением дисульфидных связей вдоль полипептидной цепи в местах расположения остатков цистеина. Короткие пептиды благодаря дисульфидным связям замыкаются в циклы. Во многих белках одновременно имеются α-спиральные участки и β-структуры. Природных белков, состоящих на 100% из α-спирали, почти не бывает (исключение составляет парамиозин - мышечный белок, на 96-100% представляющий собой α-спираль), тогда как у синтетических полипептидов 100%-ная спирализация.

Другие белки имеют неодинаковую степень спирализации. Высокая частота α-спиральных структур наблюдается у парамиозина, миоглобина, гемоглобина. Напротив, у трипсина, рибонуклеазы значительная часть полипептидной цепи укладывается в слоистые β-структуры. Белки опорных тканей: кератин (белок волос, шерсти), коллаген (белок сухожилий, кожи), фиброин (белок натурального шелка) имеют β-конфигурацию полипептидных цепей. Разная степень спирализации полипептидных цепей белков говорит о том, что, очевидно, имеются силы, частично нарушающие спирализацию или "ломающие" регулярную укладку полипептидной цепи. Причиной этого является более компактная укладка полипептидной цепи белка в определенном объеме, т. е. в третичную структуру.

Третичная структура белка

Третичной структурой белка называется способ укладки полипептидной цепи в пространстве. По форме третичной структуры белки делятся в основном на глобулярные и фибриллярные. Глобулярные белки чаще всего имеют эллипсовидную форму, а фибриллярные (нитевидные) белки - вытянутую (форма палочки, веретена).

Однако конфигурация третичной структуры белков еще не дает основания думать, что фибриллярные белки имеют только β-структуру, а глобулярные α-спиральные. Есть фибриллярные белки, имеющие спиральную, а не слоисто-складчатую вторичную структуру. Например, α-кератин и парамиозин (белок запирательной мышцы моллюсков), тропомиозины (белки скелетных мышц) относятся к фибриллярным белкам (имеют палочковидную форму), а вторичная структура у них - α-спираль; напротив, в глобулярных белках может быть большое количество β-структур.

Спирализация линейной полипептидной цепи уменьшает ее размеры примерно в 4 раза; а укладка в третичную структуру делает ее в десятки раз более компактной, чем исходная цепь.

Связи, стабилизирующие третичную структуру белка . В стабилизации третичной структуры играют роль связи между боковыми радикалами аминокислот. Эти связи можно разделить на:

• сильные (ковалентные) [показать] .

  К ковалентным связям относятся дисульфидные связи (-S-S-) между боковыми радикалами цистеинов, находящихся в разных участках полипептидной цепи; изопептидные, или псевдопептидные, - между аминогруппами боковых радикалов лизина, аргинина, а не α-аминогруппами, и СООН-группами боковых радикалов аспарагиновой, глутаминовой и аминолимонной кислот, а не α-карбоксильными группами аминокислот. Отсюда и название этого типа связи - подобная пептидной. Редко встречается эфирная связь, образуемая СООН-группой дикарбоновых аминокислот (аспарагиновой, глутаминовой) и ОН-группой гидроксиаминокислот (серина, треонина).

• слабые (полярные и ван-дер-ваальсовы) [показать] .

  К полярным связям относятся водородные и ионные. Водородные связи, как обычно, возникают между группой -NН 2 , - ОН или -SН бокового радикала одной аминокислоты и карбоксильной группой другой. Ионные, или электростатические, связи образуются при контакте заряженных групп боковых радикалов -NН + 3 (лизина, аргинина, гистидина) и -СОО - (аспарагиновой и глутаминовой кислот).

  Неполярные, или ван-дер-ваальсовы, связи образуются между углеводородными радикалами аминокислот. Гидрофобные радикалы аминокислот аланина, валина, изолейцина, метионина, фенилаланина в водной среде взаимодействуют друг с другом. Слабые ван-дер-ваальсовы связи способствуют формированию гидрофобного ядра из неполярных радикалов внутри белковой глобулы. Чем больше неполярных аминокислот, тем большую роль в укладке полипептидной цепи играют ван-дер-ваальсовы связи.

Многочисленные связи между боковыми радикалами аминокислот определяют пространственную конфигурацию белковой молекулы.

Особенности организации третичной структуры белка . Конформация третичной структуры полипептидной цепи определяется свойствами боковых радикалов входящих в нее аминокислот (которые не оказывают заметного влияния на формирование первичной и вторичной структур) и микроокружением, т. е. средой. При укладке полипептидная цепь белка стремится принять энергетически выгодную форму, характеризующуюся минимумом свободной энергии. Поэтому неполярные R-группы, "избегая" воды, образуют как бы внутреннюю часть третичной структуры белка, где расположена основная часть гидрофобных остатков полипептидной цепи. В центре белковой глобулы почти нет молекул воды. Полярные (гидрофильные) R-группы аминокислоты располагаются снаружи этого гидрофобного ядра и окружены молекулами воды. Полипептидная цепь причудливо изгибается в трехмерном пространстве. При ее изгибах нарушается вторичная спиральная конформация. "Ломается" цепь в слабых точках, где находятся пролин или гидроксипролин, поскольку эти аминокислоты более подвижны в цепи, образуя только одну водородную связь с другими пептидными группами. Другим местом изгиба является глицин, R-группа которого мала (водород). Поэтому R-группы других аминокислот при укладке стремятся занять свободное пространство в месте нахождения глицина. Ряд аминокислот - аланин, лейцин, глутамат, гистидин - способствуют сохранению устойчивых спиральных структур в белке, а такие, как метионин, валин, изолейцин, аспарагиновая кислота, благоприятствуют образованию β-структур. В молекуле белка с третичной конфигурацией встречаются участки в виде α-спиралей (спирализованные), β-структур (слоистые) и беспорядочного клубка. Только правильная пространственная укладка белка делает его активным; нарушение ее приводит к изменению свойств белка и потере биологической активности.

Четвертичная структура белка

Белки, состоящие из одной полипептидной цепи, имеют только третичную структуру. К ним относятся миоглобин - белок мышечной ткани, участвующий в связывании кислорода, ряд ферментов (лизоцим, пепсин, трипсин и т. д.). Однако некоторые белки построены из нескольких полипептидных цепей, каждая из которых имеет третичную структуру. Для таких белков введено понятие четвертичной структуры, которая представляет собой организацию нескольких полипептидных цепей с третичной структурой в единую функциональную молекулу белка. Такой белок с четвертичной структурой называется олигомером, а его полипептидные цепи с третичной структурой - протомерами или субъединицами (рис. 4).

При четвертичном уровне организации белки сохраняют основную конфигурацию третичной структуры (глобулярную или фибриллярную). Например, гемоглобин - белок, имеющий четвертичную структуру, состоит из четырех субъединиц. Каждая из субъединиц - глобулярный белок и в целом гемоглобин тоже имеет глобулярную конфигурацию. Белки волос и шерсти - кератины, относящиеся по третичной структуре к фибриллярным белкам, имеют фибриллярную конформацию и четвертичную структуру.

