какие условия необходимы для образования четвертичной структуры белка
Параграф 59. Четвертичная структура белков
Автор текста – Анисимова Елена Сергеевна.
Авторские права защищены. Продавать текст нельзя.
Курсив не зубрить.
Замечания можно присылать по почте: exam_bch@mail.ru
https://vk.com/bch_5
Параграф учебника по биохимии 59:
«ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ».
(См. сначала п.57 и 58, затем п.6)
Содержание параграфа 59:
59. 1. Четвертичная структура белков.
Глобулы (см. п.58) и фибриллы, имеющие третичную структуру,
могут соединяться (нековалентно обычно),
образуя комплексы.
Это и есть четвертичная структура белка.
Определение:
Четвертичная структура белка –
это соединение (комплекс)
из нескольких отдельных полипептидных цепей (ППЦ),
у каждой из которых обычно есть третичная структура.
Кратко: четвертичная структура – это комплекс глобул. Или нитей-фибрилл.
Термины:
При наличии у белка четвертичной структуры
(а она не у всех белков есть, характерна для регулируемых белков)
отдельную ППЦ (глобулу, например) называют СУБЪЕДИНИЦЕЙ
или протомером, или мономером
(но не путайте эти мономеры
с мономерами типа аминокислот в ППЦ или глюкозы в гликогене).
Комплекс субъединиц называют ОЛИГОМЕРОМ
(олиго- означает несколько).
Олигомеры из двух субъединиц называют димерами,
из четырёх – ТЕТРАМЕРАМИ,
из шести – гексамерами,
из восьми – октамерами.
Пример октамера – октамер гистонов,
на который «наматывается» дуплекс ДНК – п.73 и 74.
Примеры тетрамеров –
гемоглобин и протеинкиназа А
(в ассоциированном виде – п.6).
59. 2. Связи в четвертичной структуре.
Какие связи удерживают субъединицы в комплексе
и тем самым стабилизируют четвертичную структуру (олигомер)? –
Те же самые, что и третичную,
кроме дисудьфидных –
ковалентные связи не характерны для четвертичной структуры,
поскольку важно, чтобы субъединицы могли соединяться и разъединяться.
Те же самые – то есть ионные, водородные и т.д.
59. 2. Положительная и отрицательная кооперативность в олигомерах.
Субъединицы могут влиять на конформацию других субъединиц олигомеров
и за счёт этого –
менять активность субъединиц –
активировать или инактивировать их.
Это влияние одних субъединиц на активность других субъединиц олигомера
называется КООПЕРАТИВНОСТЬЮ.
Активация субъединицы другой субъединицей (при связывании с ней)
называется ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ кооперативностью,
а инактивация субъединицы другой субъединицей
называется ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ кооперативностью.
Примеры. –
59. 2. 1. Пример положительной кооперативности.
Молекула гемоглобина состоит из четырёх субъединиц,
то является тетрамером.
Субъединицы гемоглобина активируют друг друга
(то есть в тетрамере гемоглобина наблюдается положительная кооперативность)
– благодаря этому активность тетрамера в 400 раз выше,
чем активность отдельной субъединицы
или чем активность молекулы миоглобина, у которой есть только одна субъединица.
(Миоглобин – это белок мышц.
Он тоже связывает кислород, как и гемоглобин,
но глобулы миоглобина не образуют олигомеры).
Есть группа ферментов, которые катализируют фосфорилирование белков
и называются протеинкиназами.
Одна из них называется протеинкиназой А (ПК А).
Молекула протеинкиназы А (см. п.6 и 95) тоже является тетрамером,
то есть состоит из четырёх субъединиц, как и гемоглобин.
Две субъединицы ПК А
способны катализировать реакцию
(фосфорилировать белки)
и поэтому называются КАТАЛИТИЧЕСКИМИ.
А две другие субъединицы протеинкиназы А
не катализируют реакции,
их функция – регулировать активность каталитических,
поэтому они эти субъединицы называются РЕГУЛЯТОРНЫМИ.
