какие связи образуют первичную структуру белка

Строение белков. Структуры белков

Структуры белков: первичная, вторичная, третичная и четвертичная

Белки

Название «белки» происходит от способности многих из них при нагревании становиться белыми. Название «протеины» происходит от греческого слова «первый», что указывает на их важное значение в организме. Чем выше уровень организации живых существ, тем разнообразнее состав белков.

Белки образуются из аминокислот, которые соединяются между собой ковалентной – пептидной связью: между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой. При взаимодействии двух аминокислот образуется дипептид (из остатков двух аминокислот, от греч. пептос – сваренный). Замена, исключение или перестановка аминокислот в полипептидной цепи вызывает возникновение новых белков. Например, при замене лишь одной аминокислоты (глутамина на валин) возникает тяжелая болезнь – серповидно-клеточная анемия, когда эритроциты имеют другую форму и не могут выполнять свои основные функции (перенос кислорода). При образовании пептидной связи отщепляется молекула воды. В зависимости от количества аминокислотных остатков выделяют:

– олигопептиды (ди-, три-, тетрапептиды и т. п.) – содержат до 20 аминокислотных остатков;

– полипептиды – от 20 до 50 аминокислотных остатков;

– белки – свыше 50, иногда тысячи аминокислотных остатков

По физико-химическим свойствам различают белки гидрофильные и гидрофобные.

Существуют четыре уровня организации белковой молекулы – равноценные пространственные структуры (конфигурации, конформации) белков: первичная, вторичная, третичная и четвертичная.

Первичная структура

Первичная структура белков является простейшей. Имеет вид полипептидной цепи, где аминокислоты связаны между собой прочной пептидной связью. Определяется качественным и количественным составом аминокислот и их последовательностью.

Вторичная структура

Вторичная структура образована преимущественно водородными связями, которые образовались между атомами водорода NH-группы одного завитка спирали и кислорода СО-группы другого и направлены вдоль спирали или между параллельными складками молекулы белка. Белковая молекула частично или целиком скручена в α-спираль или образует β-складчатую структуру. Например, белки кератина образуют α-спираль. Они входят в состав копыт, рогов, волос, перьев, ногтей, когтей. β-складчатую имеют белки, которые входят в состав шелка. Извне спирали остаются аминокислотные радикалы (R-группы). Водородные связи значительно более слабые, чем ковалентные, но при значительном их количестве образуют довольно прочную структуру.

Функционирование в виде закрученной спирали характерно для некоторых фибриллярных белков – миозин, актин, фибриноген, коллаген и т. п.

Третичная структура

Третичная структура белка. Эта структура постоянна и своеобразна для каждого белка. Она определяется размером, полярностью R-групп, формой и последовательностью аминокислотных остатков. Полипептидная спираль закручивается и укладывается определенным образом. Формирование третичной структуры белка приводит к образованию особой конфигурации белка – глобулы (от лат. globulus – шарик). Его образование обуславливается разными типами нековалентных взаимодействий: гидрофобные, водородные, ионные. Между остатками аминокислоты цистеина возникают дисульфидные мостики.

Гидрофобные связи – это слабые связи между неполярными боковыми цепями, которые возникают в результате взаимного отталкивания молекул растворителя. При этом белок скручивается так, что гидрофобные боковые цепи погружены вглубь молекулы и защищают ее от взаимодействия с водой, а снаружи расположены боковые гидрофильные цепи.

Третичную структуру имеет большинство белков – глобулины, альбумины и т. п.

Четвертичная структура

Четвертичная структура белка. Образуется в результате объединения отдельных полипептидных цепей. В совокупности они составляют функциональную единицу. Типы связей разные: гидрофобные, водородные, электростатические, ионные.

Электростатические связи возникают между электроотрицательными и электроположительными радикалами аминокислотных остатков.

Для одних белков характерно глобулярное размещение субъединиц – это глобулярные белки. Глобулярные белки легко растворяются в воде или растворах солей. К глобулярным белкам принадлежит свыше 1000 известных ферментов. К глобулярным белкам относятся некоторые гормоны, антитела, транспортные белки. Например, сложная молекула гемоглобина (белка эритроцита крови) является глобулярным белком и состоит из четырех макромолекул глобинов: двух α-цепей и двух β-цепей, каждая из которых соединена с гемом, содержащим железо.

Для других белков характерно объединение в спиральные структуры – это фибриллярные (от лат. fibrilla – волоконце) белки. Несколько (от 3 до 7) α–спиралей свиваются вместе, подобно волокнам в кабеле. Фибриллярные белки нерастворимы в воде.

Белки делят на простые и сложные.

Простые (протеины)

Состоят только из остатков аминокислот. К простым белкам относят глобулины, альбумины, глутелины, проламины, протамины, пистоны. Альбумины (например, альбумин сыворотки крови) растворимы в воде, глобулины (например, антитела) нерастворимы в воде, но растворимы в водных растворах некоторых солей (хлорид натрия и т. п.).

Сложные (протеиды)

Включают в состав, кроме остатков аминокислот, соединения другой природы, которые называются простетическою группой. Например, металлопротеиды – это белки, содержащие негеминовое железо или связанные атомами металлов (большинство ферментов), нуклеопротеиды – белки, соединенные с нуклеиновыми кислотами (хромосомы и т. п.), фосфопротеиды –белки, в состав которых входят остатки фосфорной кислоты (белки яичного желтка и т. п.), гликопротеиды –белки в соединении с углеводами (некоторые гормоны, антитела и т. п.), хромопротеиды – белки, содержащий пигменты (миоглобин и т. п.), липопротеиды – белки, содержащие липиды (входят в состав мембран).

