Способность белковых молекул сохранять свою структуру. Курс «Молекулярные основы процессов жизнедеятельности. Задания для внеаудиторной работы

В основе каждого белка лежит полипептидная цепь. Она не просто вытянута в пространстве, а организована в трехмерную структуру. Поэтому существует понятие о 4-х уровнях пространственной организации белка, а именно - первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурах белковых молекул.

ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА

Первичная структура белка - последовательность аминокислотных фрагментов, прочно (и в течение всего периода существования белка) соединенных пептидными связями. Существует период полужизни белковых молекул - для большинства белков около 2-х недель. Если произошел разрыв хотя бы одной пептидной связи, то образуется уже другой белок.

ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА

Вторичная структура - это пространственная организация стержня полипептидной цепи. Существуют 3 главнейших типа вторичной структуры:

1) Альфа-спираль - имеет определенные характеристики: ширину, расстояние между двумя витками спирали. Для белков характерна правозакрученная спираль. В этой спирали на 10 витков приходится 36 аминокислотных остатков. У всех пептидов, уложенных в такую спираль, эта спираль абсолютно одинакова. Фиксируется альфа-спираль с помощью водородных связей между NH-группами одного витка спирали и С=О группами соседнего витка. Эти водородные связи расположены параллельно оси спирали и многократно повторяются, поэтому прочно удерживают спиралеобразную структуру. Более того, удерживают в несколько напряженном состоянии (как сжатую пружину).

Бета-складчатая структура - или структура складчатого листа. Фиксируется также водородными связями между С=О и NH-группами. Фиксирует два участка полипептидной цепи. Эти цепи могут быть параллельны или антипараллельны. Если такие связи образуются в пределах одного пептида, то они всегда антипараллельны, а если между разными полипептидами, то параллельны.

3) Нерегулярная структура - тип вторичной структуры, в котором расположение различных участков полипептидной цепи относительно друг друга не имеет регулярного (постоянного) характера, поэтому нерегулярные структуры могут иметь различную конформацию.

ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА

Это трехмерная архитектура полипептидной цепи – особое взаимное расположение в пространстве спиралеобразных, складчатых и нерегулярных участков полипептидной цепи. У разных белков третичной структуры различна. В формировании третичной структуры участвуют дисульфидные связи и все слабые типы связей.

Выделяют два общих типа третичной структуры:

1) В фибриллярных белках (например, коллаген, эластин) молекулы которых имеют вытянутую форму и обычно формируют волокнистые структуры тканей, третичная структура представлена либо тройной альфа-спиралью (например, в коллагене), либо бета-складчатыми структурами.

2) В глобулярных белках, молекулы которых имеют форму шара или эллипса (латинское название: GLOBULA - шар), встречается сочетание всех трех типов структур: всегда есть нерегулярные участки, есть бета-складчатые структуры и альфа-спирали.

Обычно в глобулярных белках гидрофобные участки молекулы находятся в глубине молекулы. Соединяясь между собой, гидрофобные радикалы образуют гидрофобные кластеры (центры). Формирование гидрофобного кластера вынуждает молекулу соответствующим образом изгибаться в пространстве. Обычно в молекуле глобулярного белка бывает несколько гидрофобных кластеров в глубине молекулы. Это является проявлением двойственности свойств белковой молекулы: на поверхности молекулы - гидрофильные группировки, поэтому молекула в целом - гидрофильная, а в глубине молекулы - спрятаны гидрофобные радикалы.

ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРА

Встречается не у всех белков, а только у тех, которые состоят из двух или более полипептидных цепей. Каждая такая цепь называется субъединицей данной молекулы (или протомером). Поэтому белки, обладающие четвертичной структурой, называют олигомерными белками. В состав белковой молекулы могут входить одинаковые или разные субъединицы. Например, молекула гемоглобина «А» состоит из двух субъединиц одного типа и двух субъединиц другого типа, то есть является тетрамером. Фиксируются четвертичные структуры белков всеми типами слабых связей, а иногда еще и дисульфидными связями.

КОНФИГУРАЦИЯ И КОНФОРМАЦИЯ БЕЛКОВОЙ МОЛЕКУЛЫ

Из всего сказанного можно заключить, что пространственная организация белков очень сложна. В химии существует понятие - пространственная конфигурация - жестко закрепленное ковалентными связями пространственное взаимное расположение частей молекулы (например: принадлежность к L-ряду стереоизомеров или к D-ряду).

Для белков также используется понятие конформация белковой молекулы - определенное, но не застывшее, не неизменное взаимное расположение частей молекулы. Так как конформация белковой молекулы формируется при участии слабых типов связей, то она является подвижной (способной к изменениям), и белок может изменять свою структуру. В зависимости от условий внешней среды молекула может существовать в разных конформационных состояниях, которые легко переходят друг в друга. Энергетически выгодными для реальных условий являются только одно или несколько конформационных состояний, между которыми существует равновесие. Переходы из одного конформационного состояния в другое обеспечивают функционирование белковой молекулы. Это обратимые конформационные изменения (встречаются в организме, например, при проведении нервного импульса, при переносе кислорода гемоглобином). При изменении конформации часть слабых связей разрушается, и образуются новые связи слабого типа.

ЛИГАНДЫ

Взаимодействие белка с каким-нибудь веществом иногда приводит к связыванию молекулы этого вещества молекулой белка. Этот явление известно как «сорбция» (связывание). Обратный же процесс - освобождение другой молекулы от белковой называется «десорбция».

Если для какой-нибудь пары молекул процесс сорбции преобладает над десорбцией, то это уже специфическая сорбция, а вещество, которое сорбируется, называется «лиганд».

Виды лигандов:

1) Лиганд белка-фермента – субстрат.

2) Лиганд траспортного белка – транспортируемое вещество.

3) Лиганд антитела (иммуноглобулина) – антиген.

4) Лиганд рецептора гормона или нейромедиатора – гормон или нейромедиатор.

Белок может изменять свою конформацию не только при взаимодействии с лигандом, но и в результате любого химического взаимодействия. Примером такого взаимодействия может служить присоединение остатка фосфорной кислоты.

В природных условиях белки имеют несколько термодинамически выгодных конформационных состояний. Это нативные состояния (природные). Natura (лат.) – природа.