Стабилизация четвертичной структуры белков . Все белки, у которых обнаружена четвертичная структура, выделены в виде индивидуальных макромолекул, не распадающихся на субъединицы. Контакты между поверхностями субъединиц возможны только за счет полярных групп аминокислотных остатков, поскольку при формировании третичной структуры каждой из полипептидных цепей боковые радикалы неполярных аминокислот (составляющих большую часть всех протеиногенных аминокислот) спрятаны внутри субъединицы. Между их полярными группами образуются многочисленные ионные (солевые), водородные, а в некоторых случаях и дисульфидные связи, которые прочно удерживают субъединицы в виде организованного комплекса. Применение веществ, разрывающих водородные связи, или веществ, восстанавливающих дисульфидные мостики, вызывает дезагрегацию протомеров и разрушение четвертичной структуры белка. В табл. 1 суммированы данные о связях, стабилизирующих разные уровни организации белковой молекулы [показать] .

Таблица 1. Характеристика связей, участвующих в структурной организации белков
Уровень организации	Типы связей (по прочности)	Разновидность связи
Первичная (линейная полипeптидная цепь)	Ковалентные (сильные)	Пептидная - между α-амино- и α-карбоксильными группами аминокислот
Вторичная (α-спираль, β-структуры)	Слабые	Водородные - между пептидными группами (каждой первой и четвертой) одной полипептидной цепи или между пептидными группами смежных полипептидных цепей
	Ковалентные (сильные)	Дисульфидные - дисульфидные петли в пределах линейного участка полипептидной цепи
Третичная (глобулярная, фибриллярная)	Ковалентные (сильные)	Дисульфидные, изопептидные, сложноэфирные - между боковыми радикалами аминокислот разных участков полипептидной цепи
	Слабые	Водородные - между боковыми радикалами аминокислот разных участков полипептидной цепи Ионные (солевые) - между противоположно заряженными группами боковых радикалов аминокислот полипептидной цепи Ван-дер-ваальсовы - между неполярными боковыми радикалами аминокислот полипептидной цепи
Четвертичная (глобулярная, фибриллярная)	Слабые	Ионные - между противоположно заряженными группами боковых радикалов аминокислот каждой из субъединиц Водородные - между боковыми радикалами аминокислотных остатков, расположенными на поверхности контактирующих участков субъединиц
	Ковалентные (сильные)	Дисульфидные - между остатками цистеина каждой из контактирующих поверхностей разных субъединиц

Особенности структурной организации некоторых фибриллярных белков

Структурная организация фибриллярных белков имеет ряд особенностей по сравнению с глобулярными белками. Эти особенности можно проследить на примере кератина, фиброина и коллагена. Кератины существуют в α- и β-конформациях. α-Кератины и фиброин имеют слоисто-складчатую вторичную структуру, однако в кератине цепи параллельны, а в фиброине антипараллельны (см. рис. 3); кроме того, в кератине имеются межцепочечные дисульфидные связи, а у фиброина они отсутствуют. Разрыв дисульфидных связей приводит к разъединению полипептидных цепей в кератинах. Напротив, образование максимального числа дисульфидных связей в кератинах путем воздействия окислителей создает прочную пространственную структуру. Вообще у фибриллярных белков в отличие от глобулярных порой трудно строго разграничить разные уровни организации. Если принять (как для глобулярного белка), что третичная структура должна образовываться путем укладки в пространстве одной полипептидной цепи, а четвертичная - нескольких цепей, то в фибриллярных белках уже при формировании вторичной структуры участвует несколько полипептидных цепей. Типичным примером фибриллярного белка является коллаген, который относится к самым распространенным белкам организма человека (около 1/3 от массы всех белков). Он содержится в тканях, обладающих высокой прочностью и малой растяжимостью (кости, сухожилия, кожа, зубы и т. д.). В коллагене треть аминокислотных остатков приходится на глицин, а около четверти или чуть более - на пролин или гидроксипролин.

Изолированная полипептидная цепь коллагена (первичная структура) похожа на ломаную линию. Она содержит около 1000 аминокислот и имеет молекулярную массу порядка 10 5 (рис. 5, а, б). Полипептидная цепь построена из повторяющейся тройки аминокислот (триплет) следующего состава: гли-А-В, где А и В - любые, кроме глицина, аминокислоты (чаше всего пролин и гидроксипролин). Полипептидные цепи коллагена (или α-цепи) при формировании вторичной и третичной структур (рис. 5, в и г) не могут давать типичных α-спиралей, имеющих винтовую симметрию. Этому мешают пролин, гидроксипролин и глицин (антиспиральные аминокислоты). Поэтому три α-цепи образуют как бы скрученные спирали подобно трем нитям, обвивающим цилиндр. Три спиральные α-цепи формируют повторяющуюся структуру коллагена, которая называется тропоколлагеном (рис. 5, г). Тропоколлаген по своей организации является третичной структурой коллагена. Плоские кольца пролина и оксипролина, регулярно чередующиеся вдоль цепи, придают ей жесткость, как и межцепочечные связи между α-цепями тропоколлагена (поэтому коллаген устойчив к растяжению). Тропоколлаген является, по существу, субъединицей фибрилл коллагена. Укладка тропоколлагеновых субъединиц в четвертичную структуру коллагена происходит ступенеобразно (рис. 5, д).

Стабилизация структур коллагена происходит за счет межцепочечных водородных, ионных и ван-дер-ваальсовых связей и небольшого количества ковалентных связей.

α-Цепи коллагена имеют разное химическое строение. Различают α 1 -цепи разных видов (I, II, III, IV) и α 2 -цепи. В зависимости от того, какие α 1 - и α 2 -цепи участвуют в образовании трехцепочечной спирали тропоколлагена, различают четыре типа коллагена:

• первый тип - две α 1 (I) и одна α 2 -цепи;
• второй тип - три α 1 (II)-цепи;
• третий тип - три α 1 (III)-цепи;
• четвертый тип - три α 1 (IV)-цепи.

Наиболее распространен коллаген первого типа: он содержится в костной ткани, коже, сухожилиях; коллаген второго типа содержится в хрящевой ткани и т. д. В одном виде ткани могут быть разные типы коллагена.

Упорядоченная агрегация коллагеновых структур, их жесткость и инертность обеспечивают высокую прочность коллагеновых волокон. Коллагеновые белки содержат также углеводные компоненты, т. е. являются белок-углеводными комплексами.

Коллаген - внеклеточный белок, который образуется клетками соединительной ткани, входящей во все органы. Поэтому с повреждением коллагена (или нарушением его образования) возникают множественные нарушения опорных функций соединительной ткани органов.

Страница 3

всего страниц: 7

Водородная связь в молекуле белка осуществляется между имеющим частично положительный заряд атомом водорода одной группировки и атомом (кислород, азот), имеющим частично отрицательный заряд и неподеленную электронную пару другой группировки. В белках различают два варианта образования водородных связей: между пептидными группами

и между боковыми радикалами полярных аминокислот. В качестве примера рассмотрим образование водородной связи между радикалами аминокислотных остатков, содержащих гидроксильные группы:

Ван-дер-ваальсовы силы имеют электростатическую природу. Они возникают между разноименными полюсами диполя. В молекуле белка существуют положительно и отрицательно заряженные участки, между которыми возникает электростатическое притяжение.