Источник

Фиброин

Свойства

Фиброин является гетеродимером, образованным двумя белковыми цепями. Его первичная структура состоит из повторяющейся аминокислотной последовательности (Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala) n.

В свою очередь, повторяющиеся аминокислотные последовательности образуют антипараллельные складчатые β-слои, связанные водородными связями. Эта структура обуславливает высокий предел прочности нитей паутин и шелка. Более прочный, чем кевлар, фиброин вдобавок ещё и высоко эластичен. Эти качества делают его материалом, применяемым в различных областях, включая биомедицину и текстильное производство.

Структуры

Структура белка

По вторичной структуре белка семейство кератинов разделяется на две группы:

Для первичной структуры α-кератинов характерно большое содержание цистеина и множество дисульфидных связей.

В отличие от α-кератинов поперечные дисульфидные связи между соседними полипептидными цепями у β-кератинов отсутствуют. В полипептидной цепи каждый второй элемент — глицин. Характерно повторение последовательности «GSGAGA».

Для α-кератинов основным структурным компонентом являются цилиндрические микрофибриллы диаметром 75 А, состоящие из спирализованных, скрученных попарно протофибрилл.

Источник

Параграф 57 белки первичная структура

Автор текста – Анисимова Елена Сергеевна. Авторские права защищены. Продавать текст нельзя.
Курсив можно не зубрить. Замечания можно присылать по почте: exam_bch@mail.ru

ПАРАГРАФ 57:
«Белки: первичная структура».

57.1. Белки: первичная структура.
Аминокислотные остатки (аминоацилы; это аминокислоты без ОН атомов карбоксильных групп около ;-углеродного атома) способны соединяться пептидными связями, образуя полимеры и олигомеры.
Соединение из менее сотни аминоацилов считается пептидом, а из более сотни – белком. Но это условно – например, инсулин, состоящий из 51 аминоацила, формально является пептидом, а по сути – молекулой белка. По другим данным, более 40 аминоацилов – это уже белок, а не полипептид.
Таким образом, белок – это полимер, состоящий из аминоацилов (в качестве мономеров), соединённых пептидными связями. Умейте писать формулы пептидов и соединять аминоацилы пептидными связями!!
Очень важно, в каком порядке какие аминокислоты соединены. – Замена единственной аминокислоты или другое расположение аминокислот дают уже совсем другой белок.
То, в каком порядке какие аминокислотные остатки соединены (пептидными связями) – это и есть ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА белка.
Определение. Первичная структура белка – это цепочка аминокислотных остатков (аминоацилов), соединённых пептидными связями и расположенных в строго определённом порядке. Часто эту цепочку аминоацилов называют полипептидной цепью.
57.2. Видовая специфичность белков.
Белок организма определённого биологического вида живых организмов характерен только для данного вида, то их есть специфичен для него. У других видов могут быть похожие по строению и функциям белки, но их аминокислотные последовательности (первичные структуры) всё же отличаются от аминокислотных последовательностей похожих белков других видов.
Есть белки, которые отличаются и внутри вида. Например, белки главного комплекса гистосовместимости у всех людей разные (одинаковые только у однояйцевых близнецов).
Причина того, что у разных видов и особей белки разные – то, что у всех разные гены, от которых и зависит, какие белки есть у данного организма.
57.3. Первичные (наследственные) протеинопатии и их лечение.
Определение. –патия – это болезнь, протеин – это белок, протеинопатия – это болезнь, связанная с дефектом белка.
Первичная протеинопатия – это болезнь, связанная с ДЕФЕКТОМ белка, причиной которого является изменение гена (мутация).
Наследственными первичные протеинопатии называются потому, что могут передаваться потомкам «в наследство».
Не путать с врождёнными болезнями – ребёнок может родиться с патологией не из-за плохих генов, а из-за повреждений во время эмбриогенеза.
Дефект белка отводит к болезни потому, что приводит или к повышенной активности белка (как при подагре или конститутивных рецепторах), или к сниженной активности белка (как при гемофилии и др.).
ПРИМЕРЫ
первичных протеинопатий – это многие известные Вам примеры наследственных, генетических болезней. – Гемофилия, серповидно-клеточная анемия, фенилкетонурия (точнее, фенил/пировиноградная олигофрения), синдром Леша-Нихана, синдром врождённого комбинированного иммунодефицита (СВИД), гликогеноз и агликогеноз, альбинизм, первичные энзимопатии (см. п.8 о первичных энзимопатиях), болезни из-за конститутивных рецепторов, подагра и т.д.
Для ЛЕЧЕНИЯ
первичных протеинопатий нужно исправлять гены, то есть нужна генотерапия. Этот метод лечения применён при СВИДе. Но метод дорог и пока редко применяется, а для многих болезней не разработаны методики.
В некоторых случаях предотвратить развитие симптомов болезни (последствий дефекта белка) можно без генотерапии – например, при фенилкутонурии развитие слабоумия можно предотвратить, убрав из пищи новорожденного фенилаланин (субстрат фермента, у которого снижена активность).
При дефиците лактазы из питания убирают молоко (лактОзу), при дефиците сахарАзы – сахарОзу.
При альбинизме повреждение кожи ультрафиолетом предотвращают, закрывая кожу от солнца.
При гликогенозах и агликогенозах нужно более частое питание.
При протеинопатиях, связанных с повышенной активностью белков, лечить можно с помощью веществ, которые подавляют активность этих белков (они называются ингибиторами или блокаторами – например, ингибиторы тирозинкиназы при биологический терапии онкологических заболеваний).
Низкую активность ферментов иногда можно скорректировать с помощью назначения повышенных количеств субстратов этих ферментов – тогда образуется нужно количество продуктов ферментов.
Тяжесть проявлений протеинопатии зависит от того, какая мутация в гене, кодирующем белок.
Некоторые мутации не сильно меняют активность белка, а некоторые сильно меняют.
Тяжёлые протеинопатии приводят к ярко выраженным наследственным заболеваниям. Менее тяжёлые – к предрасположенности человека к определённым заболеваниям.
Чем качественнее белки организма – тем меньше болезней, лучше самочувствие, дольше продолжительность жизни, лучше иммунитет, интеллект и т.д.
Многие лекарств лечат именно потому, что меняют активность белков – или снижают избыточную (ингибиторы и блокаторы), или повышают недостаточную.
57.4. Биологические функции белков. См. также п.89.
1. ФЕРМЕНТАТИВНАЯ:
белки являются основными катализаторами химических реакций. Такие белки, осуществляющие катализ, называются ферментами и энзимами. Например, пепсин, амилАЗА, липАЗА и т.д.
Кроме белков, катализировать реакции способны некоторые РНК, которые называют рибозимами.