НАТИВНОСТЬ БЕЛКОВОЙ МОЛЕКУЛЫ

Нативность - это уникальный комплекс физических, физико-химических, химических и биологических свойств белковой молекулы, который принадлежит ей, когда молекула белка находится в естественном, природном (нативном) состоянии.

Например: белок хрусталика глаза - кристаллин - обладает высокой прозрачностью только в нативном состоянии).

ДЕНАТУРАЦИЯ БЕЛКА

Для обозначения процесса, при котором нативные свойства белка теряются, используют термин денатурация.

Денатурация - это лишение белка его природных, нативных свойств, сопровождающееся разрушением четвертичной (если она была), третичной, а иногда и вторичной структуры белковой молекулы, которое возникает при разрушении дисульфидных и слабых типов связей, участвующих в образовании этих структур. Первичная структура при этом сохраняется, потому что она сформирована прочными ковалентными связями. Разрушение первичной структуры может произойти только в результате гидролиза белковой молекулы длительным кипячением в растворе кислоты или щелочи.

ФАКТОРЫ, ВЫЗЫВАЮЩИЕ ДЕНАТУРАЦИЮ БЕЛКОВ

Факторы, которые вызывают денатурацию белков, можно разделить на физические и химические.

Физические факторы

1. Высокие температуры. Для разных белков характерна различная чувствительность к тепловому воздействию. Часть белков подвергается денатурации уже при 40-50°С. Такие белки называют термолабильными . Другие белки денатурируют при гораздо более высоких температурах, они являются термостабильными .

2. Ультрафиолетовое облучение

3. Рентгеновское и радиоактивное облучение

4. Ультразвук

5. Механическое воздействие (например, вибрация).

Химические факторы

1. Концентрированные кислоты и щелочи. Например, трихлоруксусная кислота (органическая), азотная кислота (неорганическая).

2. Соли тяжелых металлов (например, CuSO 4).

3. Органические растворители (этиловый спирт, ацетон)

4. Растительные алкалоиды.

5. Мочевина в высоких концентрациях

5. Другие вещества, способные нарушать слабые типы связей в молекулах белков.

Воздействие факторами денатурации применяют для стерилизации оборудования и инструментов, а также как антисептики.

Обратимость денатурации

В пробирке (in vitro) чаще всего это – необратимый процесс. Если же денатурированный белок поместить в условия, близкие к нативным, то он может ренатурировать, но очень медленно, и такое явление характерно не для всех белков.

In vivo, в организме, возможна быстрая ренатурация. Это связано с выработкой в живом организме специфических белков, которые «узнают» структуру денатурированного белка, присоединяются к нему с помощью слабых типов связи и создают оптимальные условия для ренатурации. Такие специфические белки известны как «белки теплового шока» или «белки стресса».

Белки стресса

Существует несколько семейств этих белков, они отличаются по молекулярной массе.

Например, известен белок hsp 70 – heatshock protein массой 70 kDa.

Такие белки есть во всех клетках организма. Они выполняют также функцию транспорта полипептидных цепей через биологические мембраны и участвуют в формировании третичной и четвертичной структур белковых молекул. Перечисленные функции белков стресса называются шаперонными. При различных видах стресса происходит индукция синтеза таких белков: при перегреве организма (40-44°С), при вирусных заболеваниях, отравлениях солями тяжелых металлов, этанолом и др.

В организме южных народов установлено повышенное содержание белков стресса, по сравнению с северной расой.

Молекула белка теплового шока состоит из двух компактных глобул, соединенных свободной цепью:

Разные белки теплового шока имеют общий план построения. Все они содержат контактные домены.

Разные белки с различными функциями могут содержать одинаковые домены. Например, различные кальций-связывающие белки имеют одинаковый для всех них домен, отвечающий за связывание Ca +2 .

Роль доменной структуры заключается в том, что она предоставляет белку большие возможности для выполнения своей функции благодаря перемещениям одного домена по отношению к другому. Участки соединения двух доменов – самое слабое в структурном отношении место в молекуле таких белков. Именно здесь чаще всего происходит гидролиз связей, и белок разрушается.

• Меню
• Космос
• География
• Человек
• История
• Биология
• Психология
• Реклама

• Главная

• © "BioFile.ru"

АК являются мономерными структурными единицами белковой молекулы из которых сложена полипептидная цепь. АК могут находиться в двух стерических формах: L- и D-. Эти формы зеркально симметричны. В них массивный боковой радикал R и Н-атом, стоящие при α-углероде меняются местами. Этих форм нет только у глицина, боковая цепь которого состоит из Н-атома. Боковые цепи сложены из остатков L- аминокислот, только они кодируются генами. D-остатки не кодируются при матричном синтезе белка, а синтезируются специальными ферментами. Рецемизация (переход L- в D-) при биосинтезе, а также спонтанно в белках практически не происходит, но часто встречается при химическом синтезе пептидов.

Белковая молекула характеризуется наличием прочных ковалентных и относительно слабых нековалентных связей . Такое сочетание ковалентных и нековалентных связей обеспечивает белковой молекуле определенную прочность и динамичность в процессе функ­ционирования (рис.1).

а – электроста­тическое взаимодействие; б – водородные связи; в – взаимодействие неполярных боковых цепей, вызванное выталкиванием гидрофобных радикалов в «сухую» зону молекулами растворителя; г – дисульфидные связи (двойная изогнутая линия обозначает хребет полипептид­ной связи).

Рисунок 1 – Типы связей в белковой молекуле (по Филипповичу).

Ковалентные связи в молекуле белка могут быть двух типов – пеп­тидные и дисульфидные. АК в белковой цепи связаны между собой пептидными связями С и N атомов. Пептидная, или кислотноамидная связь (-СО-NH- ), является типичной ковалентной связью. Пептид­ная связь возникает при взаимодействии карбоксильной группы одной АК и аминогруппы другой. Свободные амино- и карбоксильные группы образованного дипептида способны вновь вступать в реакцию поликонденсации с новыми молекулами АК, с образованием высокомолекулярного соединения. Таким образом, с помощью пептидной связи аминокислотные остатки соединяются друг с другом, образуя регулярный остов белковой молекулы, от которого отходят разнообразные боковые группы (R 1 …R М). Число звеньев боковой цепи (М) кодируется геном и составляет от нескольких десятков до многих тысяч. В процес­се биосинтеза белка происходит соединение остатков отдельных амино­кислот друг с другом в линейную последовательность:

NH-CH-CO-NH-CH-CO- …-NH-CH-CO-

Соединения, которые об­разуются в результате кон­денсации нескольких АК, получили название пептидов (ди-, три-, тетрапептиды и т. д.). В состав пептидов могут входить не только протеиногенные, но и непротеиногенные АК. Пептиды играют важную роль промежуточных продуктов в обмене веществ, и многие из них яв­ляются физиологически очень активными соеди­нениями. Пептидами являются некоторые антибио­тики (грамицидин, лихениформин), гормоны (ин­сулин, окситацин, вазопрессин), токсины (аманитины). Пептиды могут представлять собой замкнутую полипептидную цепочку, т. е. являться циклопептидами, а некоторые даже имеют би­циклическое строение. Среди циклопептидов есть сильно токсичные вещества (ядовитый гриб бледная по­ганка (Amanita phalloides ).