Рассмотренные выше химические связи принимают участие в формировании структуры белковых молекул. Благодаря пептидным связям образуются полипептидные цепи и, таким образом, формируется первичная структура белка. Пространственная организация белковой молекулы определяется в основном водородными, ионными связями, ван-дер-ваальсовыми силами, гидрофобными взаимодействиями. Водородные связи, возникающие между пептидными группами, определяют вторичную структуру белка. Формированиетретичной и четвертичной структуры осуществляется водородными связями, образующимися между радикалами полярных аминокислот, ионными связями, ван-дер-ваальсовыми силами, гидрофобными взаимодействиями. Дисульфидные связи принимают участие в стабилизации третичной структуры.

Аминокислоты – относительно низкомолекулярные амфотерные соединения, в состав которых кроме углерода, кислорода и водорода входит азот. Амфотерность аминокислот проявляется в способности карбоксильной группы (-СООН) отдавать Н + , функционируя как кислота, а аминной группы – (-NH 2) – принимать протон, проявляя свойства оснований, благодаря чему в клетке играют роль буферных систем.

Большинство аминокислот – нейтральные: содержат одну амино- и одну карбоксильную группу. Основные аминокислоты содержат более одной аминогруппы, а кислые – более одной карбоксильной группы.

В живых организмах встречается около 200 аминокислот, но только 20 из них входят в состав белков – это белокобразующие (основные, протеиногенные) аминокислоты (табл. 2), которые в зависимости от свойств радикала делят на три группы:

1) неполярные (аланин, метионин, валин, пролин, лейцин, изолейцин, триптофан, фенилаланин);

2) полярные незаряженные (аспарагин, глутамин, серин, глицин, тирозин, треонин, цистеин);

3) полярные заряженные (аргинин, гистидин, лизин – положительно заряженные; аспарагиновая и глутаминовая кислоты – отрицательно).

Таблица 2. Двадцать белокобразующих аминокислот

Сокращенное название	Аминокислота	Сокращенное название	Аминокислота
Ала	Аланин	Лей	Лейцин
Арг	Аргинин	Лиз	Лизин
Асн	Аспарагин	Мет	Метионин
Асп	Аспарагиновая кислота	Про	Пролин
Вал	Валин	Сер	Серин
Гис	Гистидин	Тир	Тирозин
Гли	Глицин	Тре	Треонин
Глн	Глутамин	Три	Триптофан
Глу	Глутаминовая кислота	Фен	Фенилаланин
Иле	Изолейцин	Цис	Цистеин

Боковые цепи аминокислот (радикалы) бывают гидрофобными или гидрофильными и придают белкам соответствующие свойства. Эти свойства радикалов играют определяющую роль в формировании пространственной структуры (конформации ) белка.

Аминогруппа одной аминокислоты способна вступать в реакцию с карбоксильной группой другой аминокислоты посредством пептидной связи (СО-NH), образуя дипептид . На одном конце молекулы дипептида находится свободная аминогруппа, а на другом – свободная карбоксильная группа. Благодаря этому дипептид может присоединять к себе другие аминокислоты, образуя олигопептиды (до 10 аминокислот). Если таким образом соединяются 11 - 50 аминокислот, то образуется полипептид.

Пептиды и олигопептиды играют в организме важную роль:

Олигопептиды: гормоны (окситоцин, вазопрессин), антибиотики (грамицидин S); некоторые очень токсичные ядовитые вещества (аманитин грибов);

Полипептиды: брадикинин (пептид боли); некоторые опиаты («естественные наркотики» человека) выполняющие функцию обезболивания (принятие наркотиков нарушает опиатную систему организма, поэтому наркома испытывает сильную боль – «ломку», которая в норме снимается опиатами); гомоны (инсулин, АКТГ и др.); антибиотики (грамицидин А), токсины (дифтерийный токсин).

Белки образованы значительно большим количеством мономеров – от 51 до нескольких тысяч с относительной молекулярной массой свыше 6000. Молекулы различных белков отличаются друг от друга молекулярной массой, числом, составом и последовательностью расположения аминокислот в полипептидной цепи. Именно это объясняет огромное разнообразие белков; их количество у всех видов живых организмов составляет 10 10 – 10 12 .

Соединяясь друг с другом пептидной связью, аминокислоты образуют цепочку, которая называется первичной структурой белка . Первичная структура специфична для каждого белка и определяется генетической информацией (последовательностью нуклеотидов ДНК). От первичной структуры зависят окончательная конформация и биологические свойства белка. Поэтому замена даже одной аминокислоты в полипептидной цепочке, или изменение расположения аминокислотных остатков обычно приводит к изменению структуры белка и к снижению, или утрате его биологической активности.

Рис. Структура белковой молекулы: 1 - первичная; 2 - вторичная; 3 - третичная; 4 - четвертичная структуры.

Вторичная структура возникает в результате образования водородных связей внутри одной полипептидной цепи (спиральная конфигурация, альфа-спираль) или между двумя полипептидными цепями (складчатые, бета-слои). Степень спирализации от 11 до 100%. На этом уровне биологически активными являются белки тканей с низким уровнем обменных процессов: кератин – структурный белок волос, шерсти, когтей, перьев и рогов, рогового слоя кожи позвоночных, фибрин крови, гиалин (спиральная структура); фиброин шелка (складчатая структура). Фибриллярные белки могут образовываться в результате скручивания нескольких спиралей вместе (3 у коллагена, 7 у кератина) или связывания боковыми цепями складчатых структур.

Рис. Водородные связи.

Третичная структура глобулярная) – характерна для большинства белков – трехмерное образование шаровидной формы, в которое складываются спиральные и неспиральные участки полипептидной цепи. Связи, стабилизирующие третичную структуру:

1) электростатические силы притяжения между R-группами, несущими противоположно заряженные ионогенные группы (ионные связи);

2) водородные связи между полярными (гидрофильными) R-группами;

3)гидрофобные взаимодействия между неполярными (гидрофобными) R-группами;

4) дисульфидные связи между радикалами двух молекул цистеина. Эти связи ковалентные. Они повышают стабильность третичной структуры, но не всегда являются обязательными для правильного скручивания молекулы. В ряде белков они могут вообще отсутствовать.

Четвертичная структура – результат объединения за счет гидрофобных взаимодействий, при помощи водородных и ионных связей нескольких полипептидных цепей. Молекула глобулярного белка гемоглобина состоит из четырех (2 альфа - и 2 бета -) отдельных полипептидных субъединиц (протомеров) и небелковой части (простетической группы) – гема . Только благодаря такому строению гемоглобин может выполнять свою транспортную функцию.

По химическому составу белки разделяют на простые (протеины) и сложные (протеиды). Простые белки состоят только из аминокислот (альбумины, глобулины, протамины, гистоны, глутелины, проламины). Сложные в своем составе помимо аминокислот (белковая часть) содержат небелковую часть - нуклеиновые кислоты (нуклеопротеиды), углеводы (гликопротеиды), липиды (липопротеиды) металлы (металлопротеиды), фосфор (фосфопротеиды).