Когда регуляторные субъединицы связаны с каталитическими,
то каталитические не могут работать –
так как регуляторные их инактивируют
(то есть регуляторные являются ингибиторами каталитических),
поэтому тетрамер протеинкиназы не активен.
Кооперативность в протеинкиназе А отрицательная.
Каталитические субъединицы могут работать только тогда,
когда регуляторные отсоединяются от них.
Отсоединение регуляторных от каталитических
(и в итоге активация протеинкиназы А)
происходит тогда,
когда с регуляторными субъединицами связывается цАМФ.
Поэтому цАМФ считается активатором протеинкиназы А.
Таким образом, при положительной кооперативности олигомеры активнее субъединиц,
а при отрицательной кооперативности олигомеры не активны.
59. 3. Олигомерные белки
и полибелковые комплексы (полиферментные комплексы).
Олигомерные белки – это белки, которые образуют олигомеры.
О них выше.
Некоторые белки образуют комплексы из множества ППЦ (обычно глобул).
Это и есть полибелковые комплексы.
Если это комплекс ферментов, то он называется полиферментным комплексом.
Пример такого комплекса – пируват/дегидрогеназный комплекс (ПДГ),
катализирующий превращение пирувата в ацетилКоА (п.32, 20).
В этом комплексе объединены ферменты,
которые катализируют последовательность реакций.
Что даёт объединение белков в комплекс? – повышение эффективности работы.
Глобулы отдельных ферментов передают друг другу метаболиты, работая как конвейер.
Какие условия необходимы для образования четвертичной структуры белка
Многие белки с особо сложным строением состоят из нескольких полипептидных цепей, удерживаемых в молекуле вместе за счет гидрофобных взаимодействий, а также при помоши водородных и ионных связей.
Способ совместной упаковки и укладки этих полипептидных цепей называют четвертичной структурой белка. Четвертичная структура имеется, например, у гемоглобина — содержащегося в эритроцих позвоночных красного пигмента, связывающего и переносящего кислород.
Молекула гемоглобина состоит из четырех отдельных полипептидных цепей двух разных типов: из двух а-цепей и двух бета-цепей. Цепи эти по своему строению напоминают полипептидную цепь миоглобина. Две отцепи содержат по 141 аминокислотному остатку, а две (3-цепи — по 146 остатков. Полную структуру гемоглобина определили Кендрью и Перуц.
Как и у других глобулярных белков, гидрофобные боковые цепи гемоглобина скрыты внутри молекулы, а гидрофильные выставлены наружу, что делает гемоглобин растворимым в воде. Мутация, вызывающая замену одной из гидрофильных аминокислот на гидрофобную и тем самым снижающая растворимость гемоглобина, служит причиной болезни, известной как серповидноклеточная анемия.
Некоторые вирусы, например вирус табачной мозаики, имеют белковую оболочку, состоящую из многих полипептидных цепей, упакованных высокоупорядоченным образом.
— Вернуться в оглавление раздела «Биология.»
Четвертичная структура белка: ее характеристика, особенности и функционирование, специфика олигомерных белков
Четвертичная структура белка
Особенности четвертичной структуры
Четвертичная структура белка — это вариант того, как в пространстве укладываются отдельные полипептидные цепи, обладающие разной (может быть, одинаковой) первичной, вторичной и третичной структурой.
Вторичная структура белка представляет собой складчатый слой (альфа-спираль).
Почти все белковые молекулы могут сохранять свою биоактивность. Это значит, что они выполняют свойственные им функции исключительно в узком температурном диапазоне и в узком диапазоне кислотности среды.
В случаях, когда температура повышается или кислотность изменяется до экстремальных показателей, при добавлении гидрофобных агентов, к примеру, органических растворителей, увеличении концентрации солей, происходит изменения в структуре белков. Эти изменения становятся причиной денатурации — белок теряет свою естественную пространственную структуру.
При этом, разрушения первичной структуры белка не происходит.
Если исходить из структуры, то четвертичная структура белка — макромолекула. Множество функциональных белков состоит из полипептидных цепей, соединенных друг с другом несколькими главновалентными цепями. При этом ковалентные связи не наблюдаются.