Названия пептидов определяются наименованиями входящих в его состав АК, перечисляемых последовательно, начиная с N-конца, причем суффикс -ин- в названиях всех АК, за исклю­чением С-концевой, имеющей свободную СООН-группу (карбоксильную), заменяется на суффикс -ил. Например, если в образовании три пептида принимают участие две молекулы аланина и одна молекула глицина, трипептид называют аланилаланилглицином или алаалагли. Сокращенно амино­кислоты обозначают трехбуквенными символами (таблица 1).

Таблица 1 – Сокращенные обозначения аминокислот

Важную роль в стабилизации пространственной структуры белковой молекулы играют ковалентные дисульфидные связи(-S-S- ), которые образуются в результате окис­ления сульфгидрильных групп остатков цистеина. Дисульфидные связи могут образовываться между остатками цис­теина двух полипептидных цепей или двумя остатками цистеина одной полипептидной цепи, стабилизируя при этом определенную конформацию белковой молекулы. В стабилизации конформации белковой молекулы существенную роль играют нековалентные связи и взаимодействия. К ним относятся гидрофобные, электростатические, ионные взаимодействия, а также водородные связи. Они поддерживают пространственное строение белка значительно слабее химических связей, фиксирующих последовательность мономеров (АК) в белковой цепи.

Гидрофобное взаимодействие возникает при сбли­жении гидрофобных углеводородных и ароматических радикалов не­которых аминокислот (аланина, валина, лейцина, изолейцина, фенилаланина и триптофана). Процесс гидрофобного взаимодействия можно представить как перемещение неполярных групп полипептидной цепи (метильной -СН 3 , этильной -С 2 Н 5 , фенильной -С 6 Н 6) из воды в гидрофобные области, образуемые за счет ассоциации этих групп. Вследствие такого перемещения неполярные группы сказываются в непосредственной близости друг от друга во внутренней части молеку­лы, а гидрофильные группы размещаются на поверхности и контакти­руют с водой.

Водородные связи образуются между атомами водорода, ковалентно соединенными с атомом, содержащим неподеленную электронную пару, или другим электроотрицательным атомом. В биологических структурах водородная связь чаще всего обра­зуется за счет атома водорода, связанного с кислородом или азотом. Водородные связи могут быть внутри- и межцепочечными. Внутрицепочечные водородные связи стабилизи­руют α-спиральные, а межцепочечные – β-складчатые структуры.

Ионные (солевые) связи. Они, предположительно, образуются между диссоциированными свободными карбоксильными группами (СОО -) моноаминодикарбоновых аминокислот (глутаминовой и аспарагиновой) и протонированными свободными аминогруппами (NH 3 +) диамино-монокарбоновых аминокислот. Ионные связи могут быть внутри- и межцепочечными.

Уровни структурной организации молекулы белка. Функциональ­ные свойства белков определяются последовательностью АК и их пространст­венной структурой. С этой точки зрения выделяют четыре уровня : первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры.

Подпервичной структурой понимают качественный и количественный состав АК, а также их последовательность расположения в полипептидных цепях белковой молекулы. Молекула белка может иметь одну или несколько полипептидных цепей. Например, молекула фермента рибонуклеазы представляет одну поли­пептидную цепь, имеющую восемь остатков цистеина, образующих четыре внутримолеку­лярные дисульфидные связи. Гормон инсулин состоит из двух поли­пептидных цепей, связанных дисульфидными мостиками между остат­ками цистеина.

Вторичная структура показывает пространственную конфигура­цию белковой молекулы. Выделяют три типа вторичной структуры: α-спиральная, β-складчатая и коллагеновая спираль.

В стабилизации вторичной структуры важную роль играют водород­ные связи , которые возникают между атомом водорода, соединенным с электроотрицательным атомом азота одной пептидной связи, и кар­бонильным атомом кислорода четвертой по счету от нее аминокислоты, и направлены они вдоль оси спирали. Энергетические расчеты показы­вают, что более эффективна правая α-спираль (рис. 2). Фибриллярные α-кератины (шерсть, кожа, перья) состоят из не­скольких полипептидных цепей, имеющих правую α-спиральную кон­фигурацию, и образуют прочные суперспирали, выполняющие меха­нические функции.

Рисунок 2 – α-спиральная кон­фигурация структуры белка

Другой тип вторичной структуры белка, получил название β-складчатой структуры или β-складчатого слоя. На рис. 3 показана модель такой структуры (а – вид сбоку, б – вид сверху). Точками на рисунке показаны меж­цепочечные водород-

Рисунок 3 – β-складчатая кон­фигурация структуры белка

ные связи. При таком пространственном располо­жении образуется система па­раллельно и антипараллельно размещенных фрагментов одной или нескольких полипептидных цепей. Полипептидные цепи в раскладках полностью вытянуты. Складки появляются из-за того, что плоскости двух соседних пептидных связей образуют некоторый угол. Система стабилизируется благодаря поперечным водородным связям между це­пями, расположенными перпендикулярно по отношению к ориентации полипептидных связей. Расстояние между цепями составляет 0,95 нм, а период идентичности вдоль цепи – 0,70 нм для параллельных цепей и 0,65 нм для антипараллельных. Указанная структура характерна для фибриллярных белков (β-кератин, фиброин и др.). В частности, β-кератин характеризуется параллельным расположением полипептидных цепей, которые дополнительно стабилизируются межцепочечными S-S-связями. В фиброине шелка соседние полипептидные цепи антипараллельны.