Рис. Связи, стабилизирующие третичную структуру

Белки обладают свойством обратимо изменять свою структуру в ответ на действие физических (высокая температура, облучение, высокое давление и т.д.) и химических (спирт, ацетон, кислоты, щелочи и др.) факторов, которое лежит в основе раздражимости, и происходит путем денатурации и ренатурации:

- денатурация – процесс нарушения естественной (нативной) структуры белка; может быть обратимым, при условии сохранения первичной структуры.

- ренатурация – процесс самопроизвольного восстановления структуры белка при возвращении нормальных условий среды.

Рис. Денатурация и ренатурация белка: 1 - молекула белка третичной структуры; 2 - денатурированный белок; 3 - восстановление третичной структуры в процессе ренатурации.

Функции белков :

1) структурная (строительная):

а) входят в состав биологических мембран, образуют цитоскелет клеток;

б)являются составными частями органоидов (например, рибосом, клеточного центра и др.), хромосом (гистоновые белки);

в) образуют цитоскелет (белок тубулин – составная часть микротрубочек);

г) главный компонент опорных структур организма (коллаген кожи, хрящей, сухожилий; эластин кожи; кератин волос, ногтей, когтей, копыт, рогов, перьев);

д) паутинные нити пауков.

2) транспортная : связывают и переносят специфические молекулы, ионы (гемоглобин переносит кислород; альбумины крови транспортируют жирные кислоты, глобулины - ионы металлов и гормоны); мембранные белки принимают участие в транспорте веществ в клетку и из неё).

3) сократительная (двигательная):

а) в сокращении миофибрилл мышечной ткани участвуют актин и миозин, обеспечивая движение;

б) белок тубулин в составе микротрубочек формирует веретено деления, которое обеспечивает движение хромосом во время митоза и мейоза;

в) белок тубулин в составе ундулиподий – ресничек и жгутиков , обеспечивает движение протист и специализированных клеток (сперматозоидов)

4) ферментативная (каталитическая): более 2000 ферментов катализируют все биохимические реакции в клетке(супероксиддисмутаза нейтрализует свободные радикалы, амилаза расщепляет крахмал до глюкозы, цитохромы участвуют в фотосинтезе);

5) регуляторная : некоторые белки являются гормонами, регулирующими обменвеществ в клетке и в организме (инсулин регулирует содержание глюкозы в крови, глюкагон – расщепление гликогена до глюкозы, гистоны – генную активность и др.);

6) рецепторная (сигнальная): в мембранах имеются белки-рецепторы (интегральные), способные взаимодействовать с гормонами и другими биологически активными веществами; они изменять свою конформацию (пространственную структуру) и передают, таким образом, сигналы (информацию) от встречи с такими веществами в клетку; последняя вследствие этого, перестраивает биохимические реакции обмена веществ; некоторые мембранные белки также меняют свою структуру в ответ на действие факторов внешней среды (например, светочувствительный белок фитохром регулирует фотопериодические реакции растений; опсин – составная часть пигмента родопсина в сетчатке глаза);

7) защитная : защищают организм от вторжения других организмов и от повреждений (антитела – иммуноглобулины блокируют чужеродные антигены, фибриноген, тромбопластин и тромбин предохраняют организм от кровопотерь, белок – интерферон защищает от вирусных инфекций);

8) токсическая : белки-токсины образуются в организме многих змей, лягушек, насекомых, кишечнополостных, грибов, растений и бактерий;

9) энергетическая : при полном окислении 1 г белка высвобождается 17,6 кДж энергии; однако белки становятся источником энергии только после исчерпания запасов углеводов и жиров;

10) запасающая : яичный альбумин – запасной строительный и энергетический материал для развития эмбриона птиц; казеин молока также выполняет эти функции при вскармливании детенышей молоком.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Структурная организация белков

Каждый белок характеризуется специфической аминокислотной последовательностью и индивидуальной пространственной структурой (конформацией). На долю белков приходится не менее 50% сухой массы органических соединений животной клетки. В организме человека насчитывается до 5 млн. различных видов белков. Белковая молекула может состоять из одной или нескольких цепей, содержащих от пятидести до нескольких сотен (иногда более тысячи) аминокислотных остатков. Молекулы, содержащие менее пятидесяти остатков, относят к пептидам. В состав многих молекул входят остатки цистеина, дисульфидные связи которых ковалентно связывают участки одной или нескольких цепей. В нативном состоянии белковые макромолекулы обладают специфической конформацией. Характерная для данного белка конформация определяется последовательностью аминокислотных остатков и стабилизируется водородными связями между пептидными и боковыми группами аминокислотных остатков, а также электростатическими и гидрофобными взаимодействиями.

2. Первичная структура белка: методы исследования

Структурные особенности пептидной связи.

Пептидная связь образуется при реакции аминогруппы одной амино-

кислоты и карбоксильной группы другой с выделением молекулы воды:

СН3-СН(NH2)-COOH + CH3- СН(NH2)-COOH >СН3-СН(NH2)-CONH-(CH3) СН-COOH + H2O

Связанные пептидной связью аминокислоты образуют полипептидную цепь. Пептидная связь имеет плоскостную структуру: атомы С, О и N находятся в sp2-гибридизации; у атома N имеется р-орбиталь с неподеленной парой электронов; образуется р-р-сопряженная система, приводящая к укорочению связи С?N (0,132 нм) и ограничению вращения (барьер вращения составляет?63 кДж/моль). Пептидная связь имеет преимущественно трансконфигурацию относительно плоскости пептидной связи. Подобное строение пептидной связи сказывается на формировании вторичной и третичной структуры белка. Пептидная связь жесткая, ковалентная, генетически детерминированная. В структурных формулах изображается в виде одинарной связи, однако на самом деле эта связь между углеродом и азотом носит характер частично двойной связи:

Это вызвано различной электроотрицательностью атомов С, N и O. Вокруг пептидной связи вращение невозможно, все четыре атома лежат в одной плоскости, т.е. компланарны. Вращение же других связей вокруг полипептидного остова достаточно свободно.

Первичная структура была открыта профессором Казанского университета А.Я. Данилевским в 1989 г. В 1913 году Э. Фишером были синтезированы первые пептиды. Последовательность аминокислот для каждого белка уникальна и закреплена генетически

Рис. 1.2 Образование дипептида

Для определения первичной структуры отдельной, химически гомогенной полипептидной цепи методом гидролиза выясняют аминокислотный состав: соотношение каждой из двадцати аминокислот в образце гомогенного полипептида. Затем приступают к определению химической природы концевых аминокислот полипептидной цепи, содержащей одну свободную NH2-группу и одну свободную СООН-группу.