3. ЗАЩИТНАЯ:
1 – АНТИТЕЛА участвуют в защите организма ОТ ИНФЕКЦИЙ (распознают антигены),
2 – белки свёртывающей системы крови (например, фибриноген) защищают ОТ КРОВОПОТЕРИ при повреждении сосудов,
3 – белки противосвёртывающей системы защищают от тромбов,
4 – белковые компоненты протеогликанов обеспечивают механическую защиту клеток.

4. ТРАНСПОРТНАЯ:
1 – транспорт ряда веществ в крови осуществляется с помощью белков-переносчиков (транспортёров);
например, альбумин переносит жирные кислоты, ионы кальция и водорода (связывает часть ионов кальция и водорода), некоторые лекарства,
трансферрин переносит железо, церулоплазмин переносит медь,
белки в составе липопротеинов участвуют в переносе жира и холестерина,
специальные белки переносят ряд витаминов и гормонов (гидрофобных – стероидных, йодтиронинов) и т.д.
2 – транспорт КИСЛОРОДА от лёгких в ткани осуществляется эритроцитами с помощью ГЕМОГЛОБИНА,
3 – транспорт многих веществ через мембраны осуществляется специальными белками-переносчиками;
есть переносчики для ионов натрия, калия, кальция, для глюкозы и аминокислот и т.д.

5. СТРУКТУРНАЯ:
1 – белки образуют, формируют межклеточное вещество (основные – коллаген, эластин),
2 – белки вместе с липидами образуют мембраны клеток,
3 – белки входят в состав рибосом и цитоскелета.

6. СОКРАТИТЕЛЬНАЯ (двигательная):
белки обеспечивают сокращение мышц, изменение формы клетки или её органелл, подвижность клеток (лейкоцитов, например) и ресничек; примеры – актин, МИОЗИН, тубулин,
сокращение белков цитоскелета обеспечивает расхождение хромосом при митозе, транспорт везикул внутри клетки; движение обеспечивается сократительными белками.

7. ЗАПАСАЮЩАЯ (РЕЗЕРВНАЯ) –
белки могут использоваться в качестве резерва питательных веществ; у человека это белки мышц, печени, крови; казеин молока матери – резерв питательных веществ для младенца.

8. Другие: буферная, создание онкотического давления, поставка аминокислот для синтеза других БАВ, реализация генетической информации и т.д.
57.5. СОСТАВ БЕЛКОВ. См. параграф 4.
Есть белки, в состав которых входит только ППЦ (или несколько ППЦ при четвертичной структуре) – такие белки называются ПРОСТЫМИ.
Есть белки, в состав которых которых, кроме ППЦ, входят другие вещества (небелковой природы)– такие белки называют СЛОЖНЫМИ.
Небелковые компоненты сложных белков называются КОФАКТОРАМИ, а белковые компоненты (ППЦ) сложных белков называются АПОБЕЛКАМИ.
Комплекс апобелка и кофактора называется холобелком.
Типы кофакторов.
Соединения белков с углеводами называются ГЛИКОпротеинами, с липидами – ЛИПОпротеинами, с нуклеиновыми кислотами – НУКЛЕОпротеинами (примеры – хромосомы, рибосомы, сплайсосомы), с фосфатом – ФОСФОпротеинами, с металлами – МЕТАЛЛОпротеинами и т.д.
57.5 КЛАССИФИКАЦИИ белков.
По типу третичной структуры: глобулярные и фибриллярные, см. п.58.
По функциям: ферментативные, транспортные, структурные, защитные, сократительные, рецепторные и т.д. – см. 57.4.
По составу (простые и сложные) и по типу кофактора: см. 57.5.