Отдельную полипептидную цепь называют протомером, мономером или субъединицей, которая не отличается высокой функциональной активностью.
Эта способность появляется у белка при определенном варианте пространственного объединения мономеров. В результате возникает новое качество, не характерное для мономерного белка. Образующаяся в итоге молекула называется олигомером.
Специфика олигомерных белков
У олигомерных белков отмечаются следующие свойства:
К примеру, молекула гемоглобина включает две альфа- и две бета-полипептидные цепи. У этой молекулы форма тетрамера: это значит, что в ее состав входят 4 полипептидные цепи, регулярно взаимодействующие.
Каждая из этих цепей окружает специализированную группу гема-пигмента, которые отвечает за окрашивание крови в красный цвет. Молекула гемоглобина может подвергаться обратной диссоциации при определенных условиях. Формирование такого процесса происходит в результате влияния разрыва водородных связей. В случае, если мочевина и соли удаляются, исходная молекула гемоглобина подвергается автоматической ассоциации.
Стандартный пример олигомерной молекулы — вирус табачной мозаики, отличающийся гигантской молекулой. Длина этого вируса достигает 300 нм. Белковые частицы со спиралеобразной структурой (в ней содержится свыше 130 витков) нанизываются вокруг молекулы РНК.
У вируса есть невероятная способность: полная регенерация или восстановление четвертичной структуры. При этом наблюдается восстановление всех ее физических параметров и биологических функций.
Особенности функционирования четвертичной структуры
Внутри последовательности аминокислот есть информация, реализуемая на всех уровнях организации структуры молекулы белка.
У многих ферментов отмечается четвертичная структура. К примеру, фосфорилаза состоит из двух идентичных субъединиц, которые, в свою очередь, состоят из двух пептидных цепей. Из этого следует, что молекула — тетрамер. У отдельных субъединиц не наблюдается особенная каталитическая активность.
У любого регуляторного фермента — четвертичная структура и высокая скорость требуемых химических реакций в клетке.
Четвертичная структура белка довольно стабильна, хотя в отдельных случаях подвергается денатурации и последующему восстановлению (если выполняются некоторые условия вроде температуры, наличия катализаторов и др).
Характеристики четвертичной структуры белка
Для нескольких сотен белков четвертичная структура полностью расшифрована, хотя остается еще много белков с нерасшифрованной структурой. У этой структуры есть определенные характеристики:
Все вышеописанное позволяет говорить о существовании четвертичной структуры белка низшего порядка. У каждого белка — собственная уникальная структура и специализированные функции. Если человек постигнет структуру всех белков, то это даст возможность понять, как функционируют живые организмы. В результате такого научного поиска:
Некоторые ученые считают, что существует пятый уровень организации структуры белка. Имеются в виду полифункциональные макромолекулярные комплексы.
Ассоциат представляет собой макромолекулярный белковый комплекс.
В этом случае ферменты — метаболоны и олигомеры. Они отвечают за катализацию всего пути превращений субстрата в синтетазы высших кислот, дыхательную цепь и пируватдегидрогеназный комплекс.
Говоря о структуре белка кратко, на основе описанного выше, можно утверждать, что взаимодействие между отдельными молекулами внутри четвертичной структуры белка открывает возможности для изменений ее пространственной структуры.
Конформация — расположение атомов и групп молекул органического вещества, которое обусловлено возможностями вращения этих молекул вокруг ковалентных связей.
Эти изменения — основа биологической активности белковых полимеров.