Для определения природы N-концевой аминокислоты предложен ряд методов, в частности, метод Сэнжера (за его разработку Ф. Сэнжер был удостоен Нобелевской премии в 1958 г.). Этот метод основан на реакции арилирования полипептида 2,4-динитрофторбензолом. Раствор полипептида обрабатывают 2,4-динитрофторбензолом, который взаимодействует со свободной б-аминогруппой пептида. После кислотного гидролиза продукта реакции только одна аминокислота оказывается связанной с реактивом в виде 2,4-динитрофениламинокислоты. В отличие от других аминокислот она имеет желтый цвет. Ее выделяют из гидролизата и идентифицируют методом хроматографии.

Для определения С-концевой аминокислоты часто используют ферментативные методы. Обработка полипептида карбоксипептидазой, которая разрывает пептидную связь с того конца пептида, где содержится свободная СООН-группа, приводит к освобождению С-концевой аминокислоты, природа которой может быть идентифицирована методом хроматографии. Существуют и другие методы определения С-концевой аминокислоты, в частности, химический метод Акабори, основанный на гидразинолизе полипептида. Следующий этап работы связан с определением последовательности аминокислот в полипептиде. Для этого вначале проводят частичный (химический и ферментативный) гидролиз полипептидной цепи на короткие пептидные фрагменты, последовательность которых может быть точно определена. После гидролиза с помощью электрофореза и хроматографии составляют пептидные карты. Затем устанавливают последовательность аминокислот в выделенных пептидах и первичную структуру всей молекулы.

Вторичная структура белков:б--спираль, ее основные характеристики, в--структура, в--изгиб. Роль водородных связей в формировании вторичной структуры.. Сверхвторичные (надвторичные) структуры белка.

Вторичная структура? это пространственное расположение полипептидной цепочки в виде б-спирали или в-складчатости безотносительно к типам боковых радикалов и их конформации. Л. Полинг и Р. Кори предложили модель вторичной структуры белка в виде б-спирали, в которой водородные связи замыкаются между каждой первой и четвертой аминокислотой, что позволяет сохранять нативную структуру белка, осуществлять простейшие функции, защищать от разрушения. В образовании водородных связей принимают участие все пептидные группы, что обеспечивает максимальную стабильность, снижает гидрофильность и увеличивает гидрофобность белковой молекулы. б-спираль образуется самопроизвольно и является наиболее устойчивой конформацией, отвечающей минимуму свободной энергии.

Наиболее распространенным элементом вторичной структуры является правая б-спираль (б R).

Пептидная цепь здесь изгибается винтообразно. Ha каждый виток приходится 3,6 аминокислотного остатка, шаг винта, т.е. минимальное расстояние между двумя эквивалентными точками, составляет 0,54 нм; б-спираль стабилизирована почти линейными водородными связями между NH-группой и СО-группой четвертого по счету аминокислотного остатка. Таким образом, в протяженных спиральных участках каждый аминокислотный остаток принимает участие в формировании двух водородных связей. Неполярные или амфифильные б-спирали с 5-6 витками часто обеспечивают заякоривание белков в биологических мембранах (трансмембранные спирали). Зеркально-симметричная относительно б R-спирали левая б-спираль (бL) встречается в природе крайне редко, хотя энергетически возможна. Закручивание полипептидной цепи белка в спиралеобразную структуру происходит вследствие взаимодействия между кислородом карбонильной группы i-того аминокислотного остатка и водородом амидогруппы (i+4)- аминокислотного остатка посредством образования водородных связей:

Рис. 1.3 (а) Атомы азота изображены синим цветом, кислорода - красным. Оранжевым изображены водородные связи, образующиеся между соответствующими атомами азота и кислорода Атомы азота изображены синим цветом спирали. И оранжевым отображены водородные связи, образующиеся между соответствующими правилу атомами кислорода и азота

рис.1.3(б) Вторичная структура белка: альфа-спираль

Другая форма спирали присутствует в коллагене, важнейшем компоненте соединительных тканей. Это левая спираль коллагена с шагом 0,96 нм и при остатке в 3,3 в каждом витке более пологая по сравнению с б-спиралью. В отличие от б-спирали образование водородных мостиков здесь невозможно. Структура стабилизирована за счет скручивания трех пептидных цепей в правую тройную спираль. Наряду с б-спиралями в образовании вторичной структуры белка принимают также участие в-структуры, в-изгиб. В отличие от конденсированной б-спирали в-слои почти полностью вытянуты и могут располагаться как параллельно, так и антипараллельно. B складчатых структурах также образуются поперечные межцепочечные водородные связи.Если цепи ориентированы в противоположных направлениях, структура называется антипараллельным складчатым листом (вб); если цепи ориентированы в одном направлении, структура называется параллельным складчатым листом (вn). В складчатых структурах б-С-атомы располагаются на перегибах, а боковые цепи ориентированы почти перпендикулярно средней плоскости листа, попеременно вверх и вниз.

Энергетически предпочтительной оказывается вб-складчатая структура с почти линейными H-мостиками. В растянутых складчатых листах отдельные цепи чаще всего не параллельны, а несколько изогнуты относительно друг друга.

Рис. 1.4 Бета-складчатая структура белка

Кроме регулярных в полипептидных цепях есть еще и нерегулярные вторичные структуры, т.е. стандартные структуры, не образующие длинных периодических систем. Это - в-изгибы они называются так потому, что часто стягивают верхушки соседних в-тяжей в антипараллельных в-шпильках). В изгибы обычно входит около половины остатков, не опавших в регулярные структуры белков.

Супервторичная структура? это более высокий уровень организации белковой молекулы, представленный ансамблем взаимодействующих между собой вторичных структур:

1. б-спираль? два антипараллельных участка, которые взаимодействуют гидрофобными комплементарными поверхностями (по принципу «впадина-выступ»);

2. сверхспирализация б-спирали;

3. вхв? два параллельных участка в-цепи;

4. в-зигзаг.

Встречаются разнообразные способы укладки белковой цепи:

рис.1.5 Способы укладки белковой цепи

Домен - компактная глобулярная структурная единица внутри полипептидной цепи. Домены могут выполнять разные функции и подвергаться свертыванию в независимые компактные глобулярные структурные единицы, соединенные между собой гибкими участками внутри белковой молекулы.

Рис. 1.6 Мотивы укладки белковой цепи и орнаменты на индейских и греческих вазах. Вверху: мотив меандра; в середине: мотив греческого ключа; внизу: мотив зигзага-"молнии" .

3.Вторичная структура белков: конформации полипептидной цепи

Для понимания структуры белка необходимо рассмотреть возможные конформации полипептидной цепи.Они определяются,прежде всего, плоским строение пептидной связи -СО - NН- .Структурные параметры пептидных единиц,установленные в результате рентгенографического исследования пептидов и родственных им соединений,представлен в табл.

Таблица 1. Структурные параметры пептидных единиц: длины связей и углы между ними X и Y -атомы,с которыми связан углерод как в основной цепи,так и при привеске радикалов.

Полностью вытянутая цепь(без деформации валентных углов и изменений длин связей) имеет транс конформацию с нулевыми значениями углов поворота.Однако такая конформация не является наиболее стабильной. Атомы иминных групп N-H образуют водородные связи с атомами кислорода карбонильных групп.Нахождение наиболее устойчивой конформации требуетминимизации ее полной энергии,включая энергию внутримолекулярных водородных связей.