Третий тип вторичной структуры - коллагеновая спираль . Она состоит из трех спирализованных цепей, имеющих форму стержня диаметром 1,5 нм и длиной около 300 нм. Спирализованные цепи закручиваются одна вокруг другой и образуют суперспираль. Расстояние между двумя АК остатками по оси спирали составляет 0,29 нм, а на один виток спирали приходится 3,3 остатка. Коллагеновая спираль стабилизируется водородными связями, возни­кающими между водородом пептидных NH-групп остатков АК одной цепи и кислородом СО-групп АК остатков дру­гой цепи. Такая структура придает белку высокую упругость и прочность.

Третичная структура. Большинство белков в нативном состоянии имеют весьма компактную структуру, которая определяется размером, формой, полярностью АК радикалов, а также последова­тельностью АК (рис. 4). Образование нативной глобулярной структуры является многокомпонентным процессом, основанным на различных типах нековалентных взаимодействий. Превращение развернутой полипептидной цепи в компактную моле­кулу сопровождается гидрофобными взаимодействиями углеводород­ных радикалов таких АК, как лейцин, изолейцин, фенилаланин, триптофан, достаточно удаленных друг от друга в полипептидной цепи. Почти все неполярные или гидрофобные радикалы этих АК располагаются внутри глобулы и обеспечивают устойчивость ее структуры. Полярные или ионогенные радикалы (особенно аспарагиновой и глутаминовой кислот, аргинина и лизина) располагаются на внешней поверхности молекулы и находятся в гидратированном состоя­нии. В местах сгибов полипептидной цепи локализованы остатки таких АК, как пролин, изолейцин и серии, которые не способны образовывать α-спиральные структуры. Таким образом, между после­довательностью АК в белке и его конформацией существует тесная взаимосвязь. Различия в аминокислотном составе и в последова­тельности отдельных АК остатков обусловливают возникновение в полипептидной цепи локальных неустойчивых точек, в ко­торых стабильность α-спирали нарушена и под действием разнообраз­ных молекулярных сил могут создаваться изгибы.

Рисунок 4 – Третичная структура белка

Существенное влияние на процесс формирования нативной конформации белка или его третичной структуры оказывают гидрофобные и ионогенные взаимодействия, водородные связи и др. Под действием этих сил достигается термодинамически целесообразная конформация белковой молекулы и ее стабилизация. После завершения процесса свертывания полипептидной цепи важную роль в стабилизации ее конформации играют ковалентные дисульфидные связи.

В настоящее время расшифрована третичная структура миоглобина, гемоглобина, РНК-азы, лизоцима, химотрипсина, карбоксипептидазы и других белков.

Под четвертичной структурой подразумевается характерный способ объединения и расположения в пространстве отдель­ных полипептидных цепей, составляющих одну функционально инди­видуальную молекулу. По составу и сложности первичной, вторичной и третичной структуры субъединицы могут сильно отличаться. Напри­мер, молекула гемоглобина состоит из четырех субъединиц, которые объединены в мультимер с молекулярной массой 60000-70000, РНК-полимераза из Е. coli имеет пять субъединиц, а белок ви­руса табачной мозаики содержит несколько тысяч одинаковых субъ­единиц с молекулярной массой около 17500 каждая. В формировании четвертичной структуры принимают участие водородные связи, элек­тростатические, Ван-дер-Ваальсовы и гидрофобные взаимодействия.

Для четвертичной структуры одних белков характерно глобулярное расположение субъединиц (гемоглобин), другие белки объединяются в спиральные четвертичные структуры по типу винтовой симметрии (вирус табачной мозаики). Четвертичная структура установлена для гемоглобина, вируса та­бачной мозаики, РНК-полимеразы, лактатдегидрогеназы, каталазы, аспартат-карбомоилазы и др.

Белки являются органическими веществами. Эти высокомолекулярные соединения характеризуются определенным составом и при гидролизе распадаются на аминокислоты. Белковые молекулы могут быть самых различных форм, многие из них состоят из нескольких полипептидных цепей. Информация о строении белка закодирована в ДНК, а сам процесс синтеза белковых молекул называется трансляцией.

Химический состав белков

Усредненный белок содержит:

• 52% углерода;
• 7% водорода;
• 12% азота;
• 21% кислорода;
• 3% серы.

Белковые молекулы - это полимеры. Для того чтобы понять их структуру, необходимо узнать, что собой представляют их мономеры - аминокислоты.

Аминокислоты

Их принято делить на две категории: постоянно встречающиеся и иногда встречающиеся. К первым относится 18 и еще 2 амида: аспарагиновой и глутаминовой кислоты. Иногда встречающихся кислот всего три.

Эти кислоты можно классифицировать разными способами: по характеру боковых цепей или заряженности их радикалов, также их можно делить по числу групп CN и COOH.

Первичная структура белка

Порядок чередования аминокислот в белковой цепочке определяет его последующие уровни организации, свойства и функции. Основным между мономерами является пептидная. Она образуется путем отщепления водорода от одной аминокслоты и ОН-группы от другой.

Первый уровень организации белковой молекулы - это последовательность аминокислот в ней, попросту цепочка, которая определяет строение молекул белков. Она состоит из «скелета», имеющего регулярную структуру. Это повторяющаяся последовательность -NH-CH-CO-. Отдельные боковые цепи представлены радикалами аминокислот (R), их свойства определяют состав строения белков.

Даже если строение молекул белков одинаково, они могут отличаться свойствами только от того, что у их мономеров различная последовательность в цепочке. Порядок расположения аминокислот в белке определяется генами и диктует белку определенные биологические функции. Последовательность мономеров в молекулах, отвечающих за одну и ту же функцию, часто близка у разных видов. Такие молекулы - одинаковые или сходные по организации и выполняющие у разных видов организмов одинаковые функции - гомологичные белки. Строение, свойства и функции будущих молекул закладываются уже на этапе синтеза цепочки аминокислот.

Некоторые общие черты

Строение белков было изучено достаточно давно, а анализ их первичной структуры позволил сделать некоторые обобщения. Для большего числа белков характерно присутствие всех двадцати аминокислот, из которых особенно много глицина, аланина, глутамина и мало триптофана, аргинина, метионина, гистидина. Исключениями являются лишь некоторые группы белков, например, гистоны. Они нужны для упаковки ДНК и содержат много гистидина.