Источник

Структура белков: первичная, вторичная, третичная

Первичная структура белка и её свойства

В настоящее время расшифрована первичная структура около 2500 белков, а в природе имеется 1012 разнообразных белков.

Первичная структура – это последовательность (порядок) соединения аминокислотных остатков с помощью пептидной связи.

Пептидная связь образуется за счет карбоксильной группы одной аминокислоты и аминогруппы другой аминокислоты.

В образовании первичной структуры участвуют α-аминокислоты.

Пептидная связь образует остов полипептидной цепи, она является повторяющимся фрагментом.

Свойства первичной структуры белка

1. Детерминированность – последовательность аминокислот в белке генетически закодирована. Информация о последовательности аминокислот содержится в ДНК.

2. Уникальность – для каждого белка в организме характерна определенная последовательность аминокислот.

Аминокислоты, входящие в состав белков делят на 2 группы:

В белковой молекуле различают 2 вида замен аминокислот:

Консервативная – замена одной аминокислоты на другую сходную по структуре. Такая замена не приводит к изменению свойств белка.

Примеры: гли-ала, асп-глу, тир-фен, вал-лей.

Радикальная замена – замена одной аминокислоты на другую отличающуюся по структуре. Такая замена приводит к изменению свойств белка.

Примеры: глу-вал, сер-цис, про-три, фен-асп, илей-мет.

При радикальной замене возникает белок с другими свойствами, что может привести к патологии.

3. Универсальность первичной структуры. Белки, выполняющие одинаковые функции в разных организмах имеют одинаковую или близкую первичную структуру.

В природных белках одна и та же аминокислота не встречается подряд больше 3 раз.

Белки – полимеры, мономерами кот. являются аминокислоты, связанные пептидной связью.

Первичная структура – порядок чередования аминокислот в полипептидной цепи и местоположение дисульфидных мостиков (-S-S- связей). Полипептидная цепь содержит на одном конце свободную аминогруппу (N-конец), на другом — карбоксильную группу (С-конец).

За начало цепи принимается ее N-конец.

Основная связь первичной структуры белков – пептидная. Особенности строения пептидной связи: 1. Кислород и водород находятся в транс-положении по отношению к оси – С – N –. 2. Основным состоянием пептидной цепи является промежуточное состояние м/д двумя крайними, когда на О небольшой «-», а на N – небольшой «+» заряд.

Т.е. пептидная связь (0,132 нм) является промежуточной м/д одинарной (0,146 нм) и двойной (0,127 нм). При такой структуре пептидная связь является плоской и вращение С — N в пептидной связи невозможно. Однако в каждом аминокислотном звене есть α-углеродный атом, который обусловливает присутствие в этом звене двух одинарных связей; вокруг этих связей возможно вращение. Углы вращения одинарных связей называются торсионными и обозначаются через φ (N — Сα) и ψ(С — Сα).

Число возможных комбинаций торсионных углов велико, и многие из них реализуются в белках.

Вторичная структура белка как упорядоченное пространственное расположение отдельных участков полипептидной цепи без учёта типа и конформации боковых радикалов аминокислот. Образуется за счёт замыкания водородных связей между пептидными группами. Разделение на упорядоченные и аморфные области. Ансамбли сверхвторичной структуры и домены.

Вторичная структура — это упорядоченное пространственное расположение отдельных участков полипептидной цепи без учета типа и конформации боковых радикалов аминокислот.

Она образуется за счет замыкания водородных связей между пептидными группами. Вторичная структура представлена в основном такими регулярными структурами как α-спираль, складчатые слои (β-структура), β-изгиб.

Часть полипептидной цепи не имеет упорядоченного строения, такие участки называют аморфными или бесструктурными областями.

α-спирали — торсионные углы близки к —60, —45°, все водородные связи примерно параллельны оси спирали и коллинеарны друг другу, что отвечает минимуму свободной энергии; каждая карбонильная группа образует водородную связь с четвертой по ходу цепи NH-группой, замыкается максимально возможное число водородных связей, что придает прочность этой структуре.

Параметры: число аминокислотных остатков на виток спирали — 3,6; число атомов в витке, замыкаемом водородной связью, — 13; диаметр спирали —0,5 им; шаг спирали —0,54 нм, проекция остатка на ось – 0,15 нм.

В природных белках обнаружены только правые α-спирали.

Боковые радикалы аминокислот в α-спирали обращены наружу и расположены по разные стороны от ее оси. Неполярные боковые радикалы аминокислот обычно группируются на одной стороне α-спирали, образуя неполярные дуги; это создает условия для сближения разных спиральных участков.

Складчатые структуры – торсионные углы φ и ψ близки к —120, + 135°. Тоже являются спиральными, но здесь эта спираль сильно вытянута.

Параметры: число остатков на «виток» равно 2 (в плоском складчатом слое) или 2,3 (в слегка скрученном слое), проекция остатка на ось — 0,33 нм, радиус «спирали» — 0,1 нм.

Складчатые участки полипептидной цепи проявляют кооперативные свойства, т. е. стремятся расположиться рядом в белковой молекуле, и формируют параллельные и антипараллельные β-складчатые слои/листы, которые укрепляются благодаря водородным связям между складчатыми участками цепи.

Антипараллельная структура образуется, в том случае, если складчатая цепь делает поворот назад и идет вдоль самой себя, т.