Полинг и Кори определили наиболее устойчивые конформации полипептидной цепи,основываясь на данных рентгеноструктурных исследований и рассмотрении полной упаковки цепей с максимальным числом водородных связей. Таких конформаций три.Это, во-первых,уже известная б-спираль. Она характеризуется поворотом вокруг оси на 54 нм.

Водородные связи образованны между С=О группой данной группы и N-Н группой четвертой предшествующей единицы. Такие связи реализуются между всеми аминокислотными остатками, за исключением пролила (Про), не содержащего N-Н группы. Б-спираль может быть и правой и левой. В первом случае углы =132?? и =123?? ,во втором =228 ?? и =237 ?? соответственно.

Вторая и третья конформации с максимальным насыщением водородных связей - параллельная и антипараллельная в-формы.Это конформация уже не отдельной цепи, а совокупности цепей, образующих слоистую структуру. Цепи в такой форме не имеют плоского транс-строения. В параллельной форме углы 61? и 239? соответственно, в антипараллельной - 380? и 325?.

Очень важна возможность образования бета-формы и в отдельной полипептидной цепи. Это так называемые кросс-бета-формы. В местах изгибов углы поворотов имеют значения, отличные от свойственным упорядоченным участкам.

Рис. 1.7 Регулярные вторичные структуры - альфа-спираль, пераллельный бета-лист, антипараллельный бета-лист

Таким образом, водородные связи стабилизируют конформации полипептидной цепи в растворе. Наличие вторичной структуры, имеющей периодичность, означает сходство цепи с кристаллом: альфа-спираль подобна одномерному, бета-форма - двумерному кристаллу.

Рис. 1.8 Вспомогательные взаимодействия: водородные связи

Альфа- и бета-формы, в частности, не единственные. Например, фибриллярные белки обладают другими конформациями.

Рассмотрим теперь зависимости энергий полипептидной цепи от углов внутреннего вращения - так называемые стерические карты, подобные геодезическим.

Конформационная энергия цепи определяется слабым взаимодействием валентно не связанных атомов. Вследствие плоского строения пептидной группы углы поворота i-го звена практически не зависят от углов поворота соседних звеньев. И если углы поворота i-го звена варьируют в области значений, не запрещенных перекрыванием атомов пептидных групп, соединенных связями i-го и (i+1)-го звеньев, и если одновременно варьируют углы (i+1), то не существует такой комбинации этих четырех углов, при которой возможно стерическое взаимодействие i-го и (i+2)-го звена. Тем самым полипептидная цепь имеет ограниченную кооперативность, ближние взаимодействия в ней ограничены ближними соседями. Это позволяет рассматривать порознь конформационные энергии для отдельных конформационных остатков. Стерическая карта для данного остатка существенно зависит от природы его радикала R.

Можно считать, что взаимодействия в данной паре пептидных групп характеризуют аминокислотный остаток, соединяющий эти группы, Рамачардан исследовал дипептид Глицил-L-аланин и получил конформационную (стерическую карту для аланина).

Рис. 1.9 Двумерное распределение плотности вероятности по торсионным углам.

Наиболее часто посещаемые области имеют более темный цвет. Для аминокислотных остатков чаще всего рассматривают двумерные распределения по торсионным углам ш,ц,? .Среди возможных вариантов двумерных распределений обычно уделяют особое внимание сечению по углам ш,ц.

Рис. 2.1 Карта Рамачандрана для аминокислотного остатка.

Конформации, которые могут быть достигнуты любым амтнокислотным остатком, представлены темно-серым цветом. Большинство аминкислот может заселять области, обозначенные светло-серым цветом. Белым обозначены запрещенные конформации, которые, тем не менее, могут встречаться в некоторых белковых структурах.

Расчет проводился на основе простейшего предположения об атомах как твердых сферах, имеющих ван-дер-ваальсовые радиусы, определяемые из данных по межатомным расстояниям в молекулярных кристаллах. В таблице приведены эти расстояния, чаще всего наблюдаемые в кристаллах, и минимальные расстояния, наблюдаемые лишь в немногих случаях.

Таблица 2. Контактные расстояния между атомами в полипептидах

Пара атомов	Обычное расстояние,нм	Минимальное расстояние,нм	Пара атомов	Обычное расстояние, нм	Минимальное Расстояние,нм

4.Третичная структура белков. Типы нековалентных связей, стабилизирующих третичную структуру. Роль S--S--мостиков в формировании третичной структуры некоторых белков

Под третичной структурой понимают пространственное расположение полипептидной цепи (способ укладки цепи в определенном объеме). В стабилизации пространственной структуры основную роль играют нековалентные связи. К ним относятся водородные связи, электростатические взаимодействия заряженных групп, межмолекулярные ван-дер-ваальсовы силы, взаимодействия неполярных боковых радикалов аминокислот (гидрофобные взаимодействия), диполь-дипольные взаимодействия. Кроме того, важную роль в формировании третичной структуры играют дисульфидные связи (S-S-мостики):

Рис. 2.2 (а) Образование дисульфидных связей

Рис. 2.2 (б) Образование дисульфидных связей

Дисульфидные связи образуются при окислении сближенных в пространственной структуре белка остатков цистеина в остатки цистина. Считают, что дисульфидные связи, часто множественные, особенно важны для стабилизации маленьких белков, в которых не может возникнуть обширной системы нековалентных взаимодействий.

Третичная структура - уникальное для каждого белка расположение в пространстве полипептидной цепи, зависящее от количества и чередования аминокислот, т.е. предопределенное первичной структурой белка. Конфигурация белковых молекул может быть фибриллярной и глобулярной. Третичная структура многих белков составляется из нескольких компактных глобул, называемых доменами. Между собой домены обычно бывают связаны тонкими перемычками.

Третичная структура белков. Гемоглобин и миоглобин: конформационные перестройки. Известно, что нативная, трехмерная структура белка устанавливается в результате действия целого ряда энергетических и энтропийных факторов. Характерные времена многих внутримолекулярных изменений, в том числе и ферментативных процессов тысячных долей секунды и зависят от pH, температуры и ионного состава среды. Таким образом, изменения ионного гомеостаза могут непосредственно влиять на структурные изменения в клеточных белках и,соответственно, на их функции и активность. Рассмотрим в качестве примера конформационные перестройки белков,переносящих кислород,-гемоглобина и миоглобина. Строение этих белков, находящихся в кристалической форме, детально изучено методом рентгеноструктурного анализа. Пространство между альфа-спиральными участками,в том числе полость активного центра гемовой группы внутри молекул белка, заполнено гидрофобными боковыми цепями аминокислот, а в окружающую водную среду выступает множество полярных белковых цепей. Молекула гемоглобина состоит из четырех субъединиц (две б и две в), образующих правильный тетрамер. Молекулы воды, локализованные в области контактов субъединиц,образуют солевые мостики и дополнительно стабилизируют тетрамер. Железо может находиться в высоко- и низкоспиновом состоянии в зависимости от способа заполнения d-орбитали электронами,который определяется правилом Хунда. В связи с этим заполнение электронами внешних d-орбиталей ионов двух- и трехвалентного железа характерно для свободных ионов или ионов в составе соединений с ионной связью. Ситуация меняется,когда атомы железа находятся в комплексе, где связаны с лигандными атомами ковалентной связью и входят в состав гема. Следует подчеркнуть,что спиновое состояние центрального атома в комплексе определяется характером лигандного окружения:симметрией,силой связывания лигандов в комплексе и т.д. В силу этого изменения в лигандном окружении могут приводить к изменениям в спиновом состоянии иона металла,что в свою очередь может вызвать изменения конформации белка с которым связан ион металла. Изменения спинового состояния ионов железа, индуцированные присоединением субстратов,сменой температуры,были продемонстрированны для ряда гемопротеинов. Переход иона железа из низкоспинового состояния в высокоспиновое увеличивет диаметр иона и приводит к выводу его из плоскости гема,что и обуславливает конформационные изменения в близжайшем белковом “окружении”.