Любые виды движения организмов (работа мышц, движение протоплазмы в клетке, мерцание ресничек у простейших и т. д.) осуществляют белки. Строение белков позволяет им двигаться, образовывать волокна и кольца.

Транспортная функция заключается в том, что многие вещества переносятся через клеточную мембрану особыми белками-переносчиками.

Гормональная роль этих полимеров понятна сразу: ряд гормонов по строению являются белками, например инсулин, окситоцин.

Запасная функция определяется тем, что белки способны образовывать отложения. Например, вальгумин яйца, казеин молока, белки семян растений - в них хранится большое количество питательных веществ.

Все сухожилия, суставные сочленения, кости скелета, копыта образованы белками, что подводит нас к очередной их функции - опорной.

Белковые молекулы являются рецепторами, осуществляя избирательное узнавание некоторых веществ. В такой роли особенно известны гликопротеины и лектины.

Важнейшие факторы иммунитета - антитела и по происхождению являются белками. Например, процесс свертывания крови основан на изменениях белка фибриногена. Внутренние стенки пищевода и желудка выстланы защитным слоем слизистых белков - лицинов. Токсины также являются белками по происхождению. Основу кожи, предохраняющей тело животных, составляет коллаген. Все эти функции белков являются защитными.

Ну и последняя по счету функция - регуляторная. Существуют белки, которые управляют работой генома. То есть они регулируют транскрипцию и трансляцию.

Какую бы важную роль ни играли белки, строение белков было разгадано учеными довольно давно. И теперь они открывают все новые пути использования этих знаний.

Все процессы в клетке осуществляются при участии белков. Их функции чрезвычайно многообразны. Каждый данный белок как вещество с определенным химическим строением выполняет одну узкоспециализированную функцию и лишь в нескольких отдельных случаях – несколько взаимосвязанных.

Спускаясь от клеточного до молекулярного уровня мы встречаемся со следующими основными функциями белков:

1.Каталитическая (ферментативная) функция: Многочисленные биохимические реакции в живых организмах протекают в мягких условиях при температурах, близких к 40°С, и значениях рН близких к нейтральным. В этих условиях скорости протекания большинства реакций ничтожно малы, поэтому для их приемлемого осуществления необходимы специальные биологические катализаторы – ферменты. Даже такая простая реакция, как дегидратация угольной кислоты:

CO 2 + H 2 O HCO 3 - + H +

катализируется ферментом карбоангидразой. Вообще все реакции, за исключением реакции фотолиза воды 2H 2 O®4H + + 4e - + O 2 , в живых организмах катализируются ферментами. Как правило, ферменты – это либо белки, либо комплексы белков с каким-либо кофактором – ионом металла или специальной органической молекулой. Ферменты обладают высокой, иногда уникальной, избирательностью действия. Например, ферменты, катализирующие присоединение a-аминокислот к соответствующим т-РНК в процессе биосинтеза белка, катализируют присоединение только L-аминокислот и не катализируют присоединение D-аминокислот.

2. Транспортная функция белков. Белки служат для запасания и переноса кислорода (гемоглобин, гемоцианин). Эта функция напоминает ферментативную, но она отлична от нее, т.к. О 2 не претерпевает изменений.

Внутрь клетки должны поступать многочисленные вещества, обеспечивающие ее строительным материалом и энергией. В то же время все биологические мембраны построены по единому принципу – двойной слой липидов, в который погружены различные белки, причем гидрофильные участки макромолекул сосредоточены на поверхности мембран, а гидрофобные “хвосты” – в толще мембраны. Такая структура непроницаема для таких важных компонентов, как сахара, аминокислоты, ионы щелочных металлов. Их проникновение внутрь клетки осуществляется с помощью специальных транспортных белков, вмонтированных в мембрану клеток.

3. Регуляторные функции - низкомолекулярные полипептиды (инсулин, окситоцин), гормоны стимулируют функциональную активность в клетках других тканей и органов.

4. Защитная иммунологическая функция. Иммунная система обладает способностью отвечать на появление чужеродных частиц выработкой огромного числа лимфоцитов, способных специфически повреждать именно эти частицы, которыми могут быть чужеродные клетки, например патогенные бактерии, раковые клетки, надмолекулярные частицы, такие как вирусы, макромолекулы, включая чужеродные белки. Одна из групп лимфоцитов – В-лимфоциты , вырабатывает особые белки, выделяемые в кровеносную систему, которые узнают чужеродные частицы, образуя при этом высокоспецифичный комплекс на этой стадии уничтожения. Эти белки- иммуноглобулины высших организмов, защищают их от чужеродных биополимеров за счет своего специфического строения (функциональной группы).

5. Функция хранения, передачи химических и электрических сигналов.

6. Структурная функция. Наряду с белками, выполняющими тонкие высокоспециализированные функции, существуют белки, имеющие в основном структурное значение. Они обеспечивают механическую прочность и другие механические свойства отдельных тканей живых организмов. В первую очередь это коллаген - основной белковый компонент внеклеточного матрикса соединительной ткани. У млекопитающих коллаген составляет до 25% общей массы белков. В эластичных тканях - коже, стенках кровеносных сосудов, легких - помимо коллагена внеклеточный матрикс содержит белок эластин , способный довольно в широких пределах растягиваться и возвращаться в исходное состояние.

Еще один пример структурного белка - фиброин шелка, выделяемый гусеницами шелкопряда в период формирования куколки и являющийся основным компонентом шелковых нитей.

7. Двигательные белки. Мышечное сокращение является процессом, в ходе которого происходит превращение химической энергии, запасенной в виде макроэргических пирофосфатных связей в молекулах АТФ, в механическую работу. Непосредственными участниками процесса сокращения являются два белка - актин и миозин.

8. Рецепторная функция. Большое значение, в особенности для функционирования многоклеточных организмов, имеют белки-рецепторы , вмонтированные в плазматическую мембрану клеток и служащие для восприятия и преобразования различных сигналов, поступающих в клетку, как от окружающей среды, так и от других клеток. В качестве наиболее исследованных можно привести рецепторы ацетилхолина , находящиеся на мембране клеток в ряде межнейронных контактов, в том числе в коре головного мозга, и у нервно-мышечных соединений. Эти белки специфично взаимодействуют с ацетилхолином и отвечает на это передачей сигнала внутрь клетки. После получения и преобразования сигнала нейромедиатор должен быть удален, чтобы клетка подготовилась к восприятию следующего сигнала.