е. в обратном направлении; в месте поворота образуется β-изгиб. В β-изгиб входят четыре последовательно расположенных аминокислотных остатка. Антипараллельность цепей создает наиболее благоприятные условия для возникновения водородных связей между ними при участии пептидных групп. Водородные связи располагаются под углами к цепям.

Параллельная β-структура складывается участками из полипептидной цепи, направления которых совпадают.

В случае параллельного расположения цепей в структуре складчатого β-слоя водородные связи между цепями менее прочны, расположены перпендикулярно к цепям.

Боковые радикалы аминокислотных остатков (связи Сα — Сβ) приблизительно перпендикулярны плоскости β-складчатых слоев, причем боковые цепи аминокислот ориентированы поочередно то по одну, то по другую сторону этой плоскости.

На некоторых участках белковой цепи встречается нерегулярная укладка аминокислотных остатков в пространстве, которая также удерживается благодаря водородным связям и гидрофобным взаимодействиям.

Такие области в белковой молекуле называются неупорядоченными, бесструктурными или аморфными.

α-спиральные и β-структурные участки в белках могут взаимодействовать друг с другом и между собой, образуя ансамбли.

Пространственное строение таких ансамблей вторичной структуры называют сверхвторичной структурой белковой молекулы.

Суперспирализованная α-спираль – две α-спирали скручены друг относительно друга, образуя левую суперспираль.

Сверхспираль могут образовывать α-спирали, расположенные как параллельно, так и антипараллельно. Встречаются в глобулярных белках (бактериородопсин, гемэритрин), а чаще и в наиболее упорядоченной форме — в фибриллярных белках. Суперспирализация выгодна энергетически, так как между боковыми радикалами аминокислот, принадлежащих разным α-спиралям, образуются дополнительные нековалентные контакты (ван-дер-ваальсовые).

β*β-звено – состоит из двух параллельных β-слоев с сочленением между ними в виде неупорядоченного клубка (βсβ), α-спирали (βαβ) = укладка цепи по Россману (βαβαβ-звено), β-структуры (βββ) = антипараллельная трехцепочечная β-структура/зигзаг.

Домены – структурно и функционально обособленные области (субобласти) молекулы, соединенные друг с другом короткими участками полипептидной цепи, которые называются шарнирными участками.

Функциональные домены могут состоять из одного или нескольких структурных доменов. Структурные домены содержаться в ферментах (фермент состоит из 2х полипептидных цепей, к каждой цепи 3 структурных домена). Домены выполняют определенную функцию при действии фермента. М/д доменами в углублении располагается активный центр.

Фибриллярность и глобулярность. Обеспечение третичной структуры за счёт водородных, ионных, ванн-дер-ваальсовых, ковалентных (дисульфидных) связей и гидрофобных взаимодействий, формируемых боковыми радикалами аминокислот.

Третичная структура –пространственное расположение упорядоченных и аморфных участков в полипептидной цепи в целом, которое достигается за счет взаимодействия боковых радикалов и зависит от их типа и конформации (пространственная укладка всей молекулы белка, если она образована одной полипептидной цепью).

По форме, кот. характеризуется показателем «степень асимметрии» (отношение длинной оси молекулы к короткой): нитевидные/фибриллярные – белки, имеющие степень асимметрии 80 и выше (фиброин шелка, кератин волос, рогов, копыт, коллаген соединительной ткани); глобулярные – белки со степенью асимметрии менее 80 белки, большинство из них имеет степень асимметрии 3—5, третичная структура их характеризуется достаточно плотной упаковкой полипептидной цепи в виде клубкообразной молекулы, приближающейся по форме к шару.

В поддержании третичной структуры глобулярных белков, ее закреплении принимают участие различные типы связей: ковалентные, ионные/солевые, водородные и гидрофобные взаимодействия (указаны в порядке убывания энергии связи).

Преимущественную роль в формировании третичной структуры отводят гидрофобным взаимодействиям, возникающим между неполярными боковыми радикалами аминокислот.

Ковалентные связи, участвующие в поддержании третичной структуры белка, представлены дисульфидными (возникают между двумя близко расположенными SH-группами боковых цепей цистеина) и пептидными связями (образованы за счет амино- и карбоксильных групп боковых радикалов аминокислот).

К замыканию ковалентных дисульфидных связей (—S—S—) приводит окисление сульфгидрильных (тиольных) групп в присутствии кислорода или некоторых других реагентов, либо эти связи образуются самопроизвольно, если тиольные группы в результате пространственной укладки полипептидной цепи оказываются расположенными рядом, т.

е. дисульфидные связи стабилизируют конформацию молекулы, но не определяют характер свертывания полипептидной цепи. Часто встречаются в секретируемых белках (змеиные яды, пептидные гормоны, пищеварительные ферменты, белки молока и др.).

Наличием большого числа дисульфидных мостиков в фибриллярных белках (например, кератине), способных к взаимному превращению с сульфгидрильными группами, т. е. к временному разрыву и образованию заново, отчасти объясняются свойства вязкости и эластичности этих белков. Дисульфидные мостики никогда не образуются между соседними остатками цистеина.

Солевые/ионные связи возникают между группами белков, имеющими противоположные заряды, т.