В высокоспиновом состоянии ион двухвалентного железа обладает координационным числом 5 и расположен вне плоскостии гема на расстоянии 0,05-0,07 нм.Он координационно связан с четырьмя атомами азотапиррольных групп плоскогопорфиринового кольца,а в 5-м положении взаимодействует с атомом N имидазольного кольца гистидина. Оксигепация и образование связи кислород-железо не меняет валентности атома железа, но переводят его из высокоспинового состояния в низкоспиновое, увеличивая число лигандов в координационной сфере до 6.В 6-ом положении железо координируется с кислородом или другими лигандами.

Рис. 2.3 (а) Упрощенная схема строения гемоглобина

Присоединение кислорода индуцирует ряд конформационных изменений в молекуле гемоглобина.Связывание кислорода с переводом атома железа в низкоспиновое состояние сопровождается одновременным смещением железа на 0,07 нм в плоскость гемовой группы.Это смещение передается через гистидин,и спираль вместе с ним “подтягивается” в сторону гема к центру молекулы,выталкивая из полости остаток тирозина.Затем происходит поэтапный разрыв солевых мостиков между б-субъединицами и смещение их вдоль области контакта. Расстояние между гемом и б-субъединицами увеличивается, а между гемом и в-субъединицами, наоборот, сокращается. Центральная полость гема при этом сжимается. Разрыв четырех солевых мостиков из шести при оксигенации первых двух б-субъединиц способствует разрыву двух остальных мостиков и, следовательно, облегчает соединение следующих молекул кислорода с остальными субъединицами, увеличивая сродство их к кислороду в несколько сотен раз. В этом и состоит кооперативный характер присоединения кислорода к гемоглобину, при котором начало оксигенации последнего облегчает связывание остальных молекул кислорода.

Использование лазерного излучения с длиной волны поглощения в диапазоне в-полосы порфиринаи вблизи нее позволяет регистрировать спектры РКР протопорфиринов в целых клетках(эритроцитах).В этих спектрах доминируют линии, лежащие в области 1000-1650/см, которые обусловлены плоскостными колебаниями связей С-С и С-N и деформационным колебаниям С-Н. Некоторые из них подвержены влиянию химических превращений, происходящих с атомом железа, и могут быть использованы для изучения структуры макроцикла. При изменении состояния окисления атома железа от трехвалентного до двухвалентного наблюдается снижение частоты скелетных колебаний порфирина. Положение этой и других характерных полос спектра РКР отражает заселенность электронами р-орбиталей порфирина. С ее увеличением связи в порфирине становятся менее прочными, что выражается в снижении частоты колебаний. Заселенность этих орбиталей возрастает за счет обратного перехода электронов с р-орбиталей атома железа. Поскольку процесс сильнее выражен для для двухвалентного железа, полосы, характеризующие состояние окисления, сдвинуты в область более низких частот для гемом именно с таким железом. При таком подходе любой эффект (в том числе изменение состояния окисленности атомов железа), который вызывает изменения в распределении электронов в порфирине, может повлиять на частоту соответствующих характеристических линий. Эта частота сильно меняется, например, если аксиальный лиганд, имеющий р-орбиталь, может взаимодействовать с орбиталями порфиринов через dр-электроны атома железа. Аксиальный р-электронный донор приводит к дополнительному переходу dр-электронов атома железа на р-орбитали порфирина и вызывает снижение частоты полос, характеризующих состояние окисления до нетипичных величин.

Рис. 2.3(б) Модель третичной структуры молекулы миоглобина (по Дж. Кендрью). Латинскими буквами обозначены структурные домены, красным цветом - гем

Рис.1.7(в) степень насыщения кислородом миоглобина и гемоглобина

При свертывании белковой глобулы значительная часть (не менее половины) гидрофобных радикалов аминокислотных остатков оказывается скрытой от контакта с окружающей белок водой. Происходит образование своеобразных внутримолекулярных «гидрофобных ядер». В них особенно представлены объемные остатки лейцина, изолейцина, фенилаланина, валина.

С появлением третичной структуры у белка появляются новые свойства - биологические. В частности, проявление каталитических свойств связано с наличием у белка третичной структуры. И наоборот, нагревание белков, приводящее к разрушению третичной структуры (денатурация), приводит и к утрате биологических свойств.

5.Четвертичная структура белков. Количество и типы субъединиц, взаимодействия между субъединицами, стабилизирующие четвертичную структуру. Функциональное значение четвертичной структуры белков

Четвертичная структура? это надмолекулярное образование, состоящее из двух и более полипептидных цепей, связанных между собой нековалентно, а водородными связями, электростатическими, дипольдипольные и гидрофобными взаимодействиями между остатками аминокислот, находящихся на поверхности. Примером может служить молекула гемоглобина, вирус табачной мозаики (2130 субъединиц).

Каждый из белков-участников третичной структуры при образовании четвертичной структуры называют субъединицей или протомером. Образовавшуюся молекулу называют олигомером, или мультимером. Олигомерные белки чаще построены из четного количества протомеров с одинаковыми или разными молекулярными массами. В образовании четвертичной структуры белка принимают участие те же связи, что и при образовании третичной структуры, за исключением ковалентных.

Объединение белковых молекул третичной структуры без появления новых биологических свойств называют агрегированным состоянием. Как четвертичная структура, так и агрегированное состояние могут быть обратимо разрушены с применением детергентов, в частности, додецилсульфата натрия или неионных детергентов типа тритона. Очень часто для разрушения четвертичной структуры исследуемый белок нагревают при 100°С в присутствии 1%-ного 2-меркаптоэтанола и 2%-ного додецилсульфата натрия. В таких условиях восстанавливаются -S-S-связи между остатками Cys, которые в некоторых случаях удерживают субъединицычетвертичной структуры. Субъединицы, образующие четвертичную структуру белка, могут быть различными как по строению, так и по функциональным свойствам (гетеромеры). Это позволяет объединить в одной структуре несколько взаимосвязанных функций, создать полифункциональную молекулу. Например, в протеинкиназе, стехиометрия червертичной структуры которой отвечает формуле С2R2, субъединица С ответственна за ферментативную активность, осуществляя перенос фосфатного остатка от АТР на белок; субъединица R является регуляторной. В отсутствие циклического АМР последняя связана с С-субъединицей и ингибирует ее. При образовании комплекса с сАМР четвертичная структура распадается и С-субъединицы оказываются способными фосфорилировать белковые субстраты. В гомомерных белках субъединицы одинаковы.