9. Токсины: Ряд живых организмов в качестве защиты от потенциальных врагов вырабатывают сильно ядовитые вещества - токсины. Многие из них являются белками, однако, встречаются среди них и сложные низкомолекулярные органические молекулы. В качестве примера такого вещества можно привести ядовитое начало бледной поганки - a-аманитин: Это соединение специфично блокирует синтез эукариотических и-РНК. Для человека смертельной дозой является несколько мг этого токсина.

Первичная и вторичная структура белков. Белки не являются статическими образованиями. Это структуры, которые могут претерпевать определенные конформационные изменения в процессе биологического функционирования. Анализ конформаций проводят исходя из различных уровней организации бел­ковых молекул. Еще в 1959 г К.Линдерстрем-Ланг выделил четыре уровня структурной организации белков - первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуру. Позже на основании сопоставления данных рентгеноструктурного анализа, калориметрии и других методов были выделены еще два уровня организации - сверхвторичные структуры и домены белков.

Аминокислотную последовательность называют первичной структурой белка. Изучение расположения аминокислот в белках представляет важный этап в изучении структуры белка. В настоящее время этот анализ проводится автоматически с помощью приборов секвинаторов. В последние годы используется новый метод определения аминокислотной последовательности. Выделяют фрагмент ДНК, содержащий структурный ген данного белка, расшифровывают после­довательность нуклеотидов и переводят ее согласно генетическому коду в аминокислотную последовательность. Первичная структура - это одномерное представление белковой молекулы. Знание первичной структуры используется для предсказания вторичной и третичной структуры белка. Одновременное использование аминокислотной последовательности и кристаллографических карт электронной плотности позволяет восстановить пространственное расположение всех атомных групп в белке.

В полипептидной цепи пептидная группа является плоской и жесткой. Полипептидную цепь можно представить как последовательность однотипных плоскостей (пептидных групп), соединенных между собой одинарными связями. Вращение вокруг этих связей не является полностью свободным вследствие стерических ограничений. Угол поворота вокруг связей С – С а обозначают ψ, а угол поворота вокруг связей N – С а обозначают φ. Г.Рамачандран провел расчеты конформационных состояний полипептидной цепи с помощью ЭВМ и определил область возможных значений ψ и (графики Рамачандрана или конформационные карты). На конформационных картах значения углов ψ и φ в белках не являются произвольными, они четко ограничены конкретными областями, что свидетельствует о существовании ограни­ченного количества конформаций полипептидной цепи.

Под вторичной структурой белка понимают упорядоченное расположение полипептидной цепи, стабилизированное водородными связями между пептидными группами. Рассматривая этот структурный уровень, говорят о локальной конформации участков полипептидной цепи. Часто встречаемой и наиболее энергетически и стерически выгодной вторичной структурой является правая α– спираль, которая впервые была постулирована Л.Полингом и Р.Кори (1951) . Наиболее важные характеристики α– спирали: 1) число аминокислотных остатков на один шаг спирали составляет 3,6; 2) шаг спирали d = 0,54 нм; 3) трансляция на один остаток вдоль спирали Δd = 0,15 нм; 4) радиус α– спирали r = 0,23 нм; 5) водородные связи (параллельные оси спирали) образуются между каждой первой и четвертой пептидной группой; 6) для α– спирали φ = -57° и ψ = -47°. Как видно из поперечного среза α– спирали на каждом обороте ее происходит сдвиг вправо на 60°. В результате такого сдвига только через 10 оборотов 1-я пептидная группа точно будет совпадать с 36-й пептидной группой.

Вторичными структурами белковых молекул являются параллельные и антипараллельные β-складчатые листы (или β-структура). На конформационной карте Рамачандрана для β-слоя с антипараллельными цепями φ = -139° и ψ = +135° , для β-слоя с параллельными цепями φ = - 119° и ψ = +113°. Большинство из них имеют не более шести полипептидных цепей, стабилизированных водородными связями, и по шесть аминокислотных остатков по длине каждой цепи. Размеры такого листа: ширина t = 2,5 нм, длина l = 2,0 нм. Большинство складчатых листов имеют скрученную форму. Скручивание идет перпендикулярно вытянутым цепям.

Следующим уровнем организации белковых молекул являются сверхвторичные структуры. Примером таких структур является суперспиральные структуры. В них две α– спирали (в тропомиозине, легком меромиозине, парамиозине) или три α -спирали (в фибрино­гене) скручены друг относительно друга. Шаг суперспирали в легком меромиозине составляет α= 18,6 нм. На примере тропомиозина с известной аминокислотной последовательностью сделан вывод о том, что суперспираль стабилизируется гидрофобными взаимодействиями между отдельными α -спиралями.

Первичная структура цепи и формирование белковой глобулы

Одной из важнейших проблем физики белка является проблема связи между первичной структурой полипептидной цепи и пространственной строением глобулы. Биологически функциональна нативная пространственная структурa макромолекул, а генетически кодируется первичная структура. И почему молекула белка образует глобулу, по другому говоря, почему белок способен к самосборке и белок в этом состоянии уже может выполнять свои функции? Как было установлено Гуццо, для пространственной структуры белка имеет значение конкретное расположение аминокислот. Различают аминокислоты «неспиральные» не могут образовывать спирали и «спиральные» - могут изгибаться (асп, цис, тир, сер). От этого зависит закрученность, укладка молекулы. И еще особо важное значение для образования пространственной структуры белка имеет аминокислота глицин - это как универсальный шарнир может занимать самые различные положения.

В настоящее время предполагается, что самоорганизация белковой глобулы, не есть результат некого направленного процесса. Многие исследователи считают, что программа безошибочной самоорганизации закодирована в самой первичной структуре. Самоорганизация происходит стадийно, так что на каждом следующей стадии формируется все более сложная и стабилизированная структура.

Регулярные конформации полипептидных цепей, стабилизированные водородными связями (α и β – формы) устойчивы лишь в определенных условиях, Изменение температуры, рН, растворителя среды приводит к переходам конформации. Американец Доти устано­вил, что переходы спираль-клубок протекают за очень короткое время. Переход характеризуется изменением вязкости, светорассеивания и т.д. Резкость перехода свидетельствует о кооперативном характере, т.е. каждое звено макромолекулы находится в закрепленном состоянии с помощью водородных связей. При действии посторонних факторов происходит изменение упаковки молекул, т.е. конформации.