е. между боковыми радикалами аминокислот, диссоциированными по кислотному и основному типам. Группы, способные к ионизации, и полярные группы аминокислот обычно находятся на поверхности белковой глобулы и реже встречаются внутри. Заряженные группы на поверхности белковой глобулы обычно сольватированы и окружены противоионами, что увеличивает растворимость белков в водной среде. Полярные боковые радикалы аминокислот, находящиеся внутри белковой молекулы, обычно образует водородные связи между собой или с полипептидным остовам.

Нахождение заряженных групп внутри глобулы энергетически невыгодно, поэтому они там встречаются редко.

Если все-таки заряженные группы локализуются внутри глобулы, то они образуют солевые мостики.

Гидрофобное взаимодействиеимеет преимущественную роль в формировании III структуры.

Возникает м/д неполярными и полярными боковыми радикалами аминокислот. Боковые радикалы, не имеющие сродства к воде, оказываются компактно упакованными, в основном, внутри глобулы, образуя гидрофобные области, стабилизирующие третичную структуру молекулы. Гидрофобные области (ядра) в центре белковой глобулы имеют высокую плотность упаковки, характерную для многих кристаллов, что свидетельствует об эффективном использовании нековалентных сил при организации пространственной структуры белковой молекулы.

Небольшая часть неполярных радикалов может находиться на поверхности молекулы, и, скапливаясь, образовывать гидрофобные кластеры. Таким образом, в целом поверхность белковой глобулы мозаична; в основном гидрофильна, но содержит и небольшие неполярные участки.

Наиболее слабые связи между молекулами обусловлены дисперсионными силами ван-дер-ваальсова притяжения (иногда их называют ван-дер-ваальсовыми связями).

Они возникают только на достаточно малом расстоянии между молекулами и имеют в основе кулоновские силы электростатического притяжения. Ядра внутри электронных оболочек атомов находятся в постоянном колебательном движении, поэтому возможно временное смещение электронных орбит относительно ядра, что ведет к образованию диполя.

Последние существуют короткое время, но оно достаточно для возникновения согласованной ориентации между молекулами.

Водородные связи возникают между двумя электроотрицательными атомами, когда протон водорода, кова­лентно связанный с одним из этих атомов, располагается между ними.

Электроотрицательными (т. е. обладающими повышенной способностью притягивать электроны) являются атомы О, N, F, реже в образовании водородных связей участвуют С1 и S.

Атом водорода содержит единственный электрон, и когда последний ухо­дит на образование ковалентной связи, ядро остается без электрон­ных слоев. Такой водород, т. е.

протон, не отталкивается, естест­венно, электронными облаками соседних атомов, а наоборот, при­тягивается ими, образуя водородную связь.

Обязательное условие образования водородной связи — нали­чие у электроотрицательного атома хотя бы одной свободной пары электронов, к которым будет притягиваться атом водорода. Элект­роотрицательные атомы обладают повышенным сродством к электронам, поэтому они заполняют электронами весь внешний слой (8 электронов), как бы перегружаясь отрицательными заря­дами.

При этом если возникает пара свободных электронов, она взаимодействует с протоном.

Структурная организация белков

Доказано существование 4 уровней структурной организации белковой молекулы.

Первичная структура белка – последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи. В белках отдельные аминокислоты связаны друг с другом пептидными связями, возникающими при взаимодействии a-карбоксильных и a-аминогрупп аминокислот.

К настоящему времени расшифрована первичная структура десятков тысяч разных белков.

Для определения первичной структуры белка методами гидролиза выясняют аминокислотный состав. Затем определяют химическую природу концевых аминокислот. Следующий этап — определение последовательности аминокислот в полипептидной цепи. Для этого используют избирательный частичный (химический и ферментативный) гидролиз. Возможно применение рентгеноструктурного анализа, а также данных о комплементарной нуклеотидной последовательности ДНК.

Вторичная структура белка – конфигурация полипептидной цепи, т.е. способ упаковки полипептидной цепи в определенную конформацию. Процесс этот протекает не хаотично, а в соответствии с программой, заложенной в первичной структуре.

Стабильность вторичной структуры обеспечивается в основном водородными связями, однако определенный вклад вносят ковалентные связи – пептидные и дисульфидные.

Наиболее вероятным типом строения глобулярных белков считают a-спираль.

Закручивание полипептидной цепи происходит по часовой стрелке. Для каждого белка характерна определенная степень спирализации. Если цепи гемоглобина спирализованы на 75%, то пепсина-всего на 30%.

Тип конфигурации полипептидных цепей, обнаруженных в белках волос, шелка, мышц, получил название b-структуры. Сегменты пептидной цепи располагаются в один слой, образуя фигуру, подобную листу, сложенному в гармошку.

Слой может быть образован двумя или большим количеством пептидных цепей.

а	б
Рис.

1. Вторичная структура белка: а — a-спираль, б — b-структура.

В природе существуют белки, строение которых не соответствует ни β-, ни a-структуре, например, коллаген — фибриллярный белок, составляющий основную массу соединительной ткани в организме человека и животных.

Третичная структура белка – пространственная ориентация полипептидной спирали или способ укладки полипептидной цепи в определенном объеме.

Первый белок, третичная структура которого была выяснена рентгеноструктурным анализом — миоглобин кашалота (рис. 2).

В стабилизации пространственной структуры белков, помимо ковалентных связей, основную роль играют нековалентные связи (водородные, электростатические взаимодействия заряженных групп, межмолекулярные ван-дер-ваальсовы силы, гидрофобные взаимодействия и т.д.).