Подавляющая часть белков, имеющих четвертичную структуру, приходится на димеры, тетрамеры и гексамеры, последние встречаются у белков с молекулярной массой, большей 100 кДа.

Характерной особенностью белков с четвертичной структурой является их способность к самосборке. Взаимодействие протомеров осуществляется с высокой специфичностью, благодаря образованию десятка слабых связей между контактными поверхностями субъединиц, поэтому ошибки при формировании четвертичной структуры белков исключены. Практически все белки-ферменты имеют четвертичную структуру и состоят, как правило, из четного числа протомеров (двух, четырех, шести, восьми). Четвертичная структура белка подразумевает такое объединение белков третичной структуры, при котором появляются новые биологические свойства, не характерные для белка в третичной структуре. В частности, такие эффекты, как кооперативный и аллостерический, характерны лишь для белков с четвертичной структурой. Четвертичная структура - последний уровень в организации белковой молекулы, причем не обязательный - до половины известных белков ее не имеют.

Литература

белок биофизика полипептидный

1. Биохимия и молекулярная биология. Версия 1.0 [Электронный ресурс]: конспект лекций / Н.М. Титова, А.А.Савченко, Т.Н. Замай и др. - Электрон. дан. (10 Мб). - Красноярск: ИПК СФУ, 2008.

2 Ревин В.В. Биофизика: Учеб./В.В. Ревин, Г.В. Максимов, О.Р. Кольс; Под редакцией проф. А.Б. Рубина.-Саранск: Изд-во Мордов. ун-та,2002. 156 с.

3. М.В. Волькенштейн. Биофизика М.: Наука,1988.-592 с.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Строение и свойства белков. Различия в строении аминокислот. Пространственная организация белковой молекулы. Типы связей между аминокислотами в молекуле белка. Основные факторы, вызывающие денатурацию белков. Методы определения первичной структуры белка.

реферат , добавлен 15.05.2010


Оценка сложившегося административно-территориального устройства России. Исследование белков. Классификация белков. Состав и строение. Химические и физические свойства. Химический синтез белков. Значение белков.

реферат , добавлен 13.04.2003


Характеристика белков как высокомолекулярных соединений, их структура и образование, физико–химические свойства. Ферменты переваривания белков в пищеварительном тракте. Всасывание продуктов распада белков и использование аминокислот в тканях организма.

реферат , добавлен 22.06.2010


Общая характеристика, классификация, строение и синтез белков. Гидролиз белков с разбавленными кислотами, цветные реакции на белки. Значение белков в приготовлении пищи и пищевых продуктов. Потребность и усвояемость организма человека в белке.

курсовая работа , добавлен 27.10.2010


Роль в живой природе. Состав и свойства белков. Классификация белков. Определение строения белков. Определение наличия белка. Идентификация белков и полипептидов. Синтез пептидов. Искусственное получение белка. Аминокислоты.

реферат , добавлен 01.12.2006


Общие пути обмена аминокислот. Значение и функции белков в организме. Нормы белка и его биологическая ценность. Источники и пути использования аминокислот. Азотистый баланс. Панкреатический сок. Переваривание сложных белков. Понятие трансаминирования.

презентация , добавлен 05.10.2011


Аминокислоты, входящие в состав пептидов и белков. Моноаминодикарбоновые кислоты и их амиды. Энантиомерия аминокислот, образование солей. Мезомерия и строение пептидной связи. Методы выделения и анализа белков. Электрофорез в полиакриламидном геле.

презентация , добавлен 16.12.2013


Основные химические элементы, входящие в состав белков. Белки - полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Строение аминокислот, уровни организации белковых молекул. Структуры белка, основные свойства белков. Денатурация белка и ее виды.

презентация , добавлен 15.01.2011


Общие принципы препаративной химии белков, особенности их выделения. Удаление небелковых примесей, разделение между собой собственно белковых компонентов. Характерные свойства белков, на которых основано разделение, гель-хроматография (гель-фильтрация).

научная работа , добавлен 17.12.2009


Общий анализ взаимодействия поверхностно-активных веществ (ПАВ) с полимерами. Особенности дифильности белков. Относительная вязкость растворов желатина в зависимости от концентрации добавленного додецилсульфата натрия. Роль взаимодействий белков с ПАВ.

(Документ)

Фромберг А.Э. География. Ответы на экзаменационные билеты. 9 класс (Документ)

ЕГЭ. Обществознание. Ответы на билеты (Документ)

Соколова С.А. Физика. Ответы на экзаменационные билеты. 9 класс + шпаргалка (Документ)

Билеты по электробезопаснсти (Вопрос)

Панов С.В. Билеты по истории Беларуси 9 класс (Документ)

Миронов С.К. Основы безопасности жизнедеятельности. Ответы на экзаменационные билеты. 9 класс (Документ)

Фромберг А.Э. География 9 класс. Ответы на экзаменационные билеты + шпаргалки (Документ)

Шпаргалка - ответы на билеты по биологии (Шпаргалка)

n1.docx

Вопрос 79. Первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белков,-химические связи, обеспечивающие сохранение данной структуры. Денатурация и ренатурация белков.

• 
  Первичная структура - последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Важными особенностями первичной структуры являются консервативные мотивы - сочетания аминокислот, играющих ключевую роль в функциях белка. Консервативные мотивы сохраняются в процессе эволюции видов, по ним часто удаётся предсказать функцию неизвестного белка.
• 
  Вторичная структура - локальное упорядочивание фрагмента полипептидной цепи, стабилизированное водородными связями . Ниже приведены самые распространённые типы вторичной структуры белков:
  • 
    ?-спирали - плотные витки вокруг длинной оси молекулы,в белках преобладает правозакрученная.
  • 
    ?-листы (складчатые слои) - несколько зигзагообразных полипептидных цепей, в которых водородные связи образуются между относительно удалёнными друг от друга аминокислотами или разными цепями белка.

Третичная структура - пространственное строение полипептидной цепи (набор пространственных координат составляющих белок атомов).

3Полиаминные алкалоиды (производные путресцина , спермидина и спермина ).

Медицинское применение растений-алкалоидоносов имеет давнюю историю. В XIX веке, когда первые алкалоиды были получены в чистом виде, они сразу нашли своё применение в клинической практике в качестве лекарственного средства . Многие алкалоиды до сих пор применяются в медицине (чаще в виде солей), например :

Алкалоид	Фармакологическое действие
Аймалин	антиаритмическое
Атропин , скополамин , гиосциамин	антихолинергические препараты
Винбластин , винкристин	противоопухолевое
Винкамин	сосудорасширяющее, антигипертензивное
Кодеин	противокашлевое средство
Кокаин	анестетик
Колхицин	средство от подагры