Согласно ученому Птицину на первой стадии в развернутой белковой цепи образуются флуктурующие (измененные, непостоянные) зародыши спиральных участков с вытянутой структурой (места образ.). На второй стадии одна или несколько пар заро­дышей объединяются, образуя центры организации третичной струк­туры. На третьей стадии происходит рост центров за счет присоединения соседних участков цепи.

И на последней, четвертой стадии образуется единая компактная структура глобулы путем роста или объединения нескольких центров.

Домены и третичная структура белка

Третичная структура белка представляет собой термодинамически наиболее стабильную форму свертывания и укладки полипептидной цепи. Возникает вопрос, как происходит свертывание белка, каким образом одномерная информация, заложенная в последовательности аминокислот, реализуется в пространственную информацию? Эксперименты по денатурации и ренатурации белков показали, что процессы разру­шения и образования компактной третичной структуры проходят достаточно быстро: нуклеаза стафилококков повторно свертывается за 1 с.

Для объяснения процесса свертывания используется нуклеационная модель. В этой модели допускается, что короткие сегменты полипептидной цепи очень быстро свертываются независимо друг от друга, а на втором этапе они сближаются, образуя компактную трехмерную структуру. Сегменты белка образуют α -спирали и β-слои с большой скоростью. Экспериментально показано, что переходы спираль - клубок проходят за время от 10 -6 до 10 -8 c.

В последнее время в белках выделен еще один важный уровень структурной организации. Анализ карт электронной плотности белков с молекулярной массой больше 20 000 показал, чтo белки состоят из нескольких глобулярных областей, слабо связанных между собой. Эти области получили название доменов. Индивидуальные домены часто можно выделить из белка с помощью протеолитических ферментов без потери ими функциональных свойств. Под доменом подразумевают область одной полипептидной цепи, заключенной в компактном объеме. Это такие участки цепи, которые свертываются и развертываются в белке независимо друг от друга.

Домен можно рассматривать как относительно автономную структурную единицу. С помощью сканирующей микрокалориметрии Привалов показал наличие в сложных белках отдельных кооперативных блоков, для которых характерны скачкообразные структурные переходы при тепловой денатурации. Оказалось, что во многих случаях такие кооперативные белки хорошо соответствует выделенным протеолитическим фрагментам белков. Это позволило идентифицировать кооперативные блоки с доменами белков. Часто выделенные протеолитические фрагменты имеет структурные свойства, подобные кооперативным блокам, т.е. совпадают их температуры плавления и энтальпии переходов, а также они сохраняют функциональные характеристики нативных белков. Домены связаны между собой очень ограниченным количеством пептидных связей, которые сравнительно легко разрываются под действием протеолитических ферментов.

В настоящее время с помощью сканирующей микрокалориметрии электронной микроскопии, протеолитического расщепления установлено доменное строение в таких высокомолекулярных белках, как иммуноглобулин, миозин, фибриноген и др.

Домены могут представлять собой важные промежуточные образования в процессе свертывания нативной структуры белков. Белки, состоящие из доменов, должны иметь более гибкую структуру, чем белки, в которых различные участки скреплены между собой. По-видимому, обратимые конформационные изменения, влияющие на функцию ферментов, связаны с междоменными перестройками без изменения структурной стабильности самих доменов.

Гипотеза расплавленной глобулы. Одним из способов изучения свора­чивания полипептидной цепи в трехмерную структуру является денатурация и последующая ренатурация белковой молекулы.

Опыты К. Анфинсена с рибонуклеазой однозначно показывают возмож­ность сборки именно той пространственной структуры, которая была наруше­на в результате денатурации.

В данном случае восстановление нативной конформации не требует нали­чия никаких дополнительных структур. Какие же модели свертывания поли­пептидной цепи о соответствующую конформацию являются наиболее веро­ятными? Одной из распространенных гипотез самоорганизации белка являет­ся гипотеза расплавленной глобулы. В рамках этой концепции выделяют не­сколько этапов самосборки белков.

1. В развернутой полипептидной цепи с помощью водородных связей и гидрофобных взаимодействий образуются отдельные участки вторичной структуры, служащие как бы затравками для формирования полных вторич­ных и супервторичных структур.

2. Когда число этих участков достигает определенной пороговой величи­ны, происходит переориентация боковых радикалов и переход полипептидной цепи в новую более компактную форму, причем число нековалентных связей значительно увеличивается. Характерной особенностью этой стадии является образование специфических контактов между атомами, находящимися на удаленных участках полипептидной цепи, но оказавшихся сближенными в результате образования тре­тичной структуры.

3. На последнем этапе формируется нативная конформация белковой молекулы, связанная с замыканием дисульфидных свя­зей и окончательной стабилизацией белковой конформации. Не исключена также неспецифическая агрегация частично свернутых полипептидных цепей, что можно квалифицировать как ошибки образо­вания нативных белкоя. Частично свернутая полипептидная цепь (этап 2) называется расплавленной глобулой, а этап 3 является самым медленным при образовании зрелого белка.

В клетках имеется ряд каталитически неактивных белков, которые, тем не менее, вносят большой вклад в образование пространственных структур белков. Это так называемые шапироны и шапиронины. Один из первооткрывателей молекулярных шапиронов Л. Эллис называет их функциональным классом не связанных друг с другом семейств белков, кото­рые помогают правильной нековалентной сборке других полипептидсодержащих структур in vivo, но не входят в состав собираемых структур и не участву­ют к реализации их нормальных физиологических функций.

Шапироны помогают правильной сборке трехмерной белковой конформации путем образования обратимых нековалентных комплексов с частично свернутой полипептидной цепью, одновременно ингибируя неправильно об­разованные связи, ведущие к формированию функционально неактивных бел­ковых структур. В перечень функций, свойственных шапиронам, входит заши­та расплавленных глобул от агрегации, а также перенос новосинтезированных белков в различные локусы клеток. Шапироны преимущественно являются белками теплового шока, синтез которых резко усиливается при стрессовом температурном воздействии. Семейства этих белков найдены в микробных, растительных и живот­ных клетках. Классификация шапиронов основана на их молекулярной массе, которая варьирует от 10 до 90 kDa. В основном функции шапиронов и шапиронинов различаются, хотя и те, и другие являются белками-помощниками процессов образования трехмерной структуры белков. Шапироны удерживают новосинтезированную полипептидную цепь в развернутом состоянии, не да­вая ей свернуться в отличную от нативной форму, а шапиронины обеспечивают условия для образования единственно правильной, нативной структуры белка.