Четвертичная структура белка
Под четвертичной структурой подразумевают способ укладки в пространстве отдельных полипептидных цепей, обладающих одинаковой (или разной) первичной, вторичной или третичной структурой, и формирование единого в структурном и функциональном отношениях макромолекулярно-го образования. Многие функциональные белки состоят из нескольких полипептидных цепей, соединенных не главновалентными связями, а неко-валентными (аналогичными тем, которые обеспечивают стабильность третичной структуры). Каждая отдельно взятая полипептидная цепь, получившая название протомера, мономера или субъединицы, чаще всего не обладает биологической активностью. Эту способность белок приобретает при определенном способе пространственного объединения входящих в его состав протомеров, т.е. возникает новое качество, не свойственное мономерному белку. Образовавшуюся молекулу принято называть олигоме-ром (или мультимером). Олигомерные белки чаще построены из четного числа протомеров (от 2 до 4, реже от 6 до 8) с одинаковыми или разными молекулярными массами – от нескольких тысяч до сотен тысяч. В частности, молекула гемоглобина состоит из двух одинаковых α- и двух β-полипептидных цепей, т.е. представляет собой тетрамер. На рис. 1.23 представлена структура молекулы гемоглобина, а на рис. 1.24 хорошо видно, что молекула гемоглобина содержит четыре полипептидные цепи, каждая из которых окружает группу гема – пигмента, придающего крови ее характерный красный цвет (см. главу 2).
Рис. 1.23. Олигомерная молекула гемоглобина (красные диски – группы гема).
В определенных условиях (присутствие солей, 8М мочевины или резкие изменения рН) молекула гемоглобина обратимо диссоциирует на две α-и две β-цепи. Эта диссоциация обусловлена разрывом водородных связей. После удаления солей или мочевины происходит автоматическая ассоциация исходной молекулы гемоглобина (рис. 1.25).
Рис. 1.24. Модель гемоглобина (по Перутцу).
α-Цепи светлые; β-цепи темные; группы гема красные.
Многие ферменты также обладают четвертичной структурой, например фосфорилаза а, состоящая из двух идентичных субъединиц, в каждой из которых по две пептидные цепи. Вся молекула фосфорилазы а, таким образом, представляет собой тетрамер. Отдельные субъединицы чаще всего не обладают каталитической активностью; вообще регуляторные ферменты (см. главу 4) имеют четвертичную олигомерную структуру. Они наделены функцией обеспечения в клетке требуемых скоростей химических реакций.
Рис. 1.26. Самосборка вируса табачной мозаики.
Наиболее изученным олигомерным ферментом является лактатдегидро-геназа (она катализирует обратимое превращение пировиноградной кислоты в молочную), содержащая два типа полипептидных цепей: Н – сердечный тип (от англ. heart – сердце) и М – мышечный тип (от англ. muscle – мышца) – и состоящая из 4 субъединиц. Этот фермент благодаря различным сочетаниям субъединиц может существовать в 5 формах. Такие ферменты получили название изоферментов, или, в соответствии с новой классификацией, множественных форм ферментов (см. главу 4).
Таким образом, имеются все основания для подтверждения мнения о существовании 4 уровней структурной организации белков. Более того, каждый индивидуальный белок характеризуется уникальной структурой, обеспечивающей уникальность его функций. Поэтому выяснение структуры разнообразных белков может служить ключом к познанию природы живых систем и соответственно сущности жизни. На этом пути научного поиска могут быть решены также многие проблемы наследственных заболеваний человека, в основе которых лежат дефекты структуры и биосинтеза белков.
Некоторые исследователи склонны рассматривать, и не без основания, существование пятого уровня структурной организации белков. Речь идет о полифункциональных макромолекулярных комплексах, или ассоциатах из разных ферментов, получивших название метаболических олигомеров, или метаболонов, и катализирующих весь путь превращений субстрата (синте-тазы высших жирных кислот, пируватдегидрогеназный комплекс, дыхательная цепь).
Четвертичная структура белка
Вы будете перенаправлены на Автор24
Четвертичная структура белка – это способ укладки в пространстве отдельных полипептидных цепей, которые обладают разной (возможно одинаковой) первичной, вторичной, третичной структурой.
Четвертичная структура белка
Большая часть белковых молекул способна сохранять свою биоактивность, то есть выполнять присущую им функцию только в узком диапазоне температур и кислотности среды. При повышении температуры, изменении кислотности до экстремальных значений, добавлении гидрофобных агентов (например, органических растворителей) или при значительном увеличении концентрации солей, в структуре белков происходят изменения, которые приводят к их денатурации — потере своей нативной (естественной) пространственной структуры. Как правило, при этом первичная структура белка не разрушается.