По современным представлениям, третичная структура белка после завершения его синтеза формируется самопроизвольно.

Основной движущей силой является взаимодействие радикалов аминокислот с молекулами воды. При этом неполярные гидрофобные радикалы аминокислот погружаются внутрь белковой молекулы, а полярные радикалы ориентируются в сторону воды.

Процесс формирование нативной пространственной структуры полипептидной цепи называют фолдингом. Из клеток выделены белки, названные шаперонами. Они участвуют в фолдинге. Описан ряд наследственных заболеваний человека, развитие которых связывают с нарушением вследствие мутаций процесса фолдинга (пигментозы, фиброзы и др.).

Методами рентгеноструктурного анализа доказано существование уровней структурной организации белковой молекулы, промежуточных между вторичной и третичной структурами.

Домен — это компактная глобулярная структурная единица внутри полипептидной цепи (рис. 3). Открыто много белков (например, иммуноглобулины), состоящих из разных по структуре и функциям доменов, кодируемых разными генами.

Рис.

2. Третичная структурамиоглобина

Рис. 3. Глобулярные домены вg-кристаллине (белке хрусталикаглаза человека)

Все биологические свойства белков связаны с сохранностью их третичной структуры, которую называют нативной.

Белковая глобула не является абсолютно жесткой структурой: возможны обратимые перемещения частей пептидной цепи. Эти изменения не нарушают общей конформации молекулы. На конформацию молекулы белка оказывают влияние рН среды, ионная сила раствора, взаимодействие с другими веществами. Любые воздействия, приводящие к нарушению нативной конформации молекулы, сопровождаются частичной или полной потерей белком его биологических свойств.

Четвертичная структура белка — способ укладки в пространстве отдельных полипептидных цепей, обладающих одинаковой или разной первичной, вторичной или третичной структурой, и формирование единого в структурном и функциональном отношениях макромолекулярного образования.

Белковую молекулу, состоящую из нескольких полипептидных цепей, называют олигомером, а каждую входящую в него цепь — протомером.

Олигомерные белки чаще построены из четного числа протомеров, например, молекула гемоглобина состоит из двух a- и двух b-полипептидных цепей (рис. 4).

Четвертичной структурой обладает около 5% белков, в том числе гемоглобин, иммуноглобулины. Субъединичное строение свойственно многим ферментам.

Рис.

4. Молекула гемоглобина

Белковые молекулы, входящие в состав белка с четвертичной структурой, образуются на рибосомах по отдельности и лишь после окончания синтеза образуют общую надмолекулярную структуру. Биологическую активность белок приобретает только при объединении входящих в его состав протомеров.

В стабилизации четвертичной структуры принимают участие те же типы взаимодействий, что и в стабилизации третичной.

Некоторые исследователи признают существование пятого уровня структурной организации белков.

Это метаболоны —полифункциональные макромолекулярные комплексы разных ферментов, катализирующих весь путь превращений субстрата (синтетазы высших жирных кислот, пируватдегидрогеназный комплекс, дыхательная цепь).

Структура белков

Каждому белку свойственна своя особая геометрическая форма, или конформация. При описании трехмерной структуры белков рассматривают обычно четыре разных уровня организации, которые мы здесь и опишем.

Первичная структура

Под первичной структурой белка понимают число и последовательность аминокислот, соединенных друг с другом пептидными связями в полипептидной цепи (рис. 5.31). Первые исследования по выяснению аминокислотной последовательности белков были выполнены в Кембриджском университете Ф. Сэнгером, дважды удостоенным за свои работы Нобелевской премии.

Сэнгер работал с гормоном инсулином (рис. 5.32), и это был первый белок, для которого удалось выяснить аминокислотную последовательность. Работа заняла ровно 10 лет (1944-1954 гг.). В молекулу инсулина входит 51 аминокислота, а молекулярная масса этого белка равна 5733. Молекула состоит из двух полипептидных цепей, удерживаемых вместе дисульфидными мостиками.

Рис. 5.31. Часть полипептидной цепи, представленная с целью показать первичную структуру. А1 А2, А3 и А4 — различные аминокислоты

Рис. 5.32. Первичная структура (аминокислотная последовательность) инсулина. Молекула состоит из двух полипептидных цепей, удерживаемых вместе двумя дисульфидными мостиками

В настоящее время большая часть работ по определению аминокислотных последовательностей автоматизирована, и теперь первичная структура известна уже для нескольких сотен белков.

На рис. 5.33 изображена первичная структура фермента лизоцима.

Рис. 5.33. Первичная структура лизоцима. Лизоцим — это фермент, обнаруженный во многих тканях и секретах человеческого тела, в растениях и яичном белке.

Этот фермент катализирует разрушение клеточных стенок бактерий. Молекула лизоцима состоит из одной пол и пептидной цепи, в которую входит 129 аминокислотных остатков. В молекуле имеется четыре внутрицепочечных дисульфидных мостика

В организме человека свыше 10000 различных белков, и все они построены из одних и тех же 20 стандартных аминокислот.

Аминокислотная последовательность белка определяет его биологическую функцию. В свою очередь эта аминокислотная последовательность однозначно определяется нуклеотидной последовательностью ДНК (разд.