Четвертичная структура белков

Образование хаотично сформированных агрегатов является ошибкой, ко­торая приводит к появлению функционально неактивных белков, поэтому в клетках предусмотрены механизмы быстрой их деградации и распада на от­дельные аминокислоты. Однако в природе существует немало генетически де­терминированных агрегатов, включающих в себя несколько полипептидных цепей, образующих большие белковые макромолекулы. Четвертичной струк­турой называют ассоциированные между собой две или более субъединиц, ориентированных в пространстве. По-видимому, более правильно примени­тельно к четвертичной структуре белков говорить не об агрегатах, а об ансамб­лях глобул. Характеризуя четвертичную структуру белков, следует исключать ее псевдоварианты. Так белковый гормон инсулин состоит из двух полипеп­тидных цепей, но они не являются полноправными глобулами, а образуются в результате ограниченного протеолиза единой полипептидной цепи. Не явля­ются белками с истинной четвертичной структурой и мультиферментные комплексы. Они представляют собой типичные надмолекулярные структуры. При образовании четвертичной структуры отдельные субъединицы взаимодействуют друг с другом исключительно при помощи нековалентных связей, в первую очередь водородных и гидрофобных. Весьма существенным является тот факт, что контактные поверхности взаимодействующих субъеди­ниц комплементарны друг другу. В контактных участках расположены гидро­фобные группировки, которые получили название «липкие пятна».

Взаимная ориентация электроотрицательных атомов, облегченная нали­чием комплементарных сайтов, способствует образованию большого числа во­дородных связей. Это обеспечивает реализацию кооперативного эффекта и стабилизацию макромолекулы. Кроме того, множественность нековалентных связей является основой передачи структурных перестроек от одной субъеди­ницы на другие.

Белки, имеющие четвертичную структуру, часто называют олигомерными. Различают гомомерные и гетеромерные белки. К гомомерным относятся белки, у которых все субъединицы имеют одинаковое строение. В качестве примера можно привести белок каталазу, состоящую из четырех абсолютно равноцен­ных субъединиц. У гетеромерных белков отдельные субъединицы не только отличаются по строению, но и могут выполнять различные функции. Напри­мер, белок РНК-полимераза состоит из пяти субъединиц различного строения и с неодинаковыми функциями.

Под первичной структурой, уже знакомой нам из главы о пептидах (гл. 4), понимается последовательность аминокислот в полипептидной цепи (или цепях) и положение дисульфидных связей, если они имеются.

Вторичная структура

На этом структурном уровне описываются стерические взаимосвязи между расположенными близко друг к другу вдоль цепи аминокислотами. Вторичная структура может быть регулярной (а-спираль, складчатый -слой) или не обнаруживать никаких признаков регулярности (неупорядоченная конформация).

Третичная структура

Общее расположение, взаимную укладку различных областей, доменов и отдельных аминокислотных остатков одиночной полипептидной цепи называют третичной структурой данного белка. Четкой границы между вторичной и третичной структурами провести нельзя, однако под третичной структурой понимают стерические взаимосвязи между аминокислотными остатками, далеко отстоящими друг от друга по цепи.

Четвертичная структура

Если белки состоят из двух и более полипептидных цепей, связанных между собой нековалентными (не пептидными и не дисульфидными) связями, то говорят, что они обладают четвертичной структурой. Такие агрегаты стабилизируются водородными связями и электростатическими взаимодействиями между остатками, находящимися на поверхности полипептидных цепей. Подобные белки называют олигомерами, а составляющие их индивидуальные полипептидные цепи-протомерами, мономерами или субъединицами.

Многие олигомерные белки содержат два или четыре протомера и называются димерами или тетрамерами соответственно. Довольно часто встречаются олигомеры, содержащие более четырех протомеров, особенно среди регуляторных белков (пример - транскарбамоилаза). Олигомерные белки играют особую роль во внутриклеточной регуляции: их протомеры могут слегка менять взаимную ориентацию, что приводит к изменению свойств олигомера. Наиболее изученный пример - гемоглобин (гл. 16).

Роль первичной структуры в формировании более высоких уровней структурной организации белка

Вторичная и третичная структуры белка формируются самопроизвольно и определяются первичной структурой его полипептидной цепи. Параллельно синтезу цепи происходят ее локальное свертывание (образование вторичной структуры) и специфическая агрегация свернутых участков (формирование третичной структуры). Эти процессы детерминируются химическими группами, отходящими от атомов а-углерода соответствующих остатков. Например, обработка мономерного фермента рибонуклеазы мягким восстанавливающим агентом ф-меркаптоэтанолом) и денатурирующим агентом (мочевиной или гуанидином; см. ниже) приводит к инактивации белка и переходу его в неупорядоченную конформацию. Если медленно удалять денатурирующий агент и осуществлять постепенное реокисление, то вновь образуются S-S-связи и практически восстанавливается ферментативная активность. Нет никаких оснований думать, что существует независимый генетический контроль за формированием уровней структурной организации белка выше первичного, поскольку первичная структура специфически определяет и вторичную, и третичную, и четвертичную структуру (если она имеется)-т.е. конформацию белка. Нативной конформацией белка, в частности рибонуклеазы, по-видимому, является термодинамически наиболее устойчивая структура в данных условиях, т.е. при данных гидрофильных и гидрофобных свойствах среды.

Структура белка после его синтеза может модифицироваться (посттрансляционный процессинг); так, часто наблюдается превращение препрофермента в каталически активную форму или удаление «лидерной» последовательности, детерминирующей транспорт белков через мембраны (гл. 42).

Макромолекулярные белковые комплексы

Полифункциональные макромолекулярные комплексы, образующиеся в результате агрегации различных функциональных белков, каждый из которых обладает всеми четырьмя уровнями структурной организации, функционируют в цепи транспорта электронов (гл. 12), участвуют в биосинтезе жирных кислот (гл. 23) и метаболизме пирувата (гл. 18).