Рисунок 1. Четвертичная структура белка. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В структурном отношении четвертичная структура белка является макромолекулой. Многочисленные функциональные белки состоят из нескольких полипептидных цепей, они соединяются между собой несколькими главновалентными цепями. В данном случае ковалентные связи отсутствуют. Каждая отдельная полипептидная цепь получила название протомера, мономера или субъединицы, не обладающей высокой функциональной активностью.
Такую способность белок приобретает при определенном способе пространственного объединения мономеров. При этом возникает новое качество, которое не свойственно мономерному белку. Та молекула, которая образуется в результате этого, называется олигомером.
Готовые работы на аналогичную тему
Олигомерные белки обладают следующими свойствами:
Например, молекула гемоглобина состоит из двух α- и двух β-полипептидных цепей. Эта молекула имеет форму тетрамера. Другими словами, в состав молекула гемоглобина входят четыре полипептидные цепи, которые находятся в систематическом взаимодействии.
Каждая из них окружает специализированную группу гема-пигмента, окрашивающего кровь в характерный красный цвет. В определенных условиях молекула гемоглобина может подвергнуться обратной диссоциации. Такой процесс формируется под влиянием разрыва водородных связей. После удаления солей или мочевины происходит автоматическая ассоциация исходной молекулы гемоглобина.
Классическим примером олигомерной молекулы является вирус табачной мозаики, который имеет гигантскую молекулу. Длина вируса составляет примерно 300 нм. Вокруг молекулы РНК нанизываются белковые частицы, которые образуют спиралеобразную структуру, содержащую более 130 витков..
Данный вирус обладает удивительной способностью, которая заключается в том, что наблюдается полная регенерация (восстановление) четвертичной структуры с восстановлением всех ее физических параметров, а также биологических функций.
Особенности функционирования четвертчиной структуры белка
Таким образом, последовательность аминокислот содержит внутри себя информацию, которая реализуется на всех уровнях организации структуры белковой молекулы.
Многие ферменты обладают четвертичной структурой. Например, фосфорилаза это молекула, которая состоит из двух идентичных друг другу субъединиц, каждая из которых состоит из двух пептидных цепей. Таким образом, молекула представляет собой тетрамер. Отдельные субъединицы не могут иметь особенной каталитической активности. Любой регуляторный фермент всегда имеет четвертичную структуру и обеспечивает в клетке высокую скорость требуемых химических реакций.
Четвертичная структура белка имеет достаточно высокую степень стабильности. При этом она все- таки подвергается денатурации и может быть восстановлена при наличии нескольких условий от температуры и до наличия катализаторов.
Следует отметить тот факт, что четвертичная структура полностью расшифрована для нескольких сотен белков, но это далеко не все из известных белков. Эта структура обладает следующими характеристиками:
Структура белка, которая сформировалась в рибосоме может подвергаться модификации или посттрансляционному процессингу. Например, это происходит при превращении предшественников ряда ферментов или специализированных гормонов в вещества более высокого порядка.
Таким образом, существуют все основания, которые подтверждают существование четвертичной структуры белка (а также структур) низшего порядка. Каждый белок характеризуется собственной уникальной структурой и специализированными функциями. Выяснение структуры всех белков может служить ключом к познанию природы функционирования всех живых организмов. Такой путь научного поиска может помочь решить следующие многообразие проблем:
Многие исследователи склонны рассматривать существование пятого уровня организации структуры белка. В данном случае речь идет о полифункциональных макромолекулярных комплексах.
Ассоциат – это макромолекулярный белковый комплекс.
Ферменты в данном случае получают название метаболонов или олигомеров, которые катализируют весь путь превращений субстрата в синтетазы высших кислот, пируватдегидрогеназный комплекс, дыхательную цепь.
Подводя итог всему вышесказанному, можно сделать вывод о том, что взаимодействие между отдельными молекулами внутри четвертичной структуры белка дает свободу к изменениям ее пространственной структуры.
Расположение атомов и групп молекул органического вещества, обусловленное возможностями вращения данных молекул вокруг ковалентных связей, получило название конформации. Такие изменения лежат в основе биологической активности белковых полимеров.