22.6). Замена одной — единственной аминокислоты в молекулах данного белка может резко изменить его функцию, как это наблюдается, например, при так называемой серповидноклеточной анемии (разд. 23.9). Интересные данные могут быть получены в результате анализа аминокислотных последовательностей гомологичных белков, принадлежащих разным биологическим видам; такие данные позволяют судить о возможном таксономическом родстве между этими видами.

а) Напишите аминокислотные последовательности всех трипептидов, которые можно построить из двух разных аминокислот А и В.

б) Исходя из того, что у вас при этом получилось, составьте формулу для определения числа различных трипептидов, которые могут быть построены из двух разных аминокислот.

в) Сколько полипептидов длиной в 100 аминокислотных остатков можно построить из двух разных аминокислот?

г) Сколько полипептидов длиной в 100 аминокислотных остатков (а это сравнительно небольшой белок) можно построить из всех 20 стандартных аминокислот?

д) Сколько пептидов или полипептидов (заданной длины) можно построить из всех 20 стандартных аминокислот?

Вторичная структура

Для всякого белка характерна помимо первичной еще и определенная вторичная структура. Обычно белковая молекула напоминает растянутую пружину. Это так называемая α-спираль, стабилизируемая множеством водородных связей, возникающих между находящимися поблизости друг от друга СО- и NH-группами.

Атом водорода NH-группы одной аминокислоты образует такую связь с атомом кислорода СО-группы другой аминокислоты, отстоящей от первой на четыре аминокислотных остатка (считая вдоль цепи назад) (рис. 5.34). Рентгеноструктурный анализ показывает, что на один виток спирали приходится 3,6 аминокислотного остатка.

Рис. 5.34. Структура α-спирали. А. Показаны α-атомы углерода. Соединяющая их линия описывает α-спираль. Б. Модель α-спирали из стержней и шариков. В. Часть α-спирали в растянутом виде. Спираль стабилизируется водородными связями

Полностью α-спиральную конформацию и, следовательно, фибриллярную структуру имеет белок кератин. Это структурный белок волос, шерсти, ногтей, когтей, клюва, перьев и рогов, входящий также в состав кожи позвоночных.

Твердость и растяжимость кератина варьируют в зависимости от числа дисульфидных мостиков между соседними полипептидными цепями (от степени сшивки цепей).

Теоретически все СО- и NH-группы могут участвовать в образовании водородных связей, так что α-спираль — это очень устойчивая, а потому и весьма распространенная конформация.

Тем не менее большинство белков существует в глобулярной форме, в которой имеются также участки β-слоя и участки с нерегулярной структурой. Объясняется это тем, что образованию водородных связей препятствуют наличие некоторых аминокислотных остатков в полипептидной цепи, наличие дисульфидных мостиков между различными участками одной и той же цепи и, наконец, тот факт, что аминокислота пролин вообще неспособна образовывать водородные связи.

β-Слой, или складчатый слой, — это другой тип вторичной структуры. Белок шелка фиброин, выделяемый шелкоотделительными железами гусениц шелкопряда при завивке коконов, представлен целиком именно этой формой. Фиброин состоит из ряда полипептидных цепей, вытянутых сильнее, чем цепи с конформацией α-спирали. Эти цепи уложены параллельно, но соседние цепи по своему направлению противоположны одна другой (антипараллельны).

Они соединены друг с другом при помощи водородных связей, возникающих между С=0- и NH-группами одной цепи и NH- и С=0-группами соседних цепей.

В этом случае в образовании водородных связей также принимают участие все NH- и С=О-группы, т. е. структура тоже весьма стабильна. Такая конформация полипептидных цепей называется (β-конформацией, а структура в целом — складчатым слоем (рис. 5.35). Фиброин обладает высокой прочностью на разрыв и не поддается растяжению, но подобная организация полипептидных цепей делает шелк очень гибким. В глобулярных белках полипептидная цепь может складываться на себя, и тогда в этих точках глобулы возникают участки, имеющие структуру складчатого слоя.

Рис. 5.35. Складчатый слой. Полипептидные цепи удерживаются рядом друг с другом при помощи водородных связей, образующихся между NH- и СО-группами. R-группы аминокислот располагаются над и под плоскостью этого складчатого слоя.

А. Две антипараллельные полипептидные цепи.

Б. Структура из трех полипептидных цепей изображена здесь так, чтобы показать складки между R-группами

Еще один способ организации полипептидных цепей мы находим у фибриллярного белка коллагена. Здесь три полипептидные цепи свиты вместе, образуя тройную спираль. В каждой полипептидной цепи этой сложной спирали, называемой тропоколлагеном (рис.

5.36), содержится около 1000 аминокислотных остатков. Такой белок тоже невозможно растянуть, и это его свойство существенно для той функции, которую он выполняет, например, в сухожилиях, костной и других видах соединительной ткани.

Белки, существующие только в полностью спирализованной форме, подобно кератину или коллагену, представляют собой исключение среди прочих белков.

Рис. 5.36. Трехспиральная структура коллагена

Третичная структура

У большинства белков полипептидные цепи свернуты особым образом в компактную глобулу.

Способ свертывания полипептидных цепей глобулярных белков называется третичной структурой. Третичная структура поддерживается уже обсуждавшимися выше связями трех типов — ионными, водородными и дисульфидными, а также гидрофобными взаимодействиями (рис. 5.37).

Источник